農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素測試技術(shù)

農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素測試方法

AgrobiologicalEnvironmentalFactorsMeasurementMethods沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院羅新末考試80%+實驗20%緒論（2學時）一、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素的定義二、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素測試的內(nèi)容三、設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中常用的環(huán)境因素測試方法一、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素的定義指與植物或動物生長、發(fā)育、繁殖直接相關(guān)的溫度、光照、濕度、水分、土壤、氣體、風等外界因素。光照：光質(zhì)、光量、光周期氣體：CO2、乙烯、O2、NH3、粉塵等二、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素測試的內(nèi)容設(shè)施外的大氣環(huán)境和設(shè)施內(nèi)的生物環(huán)境測試內(nèi)容：１、輻射方面：凈輻射、全光譜輻射（100-4000nm）PAR（PhotosynthesisActiveRadiation）光合有效輻射（400-700nm）PAR及遠紅光（400-850nm）以上3類不同波長的輻射又可細分為直射與漫射兩類來測試，除測試輻射能量外，也可測試光量子數(shù)。２、溫度方面：T空氣，T葉片，T地面，T土壤

T冠層（Canopy）T覆蓋材料（Glazing）T營養(yǎng)液T根系介質(zhì)（RootMedia）土壤、巖棉、營養(yǎng)液3、濕度方面空氣相對濕度relativehumidity作物葉冠層空氣相對濕度４、營養(yǎng)液方面：

酸堿值（pH）、電導度（EC）、溶氧量（DO）氮、磷、鉀、鈣等營養(yǎng)元素含量水流量５、其它方面：

CO2濃度concentration大氣壓力atmosphericpressure風向／風速winddirection/speed將上述可測試的環(huán)境參數(shù)定義為一級參數(shù)，測試這些參數(shù)有助于導出二級參數(shù)。常見的二級參數(shù)：水汽壓e（vaporpressure）飽和差d（vaporpressuredeficit）濕球溫度Tw(wetbulbtemperature)，露點溫度Td(dewpointtemperature)絕對濕度a（absolutehumidity），濕度比q(humidityratio)干濕球溫差，葉片內(nèi)外溫差蒸發(fā)速率evaporationrate，顯熱通量sensibleheatflux，系統(tǒng)熱焓值，系統(tǒng)凈能量通量二氧化碳通量作物周遭氣流大小三、設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中常用的環(huán)境因素測試方法1、溫度水銀或酒精溫度計應用廣泛，即測即讀雙金屬片溫度計監(jiān)測1天或1周溫度的連續(xù)變化熱電偶（Thermocouple）溫度計熱敏電阻(Thermister)溫度計輻射式溫度計不接觸被測物測定圍護結(jié)構(gòu)表面、可進行多點同時測量2、濕度干濕球溫度計通用通風干濕球溫度計精度較高自記毛發(fā)濕度計監(jiān)測1天或1周濕度的連續(xù)變化電阻式濕度計遠距離測試、自動記錄和自動控制3、氣流測試葉輪風速計轉(zhuǎn)杯風速計熱電風速計測微風卡他溫度計測微風<1.0m/s

超聲風速計風力較大的氣流速度由于不能隨時保持棉絮于全濕狀態(tài)，誤差很大。使用固態(tài)（SolidState）電子式濕度傳感器直接量測相對濕度，由測量感測組件上電容或電感值求出相對濕度值，其誤差在±3%以內(nèi)。4、光照測試PAR--PhotosyntheticActiveRadiationPPFD--光合作用光子通量密度(PhotosynthesisPhotonFluxDensity)μmol·m-2·s-1

μＥ·m-2·s-1光量子傳感器測PAR(QuantumSensor)輻射傳感器(Pyranometer)W/㎡測光強照度傳感器測照度(PhotometricSensor)

400-700nmμmol·m-2·s-1

μＥ·m-2·s-1

380-780nmLux(=lumen/㎡)燭光(fc=lumen/ft2)400-1100320-4200280-2800nm三種傳感器的誤差范圍在±5%

Luxμmol·m-2·s-1

400-700

W/㎡400-850

僅適用于大氣層外的太陽光÷54÷36若光源不是太陽光，則轉(zhuǎn)換值不適用，人工光源有各自不同的轉(zhuǎn)換常數(shù)。太陽光全光譜能量１可見光(380-780nm)47.29%PAR(400-700)38.15%400-1100nm65.22%

大氣層外5、氣體測試熱導式氣體分析儀紅外線氣體分析儀等。紅外線輻射吸收儀，精確度可達±1ppm要素的水平方向和垂直方向的分布測點選取的原則：離開門窗1-1.5m,第一章測量誤差與測量數(shù)據(jù)的處理（2學時）一、測量誤差的基本概念：誤差的定義；誤差分類；誤差精度。二.測量誤差的分析和處理：系統(tǒng)誤差的分析和處理；隨機誤差的分析和處理。一、測量誤差的基本概念1誤差的定義：測量結(jié)量和被測量真值之差。

