便攜式光合作用測定系統(tǒng)儀器誤差探析

1、便攜式光合作用測定系統(tǒng)儀器誤差探析摘要：使用各種便攜式光合儀測定植物單葉平均光合速率的總誤差是由儀器誤差、觀測誤差和葉片本身產(chǎn)生的某些光合反應綜合而成。簡析了因CO2 、流量、溫度、氣壓等參數(shù)測量所用傳感器的精度引起的儀器誤差,且該誤差因測量方式(開路或閉路) 及葉片光合速率水平而異,光合強度越強其誤差越小,誤差變幅為8 %20 %(開路) 或215 %15 %(閉路) 。并分析了各測量參數(shù)誤差對光合速率綜合誤差的貢獻,指出儀器誤差主要是由CO2 分析器和流量計誤差所致。早在20 世紀30 年代已普遍應用CO2 氣流法測定植物光合作用,桂寶華,Bloom A. 等于80年代初曾對老式光合儀器的

2、設(shè)計、材料進行改進研究。L I-COR 公司和ADC 公司研制的便攜式光合作用測定系統(tǒng)問世后Coombs J . 和Hall D. D. 等對儀器設(shè)計原理及其不足進行了研究分析。90 年代初伴隨新技術(shù)的應用帶來一系列新問題如分析器轉(zhuǎn)為便攜式后其精度及穩(wěn)定性的變化、電子流量計的應用等。本研究系統(tǒng)量化分析了當前技術(shù)水平下便攜式光合作用測定系統(tǒng)的儀器誤差,為合理使用該儀器提供參考依據(jù)。1 研究方法便攜式光合作用測定系統(tǒng)(含開路和閉路) 依據(jù)流經(jīng)葉片表面空氣中CO2 的變化計算,其開放系統(tǒng)凈光合速率計算式為:（1）式中, Pn 為凈光合速率(mol/ m2·s) , F 為體積流速(L/ m

3、in) , Ta 為空氣溫度( K) , P 為大氣壓力( Pa) , A 為光合面積(cm2 ) , Co開為開放系統(tǒng)葉室出氣口CO2 濃度(mg/ kg) , Ci開為開放系統(tǒng)葉室進氣口CO2 濃度(mg/ kg) 。閉路系統(tǒng)凈光合速率計算式為:（2）式中, V 為容積(L) ,t 為間隔時間( s) , Co閉為終止時閉路系統(tǒng)CO2 濃度(mg/ kg) , Ci閉為初始時閉路系統(tǒng)CO2 濃度(mg/ kg) 。根據(jù)泰勒公式和光合計算式可得開路系統(tǒng)凈光合速率的絕對誤差為:（3）閉路系統(tǒng)凈光合速率的絕對誤差為:式(3) 和式(4) 中標3 項為各參數(shù)測量值,未標3 項為各參數(shù)實際值。目前使

4、用的光合作用測定系統(tǒng)主要有LCA24 、CI2301PS、CI2310 和L I26400 。本試驗采用的傳感器絕對誤差CO2 分析器為±1mg/ kg ,流量計為±0103L/ min ,光合面積測量誤差為±0101cm2 (葉室完全被葉片覆蓋) ,容積測量誤差為±01001cm3 (規(guī)則部分) ,溫度測量誤差為±015 ,氣壓測量誤差為±100Pa 。2 結(jié)果與分析2. 1 開路系統(tǒng)儀器的誤差儀器綜合誤差。表1 和表2 為F = 015L/ min , A = 615cm2 , Ta = 25 , P = 1011325kPa 時

5、不同光合強度下各誤差源產(chǎn)生的誤差及其對綜合誤差的貢獻,表1 和表2 表明低光合強度時儀器誤差為20 %左右, 主要誤差源為CO2 分析器誤差, 誤差貢獻約為70 %;中等光合強度下儀器誤差為10 % 左右,主要誤差源為流量計誤差,誤差貢獻約為65 %;高光合強度下儀器誤差為8 %左右,主要誤差源仍為流量計誤差,誤差貢獻約為75 %; 而溫度和氣壓造成的儀器誤差較小。紅外CO2 分析器精度導致的儀器誤差。CO2 分別器誤差因產(chǎn)品質(zhì)量和使用保養(yǎng)條件等不同而差異較大。表3 表明CO2 分析器導致的儀器誤差隨誤差增大而迅速增大,隨光合作用增加而迅速減小。目前技術(shù)水平下提高CO2 分析器的精度較困難,最

6、好在高光合強度時使用以減小誤差。流量計誤差和流量、光合面積測量導致的儀器誤差。實際觀測中根據(jù)葉片光合強弱選擇的流量范圍為0.20.8L/ min。由圖1 可知,儀器誤差隨流量計測量誤差增大和測量流量的減小而迅速增加(尤其在光合較弱時) 。目前技術(shù)水平下電子流量計測量誤差平均為±0.03L/ min ,流量由0.8L/ min減至0.2L/ min時儀器誤差由318 %增至15 % ,其測量在允許范圍內(nèi)應選擇較大流量。測量光合面積方法不同產(chǎn)生的誤差亦不同,由圖2 可知儀器誤差隨光合面積測量誤差的增大而增大。當光合面積測量誤差一定時光合面積越大對光合測定造成的影響越小。2. 2 閉路系統(tǒng)

7、儀器的誤差表4 為V = 0. 25L , A =34.32cm2 , Ta = 25 , P =101.325kPa ,t = 10s 時不同光合強度下儀器綜合誤差和各誤差源的貢獻,表4表明閉路CO2 分析器、溫度和氣壓的測量誤差與開路時相同,由光合面積測量和容積測量產(chǎn)生的誤差均較小可忽略不計。儀器誤差低光合強度下約為15 % ,中等光合強度下約為415 % ,高光合強度下約為215 % ,誤差源均以CO2 測量誤差為主,其誤差貢獻達90 %左右。圖3 表明儀器誤差隨容積測量誤差的增大而增大,當容積測量誤差一定時儀器誤差隨容積的增大而減小,但容積過大則所需測量時間越長。3 小結(jié)與討論開路系統(tǒng)測量低光合強度下儀器誤差為20 %左右,主要誤差源為CO2 分析器誤差,誤差貢獻約為70 %;中等光合強度下儀器誤差為10 %左右,誤差源為流量計誤差,誤差貢獻約為65 %;高光合強度下儀器誤差為8 %左右,誤差源為流量計誤差,誤差貢獻約為75 %。閉路系統(tǒng)測量低光合強度下儀器誤差約為15 % ,中等光合強度下約為415 % ,高光合強度下約為215 %。誤差源均以CO2 測量誤差為主,誤差貢獻約為90 %。開路系統(tǒng)較適合高光合強度下作用,此時儀器誤差較小,較真實反映了光合作用,但對流量和