便携式光合作用测定系统仪器误差探析

1、便携式光合作用测定系统仪器误差探析摘要：使用各种便携式光合仪测定植物单叶平均光合速率的总误差是由仪器误差、观测误差和叶片本身产生的某些光合反应综合而成。简析了因CO2 、流量、温度、气压等参数测量所用传感器的精度引起的仪器误差,且该误差因测量方式(开路或闭路) 及叶片光合速率水平而异,光合强度越强其误差越小,误差变幅为8 %20 %(开路) 或215 %15 %(闭路) 。并分析了各测量参数误差对光合速率综合误差的贡献,指出仪器误差主要是由CO2 分析器和流量计误差所致。早在20 世纪30 年代已普遍应用CO2 气流法测定植物光合作用,桂宝华,Bloom A. 等于80年代初曾对老式光合仪器的

2、设计、材料进行改进研究。L I-COR 公司和ADC 公司研制的便携式光合作用测定系统问世后Coombs J . 和Hall D. D. 等对仪器设计原理及其不足进行了研究分析。90 年代初伴随新技术的应用带来一系列新问题如分析器转为便携式后其精度及稳定性的变化、电子流量计的应用等。本研究系统量化分析了当前技术水平下便携式光合作用测定系统的仪器误差,为合理使用该仪器提供参考依据。1 研究方法便携式光合作用测定系统(含开路和闭路) 依据流经叶片表面空气中CO2 的变化计算,其开放系统净光合速率计算式为:（1）式中, Pn 为净光合速率(mol/ m2·s) , F 为体积流速(L/ m

3、in) , Ta 为空气温度( K) , P 为大气压力( Pa) , A 为光合面积(cm2 ) , Co开为开放系统叶室出气口CO2 浓度(mg/ kg) , Ci开为开放系统叶室进气口CO2 浓度(mg/ kg) 。闭路系统净光合速率计算式为:（2）式中, V 为容积(L) ,t 为间隔时间( s) , Co闭为终止时闭路系统CO2 浓度(mg/ kg) , Ci闭为初始时闭路系统CO2 浓度(mg/ kg) 。根据泰勒公式和光合计算式可得开路系统净光合速率的绝对误差为:（3）闭路系统净光合速率的绝对误差为:式(3) 和式(4) 中标3 项为各参数测量值,未标3 项为各参数实际值。目前使

4、用的光合作用测定系统主要有LCA24 、CI2301PS、CI2310 和L I26400 。本试验采用的传感器绝对误差CO2 分析器为±1mg/ kg ,流量计为±0103L/ min ,光合面积测量误差为±0101cm2 (叶室完全被叶片覆盖) ,容积测量误差为±01001cm3 (规则部分) ,温度测量误差为±015 ,气压测量误差为±100Pa 。2 结果与分析2. 1 开路系统仪器的误差仪器综合误差。表1 和表2 为F = 015L/ min , A = 615cm2 , Ta = 25 , P = 1011325kPa 时

5、不同光合强度下各误差源产生的误差及其对综合误差的贡献,表1 和表2 表明低光合强度时仪器误差为20 %左右, 主要误差源为CO2 分析器误差, 误差贡献约为70 %;中等光合强度下仪器误差为10 % 左右,主要误差源为流量计误差,误差贡献约为65 %;高光合强度下仪器误差为8 %左右,主要误差源仍为流量计误差,误差贡献约为75 %; 而温度和气压造成的仪器误差较小。红外CO2 分析器精度导致的仪器误差。CO2 分别器误差因产品质量和使用保养条件等不同而差异较大。表3 表明CO2 分析器导致的仪器误差随误差增大而迅速增大,随光合作用增加而迅速减小。目前技术水平下提高CO2 分析器的精度较困难,最

6、好在高光合强度时使用以减小误差。流量计误差和流量、光合面积测量导致的仪器误差。实际观测中根据叶片光合强弱选择的流量范围为0.20.8L/ min。由图1 可知,仪器误差随流量计测量误差增大和测量流量的减小而迅速增加(尤其在光合较弱时) 。目前技术水平下电子流量计测量误差平均为±0.03L/ min ,流量由0.8L/ min减至0.2L/ min时仪器误差由318 %增至15 % ,其测量在允许范围内应选择较大流量。测量光合面积方法不同产生的误差亦不同,由图2 可知仪器误差随光合面积测量误差的增大而增大。当光合面积测量误差一定时光合面积越大对光合测定造成的影响越小。2. 2 闭路系统

7、仪器的误差表4 为V = 0. 25L , A =34.32cm2 , Ta = 25 , P =101.325kPa ,t = 10s 时不同光合强度下仪器综合误差和各误差源的贡献,表4表明闭路CO2 分析器、温度和气压的测量误差与开路时相同,由光合面积测量和容积测量产生的误差均较小可忽略不计。仪器误差低光合强度下约为15 % ,中等光合强度下约为415 % ,高光合强度下约为215 % ,误差源均以CO2 测量误差为主,其误差贡献达90 %左右。图3 表明仪器误差随容积测量误差的增大而增大,当容积测量误差一定时仪器误差随容积的增大而减小,但容积过大则所需测量时间越长。3 小结与讨论开路系统测量低光合强度下仪器误差为20 %左右,主要误差源为CO2 分析器误差,误差贡献约为70 %;中等光合强度下仪器误差为10 %左右,误差源为流量计误差,误差贡献约为65 %;高光合强度下仪器误差为8 %左右,误差源为流量计误差,误差贡献约为75 %。闭路系统测量低光合强度下仪器误差约为15 % ,中等光合强度下约为415 % ,高光合强度下约为215 %。误差源均以CO2 测量误差为主,误差贡献约为90 %。开路系统较适合高光合强度下作用,此时仪器误差较小,较真实反映了光合作用,但对流量和