本發(fā)明涉及植被生長空間光合有效輻射通量密度測量領(lǐng)域，特別是涉及一種植被生長空間光合有效輻射通量密度測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、光合有效輻射，英文全稱為photosynthetically?active?radiation，簡寫為par，指代波長范圍在400nm到700nm之間的光；par是植物光合作用的根本動力，直接影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量?？梢匝芯坎煌r(nóng)作物對par的需求和利用效率來調(diào)整植被的種植密度、種植模式和光照管理策略，以優(yōu)化光合作用，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。例如，通過調(diào)節(jié)棚室或溫室的遮光網(wǎng)和燈光系統(tǒng)，可以控制作物接收到的par總量與空間配比，以滿足其最佳生長需求。不同植物對par的利用效率存在差異，這與它們的生長習(xí)性、形態(tài)結(jié)構(gòu)和遺傳特性有關(guān)。通過研究這些差異，可系統(tǒng)揭示植物的光環(huán)境適應(yīng)機制，為植物育種和遺傳改良提供理論依據(jù)。par分布還會影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。例如：可穿透冠層的par會影響到林冠下層植被和附生生物的光合作用能力和生境安全。對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的時序par分布進行監(jiān)測有助于進行林木疏伐和下層植被管理，以制定更有效的措施保護生態(tài)系統(tǒng)的健康和多樣性。隨著全球氣候變暖，地表接收的par輻射分布可能會發(fā)生變化，這會直接影響植物的光合作用和生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)速率。par的傳輸方式包括直射、散射和透射輻射，傳輸方式的不同導(dǎo)致了光到達植物表面的路徑差異，影響了植物的光合作用效率和生長模式。根據(jù)能量守恒定律，植物接收par等于反射、吸收和透射par的總和。直射是par傳輸?shù)闹饕Ｊ剑瑥姸雀咔曳较蛐詮?，但會被頂層枝葉遮擋，無法完全抵達植物中下部生長空間。直射輻射過程收到測量點所在緯度、季節(jié)和測量時刻三個因素共同作用影響。散射輻射來源于日光被云層、水滴或其他顆粒物質(zhì)散射，方向多變，強度相對較弱，但能均勻地抵達植物表面，包括下層空間。散射輻射可以采用局部遮光方式進行測量，遮光方位取決于太陽的運動軌跡。在多云或霧天氣條件下，散射輻射可能成為植物接收par的主要方式。透射輻射是指par通過可透光介質(zhì)后仍然部分延光路方向傳遞，以透射光的形式到達下層植物器官表面。透射取決于葉片的透光性和分布密度。植物生長空間內(nèi)的par通量密度稱為ppfd，其單位為微摩爾每平方米每秒；其測量儀器包括光量子傳感器、光譜輻射儀或植物冠層分析儀。光量子傳感器是測量par最常用的工具，通過將光量子傳感器放置在植物葉片上方或旁邊，以測量特定位置的ppfd，該設(shè)備在自然或溫室生長環(huán)境中均可使用。在測量過程中儀器通過一個硅光電二極管和一個光學(xué)濾鏡來測量，匹配指示函數(shù)反演測量點位的ppfd。在均勻朗伯面下，par輻射強度與入射光和表面夾角的余弦成正比。在測量過程中，設(shè)置一定時間步長來記錄ppfd，并構(gòu)建變化曲線，反映測量點接收par的時序變化。

2、現(xiàn)有設(shè)備在測量過程中，可以精準(zhǔn)測量儀器點位可接收的ppfd和直射ppfd，利用能量守恒定律，可以計算點位可接收散射ppfd。但對于植物生長空間可接收的迎光和背陰散射ppfd無法進行區(qū)分測量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種植被生長空間光合有效輻射通量密度測量裝置及方法，利用第一光量子傳感器和第二光量子傳感器實現(xiàn)對直射、迎光和背陰散射光合有效輻射通量密度的精確測量。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種植被生長空間光合有效輻射通量密度測量裝置，包括：第一光量子傳感器、第二光量子傳感器、儀器固定平臺、陶瓷外殼、遮光蓋、第一數(shù)據(jù)處理器、第二數(shù)據(jù)處理器、控制器以及儀器支架；

