植物光学测量生长球设计

植物光学测量生长球

诺埃尔·米哈雷斯1, Efr´enGonz´alez1,丹尼尔·阿兰尼斯1,恩里克斯特·奥尔韦拉2,鲁门·伊 万诺夫1,伊斯梅尔·德·拉·罗萨1萨卡特卡斯自治大学´工程科学博士项目埃希多拉孔迪达， 98160萨卡特卡斯，墨西哥墨西哥国立理工学院帕贝尔翁德阿特亚加校区´通往里纳孔德罗马斯车站的公路，公里数1，20670帕贝尔翁德阿特亚加，阿瓜斯卡连特斯，墨西哥

摘要

对植物进行精确测量，有助于深入了解这些生物体的功能和过程，而这些功能和过程是地球生命发展的重要基础。在可控气氛中为植物创造最佳生长条件，对于测量具有最高重要性的变量——光，非常有帮助。

本文描述了一种用于植物光学测量的生长球体（GSOMP）的设计，该装置具备两个主要功能：一是在植物整个生命周期中提供最佳生长条件；二是利用装置表面的几何形状（球形）和涂层特性，进行入射光吸收测量，从而获得任意植物在各个物候阶段的光吸收谱。因此，该设备具有独特性，为蔬菜类植物的研究与实验提供了非常有用的选项。

关键词 ：植物，生长球体，生命周期，吸收光谱，受控大气，光

引言

在可重复的受控环境中种植植物的设备开发被广泛认为是对植物科学研究极其重要的贡献[1]。为此已实施了多种类型的培养室和/或生长室，从而加深了对植物内部过程的理解，并提供了用于大规模提升品质和生产力的工具。此类设备的示例见于[2],[3]和[4]。很大程度上得益于在受控环境中的实验，如今我们才能了解生菜[5]和番茄[6]等植物生长的最佳条件。

受控环境培养室对于理解植物对各种气候[7]以及使用人工光的照明方案的响应至关重要。此外，光强度和光周期[8],以及波长（颜色）[9]的结果会影响蒸腾作用、光合速率、气孔导度、水分利用效率，以及光能利用效率和光化学反射率指数。

在受控环境中可生成的影响植物生长的主要因素包括：光、风速、温度、相对空气湿度以及CO2的浓度。光是一个关键参数，因为它是光合作用及其他生理过程所需能量的主要来源[5]。事实上，除了促进光合作用外，光还调节植物的形态、生理和植物化学成分[10]。植物和藻类进行的光合作用利用的是与正常视觉人类可感知的相同电磁波谱区域，即400‐700纳米区域。因此，该电磁波谱区域被称为可见光。此波段内的辐射也称为光合有效辐射（PAR）或辐照度，其最常用的测量单位是 μmol/m2·seg。这些单位也称为光合光子通量单位[11]。

强调人眼和植物对入射光的光响应之间的差异是很必要的。虽然人眼的生理特性在400到700纳米范围内的极端波段灵敏度较低，但植物对这些极端波段具有很高的灵敏度；而在该范围内的中间波段（520到580纳米），情况则相反（见图1）。换句话说，植物对蓝色和红色光子的吸收优于对绿色光子的吸收。

正因如此，用于测量植物吸收的探测器必须是量子型的，也就是说，它们的灵敏度必须更接近植物的光响应，单位为每表面积单位每时间单位的摩尔质量（μmol/m2·seg）。诸如勒克斯或坎之类的单位基于明视觉响应（人眼的灵敏度），因此在此类测量中不需要使用德拉。文中提到了“光子”，因为在吸收和发射分析中，粒子理论比波动理论更受推荐，而光子正是在光的粒子理论中被称为“离散量”或“能量包”，其能量与波长成反比。