1）真值（客觀值）：一定條件下某量值的實際值。是一個理想的概念，一般是不知道的。2）絕對誤差：測量值與真值之差。在實際工作中，經(jīng)常使用訂正值或修正值，即將測得值加上修正值后可得近似的真實值。Δx–測量誤差x–測量結(jié)果x0–真值理論真值：理論上存在、計算推導出來約定真值：國際上公認的最高基準值相對真值：利用高一等級精度的儀器或裝置的測量結(jié)果作為近似真值3）相對誤差：絕對誤差與真值之比值（%）例：用水銀溫度計測得某一溫度為20.3℃，該溫度用更高一級精度的溫度計測得為20.2℃，因后者精度高，故可認為20.2接近真實溫度，而水銀溫度計測量的絕對誤差為0.1℃，其相對誤差為0.1/20.2≈0.5%。注意：對于相同的被測量，可以用絕對誤差評定測量精度的高低，但對于不同的被測量，用絕對誤差就難以評定測量精度，因而需采用相對誤差評定較為確切。L=100m方法1，δ1=±10μm方法2，δ2=±8μmL=80m方法2，δ3=±7μm可知，方法一精度低，方法2精度高，方法3居中4）誤差來源(1)原理誤差：測量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：如：非線性比較小時可以近似為線性假設(shè)：理論上成立、實際中不成立如：誤差因素互不相關(guān)(2)裝置誤差：測量儀器、設(shè)備、裝置導致的測量誤差機械：零件材料性能變化、配合間隙變化、傳動比變化電路：電源波動、元件老化、漂移、電氣噪聲(3)環(huán)境誤差：測量環(huán)境、條件與要求的標準不一致引起的測量誤差空氣溫度、濕度，大氣壓力，振動，照明，電磁場干擾，氣流擾動，(4)使用誤差：理論分析與實際情況差異方法：測量方法存在錯誤或不足如：采樣頻率低、測量基準錯誤讀數(shù)誤差、違規(guī)操作精密度：(precision)表述：概念：重復測量時，測量結(jié)果的一致程度準確度：表述：精確度：(正確度)測量結(jié)果與真值的接近程度，系統(tǒng)誤差的影響程度性質(zhì)：隨機誤差的標準差(standarddeviation)性質(zhì)：系統(tǒng)誤差和隨機誤差綜合影響程度平均值與真值的偏差(deviation)表述：不確定度(uncertainty)2.測量精度1）精度的定義：測量結(jié)果與真值吻合程度定性概念2）精度的類型：測量精度舉例不精密（隨機誤差大）準確（系統(tǒng)誤差小）精密（隨機誤差?。┎粶蚀_（系統(tǒng)誤差大）不精密（隨機誤差大）不準確（系統(tǒng)誤差大）精密（隨機誤差?。蚀_（系統(tǒng)誤差?。┒y量誤差的性質(zhì)與分類和處理1）隨機誤差(randomerror)正態(tài)分布性質(zhì)：原因：裝置誤差、環(huán)境誤差、使用誤差處理：統(tǒng)計分析、計算處理→減小對稱性有界性抵償性單峰性絕對值相等的正負誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多偶然誤差絕對值不會超過一定程度當測量次數(shù)足夠多時，偶然誤差算術(shù)平均值趨于0標準差S可表征測得值的分散性，S大（小）表示測得值分散（密集），隨機誤差分布范圍寬（窄），測量的精密度低（高）；2）系統(tǒng)誤差(systemerror)

：性質(zhì)：有規(guī)律，可再現(xiàn)，可以預測原因：原理誤差、方法誤差、環(huán)境誤差、使用誤差處理：理論分析、實驗驗證→修正3）粗大誤差(abnormalerror)