在此全景图中，由于植物具有捕获光的能力，光的吸收可以被可视化为对粒子（光子）的吸收。这种能力源于一系列色素的存在，这些色素协同作用形成集光中心，进而将光转化为维持地球上的生命所需的化学能[11]。光合作用的光子产额可定义为光合机构每捕获1摩尔光子所吸收的CO2的摩尔量。在44个物种的叶片中测得的光平均吸收率约为84%[12]。此类考虑植物光吸收的测量既在田间进行：如在三种玉米密度[13],的玉米作物、豆类作物[14],以及佐尔戈和夏小麦[15]中；也在实验室中进行：如在玉米和豆类叶片[16]，以及在21天和31天龄的生菜叶片于4种不同光照强度和不同光源条件下[17]。

田间的研究工作通过在不同作物地点使用量子传感器进行测量，从而获得三类测量数据。将量子传感器置于植物冠层上方并朝上，可测得入射光值；将传感器放置在作物的土壤中，可测得透射光量；最后，将传感器安装在作物某一高度并面向植物，可获得反射的光合有效辐射光的测量值。由于这些数据均可获取，因此可通过以下公式推导出吸收光的数值：

PARin = PARabs + PARref + PARtr [15]

在此公式中，变量PARin、PARref和PARtr通过上述测量方法获得，通过消除PARabs的值可得到吸收光的量。这种测量方式已被用作了解作物行为的良好参数，但随着天气条件的变化，吸收测量结果也随之发生变化。

实验室研究工作通常仅在采集不同植物的叶片后进行，有时是在收获后，有时是在不同生长阶段。这意味着分析专门针对植物的叶片部分，而没有将整株植物作为一个完整的个体来考虑。这种分析通常在直径小于100mm的积分球中进行，积分球广泛用于积分入射光，并结合分光光度计进行测量。这种测量方式的另一个缺点是无法在植物存活状态下进行，因为需要将其叶片剪下以供后续分析。

下文所述的仪器能够在最佳条件下测量光吸收，这意味着可以将温度、湿度、照明和CO2的值保持在最适宜且恒定的水平，从而消除这些因素对植物光吸收的影响。该仪器的另一个优点是可以在植物生长发育过程中进行吸收测量，因此能够全面了解植物在其各个酚类阶段所执行的功能。使用该设备进行的吸收测量不仅显示叶绿素或类胡萝卜素引起的吸收，还包括光敏蛋白和图色素等其他色素的吸收。

正是出于这些原因，植物光学测量生长球（GSOMP）是一种独特且有用的实验室设备，它不仅提供科学知识，而且是通过田间水平促进植物发育的宝贵工具。该设备还能够将传感器输出的数据不仅显示在屏幕上，而且可以通过网页从世界任何地方访问，从而验证控制系统正常工作，并记录植物整个生命周期中的光吸收行为曲线。

2. GSOMP的设计

在GSOMP的构建过程中，首先使用一对由6毫米厚丙烯酸材料制成、直径为50厘米的半球体。这些半球体的内表面涂覆有耐用的白色反射涂层，特别适用于350纳米至1200纳米波长范围内的照明应用，其反射率值介于94%至96%之间。

在其有效波长范围内具有优异性能，并能耐受潮湿环境，使其成为室内植物养护的理想选择。该涂层名为Permaflect[18]。这些半球体通过连接螺钉相互固定，使得整个球体的开启和闭合操作简便。在两个半球体的接合处，安装有高品质的乙烯、丙烯和二烯复合密封材料，以实现精确对位并确保整个球体的气密性。

GSOMP有4个端口，其中2个用于水平进气和出气口，一个端口用于上部照明，另一个端口用于放置植物，植物的根将位于外部，保持浸没在球体下部外部容器内的水培溶液中，该容器放置在桌子之上。

球体的几何形状以及上述涂层在用于测量光吸收的GSOMP系统中起着非常重要的作用。市面上有无数种积分球，用于测量和表征光的不同特性，例如：强度、反射率、光谱成分和吸收等。基于积分球并结合光谱仪和光传感器等附加组件的结果，照明研究已在科学的各个领域展开。