：性質(zhì)：偶然出現(xiàn)，誤差很大，異常數(shù)據(jù)，與有用數(shù)據(jù)混在一起原因：裝置誤差、使用誤差處理：判斷、剔除例如：電流表使用前未調(diào)零位，在電表無電流流過時，示值已經(jīng)是0.03mA,測量將產(chǎn)生+0.03mA的系統(tǒng)誤差異常數(shù)據(jù)剔除準則：說明：(1)測量誤差為隨機變量，且符合正態(tài)分布(2)真值必然處于一個有限的范圍測量數(shù)據(jù)與算術(shù)平均值的偏差大于標準差的3倍原理：當測量結(jié)果超出正常范圍時，給與剔除(3)此法只適合于測量數(shù)據(jù)大于10個的情況概率95.4%概率99.73%，即±3σ以外的概率為0.27%目錄一光二溫度三濕度四空氣成分五風六水七土壤含水率八復合環(huán)境因子當環(huán)境因子改變時，生物體會隨之變化并適時的表現(xiàn)出不同的反應。所謂適時則視生物種類或同種但不同的生態(tài)型之間、改變的環(huán)境因子種類、改變的強弱程度與持續(xù)時間等不同而有著不同的反應。感測系統(tǒng)包括傳感器、訊號處理和訊號收集三個部分，傳感器是一種將外來物理(熱、光、聲等)、化學刺激(味道等)轉(zhuǎn)換為電子訊號的裝置。訊號收集的設(shè)備則包括電錶、示波器、計數(shù)器、紀錄器與電腦等。一般感測儀器至少具備前兩項功能，有些尚提供輸出、紀錄甚至通訊功能。傳感器性能的衡量，一般包括以下因素：1.測量范圍：傳感器量測范圍應包括所需測定范圍，但不應超過太多，以免降低精確度。2.靈敏度：感測器輸出變化對輸入變化的比。3.誤差：誤差係由精確度、非線性反應、遲滯與漂移等因素累積而成，廠商的產(chǎn)品出廠規(guī)格單應明列不準度。4.反應速率：此係感測器的「慣性」，譬如，水銀溫度計要數(shù)十秒才能反應溫度變化，所以不適合溫度快速變化時的量測。5.輸出訊號：電阻、電流、電壓、脈波值等。影響植物反應的環(huán)境因子有：光(光質(zhì)、光量)、溫度、濕度、空氣成份(CO2、乙烯等)、風速、水份、土壤等。影響動物反應的環(huán)境因子有：輻射、光、溫度、濕度、空氣成份(O2，CO2，NH3，粉塵等)、風速、水質(zhì)等。以下簡介各環(huán)境因子的影響，測量方式及相關(guān)儀器。一.光光為植物生長中重要的環(huán)境因子之一，主要來自于太陽的輻射。太陽的輻射自極長之無線電波(radiowave)、遠、中、近紅外線、可見光、紫外光..A、B、C、X射線至極短之宇宙線(cosmicray)，為一種連續(xù)光譜(圖1)，其性質(zhì)與電波相同，一般稱為電磁波。在太陽輻射電磁波中只有三種輻射對植物生長發(fā)育最為重要。除了可見光(visiblelight,380～780nm)外，尚有紫外線(ultraviolet,UV,100～380nm)和紅外光(infra-red,IR,780～105nm)。波長在300-400nm的紫外光與700-800nm的近紅外線（遠紅光）會影響作物的生化反應及其外觀。在400-700nm的光線與光合作用有很密切的關(guān)係，此光帶的光稱為光合作用有效光（PhotosyntheticallyActiveRadiation,簡稱PAR）。吾人有興趣的是PAR范圍內(nèi)光子的數(shù)量而非PAR范圍內(nèi)光之照度；是以較佳之測量應是量測光合作用光子通量（簡稱PPF），此為單位時間內(nèi)落到單位面積的平面上波長范圍在400-700nm的光子的數(shù)量，其常用單位為μmol/(s㎡)或μＥ/(s㎡)；使用的感測器為光量子感測器(QuantumSensor)。光量的多寡除了以光量子數(shù)(μmol/m2/s)表示之外，尚有照度(lux)與光能..(W/m2)。感測器亦分為此三大類。照度感測器(PhotometricSensor)用來量可見光(380-780nm)，使用單位為Lux(=lumen/㎡),或燭光(fc=lumen/ft2)。照度感測器一般并不在溫室中使用，因為係依據(jù)人眼對光線的比視感度曲線而設(shè)計出來(圖2a，波峰為555nm)，植物體對光線的敏感度則有另一曲線(圖2b，波峰為675nm)，兩者不同。圖人類眼睛之比視感度曲線圖.植物體對光線之敏感度曲線輻射感測器(Pyranometer，或稱日射計，Solarmeter)，可用以量測來自太陽與其它所有來自天空之輻射，其量測之波長范圍較廣，視廠牌不同，常見的有400-1100nm，320-4200nm及280-2800nm，其量測的為此波長范圍內(nèi)的能量，單位為W/㎡。日射計之主要感測元件為熱電堆(Thermopile)或光電池（PhotoCell）。熱電堆由特殊之熱偶線堆積製成，藉溫差產(chǎn)生電壓差；準確度高，但非常昂貴；Eppley公司之..Pyranometer為熱電堆應用之代表，其量測之波長范圍為280-2800nm。光電池係藉光電效應引起之電流產(chǎn)生電場，以電流輸出；光電池之反應光譜為400-1100nm，LI-COR公司之Pyranometer為光電池應用之代表。以上三種感測器的誤差范圍一般在±5%。光強度部分可量測直射、散射(加光追蹤擋光器)、全輻射、淨輻射(含上下兩側(cè))的光量。常見光感測儀器如圖..3所示：常見光感測儀器如圖..3所示Testo545Testo545QuantumSensor(mmols-1m-2).MeasurePhotosyntheticallyActiveRadiationPhotosyntheticPhotonFluxDensity(PPFD),

PhotosyntheticPhotonFluxDensity(PPFD),Typicalspec