GSOMP系统不同于其他项目中使用的商用积分球，它可以进行调节，以便容纳任意类型的植物，并使植物在其中完成整个生命周期，以记录光吸收读数。为此，以下描述了一组执行器，这些执行器负责在球体内生成可控气氛，为植物生长提供最佳条件。

2.1. 可控气氛生成

为了在球体内为植物生长创造理想条件，采用了一种非侵入式温度控制系统，该系统基于一款低噪声的商用压缩机，并向汽车应用中常见的喷射器提供空气，该喷射器包含4个电磁阀，通常在12伏下工作。在此情况下，喷射器的电磁阀采用5伏电源，并通过脉冲宽度调制（PWM）信号进行控制，从而可根据需求使用更低的电压；由于每个电磁阀将根据空气组分的需求气动连接至相应的执行器。连接到各喷射器电磁阀的执行器如下所述：

• 加热电阻 。— 该元件负责加热来自压缩机的空气。波纹结构可实现均匀热传递，从而根据气流进行调节，因此必须与良好的通风系统配合使用。为实现其功能，该元件需提供127伏交流电，额定功率为100瓦，但其优点在于一旦升高周围空气的温度后，能耗将减少10%至20%。

• 涡流冷却管（图2） 。——该执行器是一种冷风枪，广泛应用于机械干燥和冷却过程中。其工作原理基于压缩空气的注入，形成高速涡流并流向管子末端。气流的内层部分流向热空气出口后返回前端。由于管子中心压力较低，这部分气流膨胀，并从冷空气出口流出，温度低于注入空气的温度。涡流管有两个出口，一个用于热空气，另一个用于冷空气。在本项目中仅使用冷空气出口，因为热空气需求已通过加热元件满足。

- 超声波加湿器 。它由一个20毫米的陶瓷片组成，当其周围充满水并连接到电子板时，会将周围的水转化为蒸汽。该电子板是一个高频声波发生器（113千赫兹），工作电压为3至12伏特。陶瓷片被封装在一个亚克力盒中，并通过气动方式连接到喷射器的一个电磁阀，以便在需要时，盒内产生的湿度可以进入球体。该加湿器的工作原理基于压电效应，即如果在压电材料的X轴上施加电压，则会在Y轴上产生压力。因此，当在表面输入一个较低的高频电压时，陶瓷片的振动导致其周围的水从液态变为气态[20]。

• CO₂喷射器 。该装置基本上是一个CO₂灭火器。为此设备添加了一个调节器，以防止气瓶内部的总压（1500磅/平方英寸）传递至负责向球体供应CO₂的电磁阀。通过调节器，可将CO₂供应量校准至最小流量。执行此操作可避免软管和电磁阀组件承受高压，因为它们并不适用于承受此类高压；此外，若球体内流量过大，会导致CO₂浓度过高（超过2000百万分之一），对任何植物都有害。

关于照明，大多数植物推荐的最小值为100 μmol/m²·s，考虑到球体直径（50厘米），将灯置于内部空间正中央时，使用光通量为4000流明的商用灯即可达到该辐照度。特科尼特E27品牌的65瓦螺旋荧光灯泡，色温为6500开尔文，是最佳选择。目前尚无关于某些植物在此类照明和几何结构设备中完整生命周期的文献记录，因此建议使用光照特性与太阳光相似的光源进行照明。

完整的GSOMP系统如图3所示：

2.2. 仪器与控制系统

进行变量测量并向负责控制通路的电磁阀发送脉宽调制信号，每个执行器输送的空气均配备有温度、湿度、CO₂和光照传感器。这些传感器安装在球体内部，每个传感器后方都设有丙烯酸材料防护罩，防护罩表面涂有与球体表面相同的涂层，以尽可能减少对测量的影响。

传感器的电源线通过半球体接缝处引入，该接缝处装有用于密封的密封垫，从而保持光学和热绝缘性能。在球体外部，这些电缆连接至一个微控制器，微控制器负责通过喷射器中的各个电磁阀启动相应的执行器，以生成植物正常生长过程所需的最佳条件。

所使用的传感器为：

• DHT-11传感器 。它是一种数字传感器，因其双重功能而在实验中被广泛使用，单个模块即可同时进行温度和湿度测量。此外，由于有库函数可直接以摄氏度和湿度百分比采集读数，因此编程非常简便。在连接时也非常实用，通过单一引脚即可将两种测量数据发送至控制器。

• 传感器MG-811 是一种基于化学反应产生电动势的模拟传感器，该电动势由两个电极与CO₂发生反应生成，在0到10,000 ppm范围内输出0到2伏特之间的信号。相反，0伏特对应10,000 ppm的CO₂，而2伏特对应0 ppm的CO₂。

• 传感器BH1750 。— 该传感器以勒克斯为单位输出，这是一种基于明视觉响应的测量单位，正如前面提到的，这不是用于植物测量的合适单位，因此需要转换为 μmol/m²·s（根据[21]），即通常在这些类型的测量中使用的光合通量密度单位。选择这款数字传感器是因为其高精度，并且可以通过库函数轻松编程，此外还支持通过I²C通信方式与微控制器连接。

构成电子系统的其他模块包括：

• 5V机电继电器
• LCD2004模块
• I²C适配器
• MicroSD内存读卡器
• RTC DS3231实时时钟
• WiFi模块ESP8266
• Mosfet IRL520N

上述传感器生成的信息由微控制器（本例中为嵌入式Arduino系统）收集，该系统作为“大脑”，负责将这些信息发送到屏幕（LCD 2004模块），用户可在屏幕上监控这4个变量。根据这些数值，微控制器负责启动喷射器中的各个电磁阀，通过连接喷射器与球体的软管，从而在球体内实现可控气氛。

通过流程图（图4）描述了对大气环境的控制，计划在生菜植株上进行实验，其最适宜条件为[5]。

在此方案（图4）中可以看出，温度（T）必须保持在23至24°C之间，尽管文献[5]指出理想条件为22至25°C。这样做是为了给系统留出一定的误差余量。对于湿度（H），最低最佳条件为70%，因此设定为80%是可行的。CO₂供应量最好保持在文献[5]所提及的1000 ppm。

在LCD2004模块中记录所测变量数据的同时，这些数据还通过ESP-8266模块发送到网页以实现远程监控。该ESP-8266模块作为服务器运行，其供电电压由Arduino提供（3.3伏特）。

控制系统的示意图如图5所示。

图5未显示其他组件的表示，例如用于控制加热电阻和灯的交流电源的5V电磁继电器。同样的情况也出现在用于I²C适配器上连接LCD模块2004。同样，提到了其他组件，例如MicroSD内存读卡器（用于保存变量数据）和实时时钟RTC DS3231（用于获取时间数据以监控和控制光周期）。正是这个光周期，在大多数植物中通常为16小时光照和8小时黑暗[5]，通过打开和关闭灯来控制。

3. 结论

本文描述了一种可在其内部种植植物的装置设计，该装置便于进行远程和近距离的实验与监测，有助于拓展对光-植物相互作用的认识，并提供一种不同的光吸收测量方法。在开展完整实验之前，计划进行多项测试，以确保植物在球体内的正常生长。其中一项测试是确保光源的稳定性，即光源不出现显著波动。同时，还需要测试所有组件的性能，以保证系统的可靠性。完成这些测试后，可利用该装置对不同类型的植物和蔬菜进行实验，但需考虑其尺寸，因为高度超过30厘米的样本将难以在GSOMP内完成其完整生长周期。随后，可针对光吸收行为开展测试，不仅在最佳条件下进行，还可涵盖各变量的最小值和最大值条件。

通过GSOMP实验所获得的数据，对于深入了解这些复杂而重要的生物体具有至关重要的意义。