4、所述第一光量子傳感器和所述第一數(shù)據(jù)處理器均設(shè)置在所述儀器固定平臺的上側(cè)；所述第二光量子傳感器和所述第二數(shù)據(jù)處理器均設(shè)置在所述儀器固定平臺的下側(cè)；所述儀器固定平臺設(shè)置在所述陶瓷外殼內(nèi)部；所述控制器設(shè)置在所述陶瓷外殼的側(cè)面；所述第一數(shù)據(jù)處理器分別與所述第一光量子傳感器和所述控制器連接；所述第二數(shù)據(jù)處理器分別與所述第二光量子傳感器和所述控制器連接；所述儀器支架與所述儀器固定平臺連接；所述遮光蓋設(shè)置在所述陶瓷外殼的中心；

5、所述第一光量子傳感器用于采集直射光線；所述第二光量子傳感器用于采集背陰向入射光線或迎光向入射光線；所述第一數(shù)據(jù)處理器用于根據(jù)所述直射光線計算直射光合有效輻射通量密度以及根據(jù)所述直射光線和所述迎光向入射光線計算迎光向散射光合有效輻射通量密度；所述第二數(shù)據(jù)處理器用于根據(jù)所述背陰向入射光線計算背陰向光合有效輻射通量密度；所述遮光蓋用于限制采集直射光線的方位角；所述控制器能夠通過旋轉(zhuǎn)所述遮光蓋控制迎光面的采光角度。

6、優(yōu)選地，所述控制器內(nèi)嵌：存儲單元、供電單元、角度調(diào)節(jié)單元、數(shù)據(jù)顯示單元、位置單元、時間單元、低電量報警器以及低存儲容量警示燈；

7、所述角度調(diào)節(jié)單元用于根據(jù)太陽直射光線入射方位控制所述遮光蓋進行旋轉(zhuǎn)；所述位置單元用于設(shè)置測量位置的經(jīng)緯度信息；所述時間單元用于設(shè)置測量的開始時間和結(jié)束時間；所述數(shù)據(jù)顯示單元用于顯示時間、太陽方位角、電池電量以及存儲卡剩余容量；所述存儲單元用于存儲所述直射光合有效輻射通量密度、所述迎光向散射光合有效輻射通量密度以及所述背陰向光合有效輻射通量密度；所述低電量報警器用于當(dāng)所述供電單元的電量低于預(yù)設(shè)正常電量閾值時進行低電量報警；所述低存儲容量警示燈用于當(dāng)所述存儲單元的存儲空間低于預(yù)設(shè)的最低存儲閾值時進行低存儲容量報警。

8、優(yōu)選地，所述第一光量子傳感器包括：依次連接的濾波片、硅光二極管以及基座；

9、所述濾波片用于提取光合有效輻射范圍內(nèi)光線輻射通量密度和限制透過所述遮光蓋透光縫隙的光線的波長范圍；所述硅光二極管用于將目標(biāo)波長范圍內(nèi)的光線強度轉(zhuǎn)化為電壓信號；所述基座用于固定所述硅光二極管和所述濾波片。

10、優(yōu)選地，所述遮光蓋和所述陶瓷外殼上的旋轉(zhuǎn)圓形透光口的直徑一致。

11、優(yōu)選地，所述遮光蓋的透光方位角為1度。

12、優(yōu)選地，所述儀器固定平臺的形狀包括：折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)。

13、優(yōu)選地，所述存儲單元的存儲頻率為30s一次。

14、優(yōu)選地，一種植被生長空間光合有效輻射通量密度測量方法，包括：

15、當(dāng)天氣為無云晴天時，將所述遮光蓋的透光縫隙對準(zhǔn)正北方向，并在所述控制器上輸入觀測日期、觀測時間以及觀測經(jīng)緯度；

16、根據(jù)所述觀測日期、所述觀測時間以及所述觀測經(jīng)緯度計算太陽方位角，并根據(jù)所述太陽方位角計算旋轉(zhuǎn)角速率；

17、利用所述旋轉(zhuǎn)角速率控制所述遮光蓋進行旋轉(zhuǎn)，并利用所述第一光量子傳感器和所述第一數(shù)據(jù)處理器獲取所述直射光合有效輻射通量密度；

18、將所述第二光量子傳感器翻轉(zhuǎn)至迎光側(cè)，并利用所述第二光量子傳感器獲取迎光向接收光合有效輻射通量密度；

19、將所述迎光向接收光合有效輻射通量密度和所述直射光合有效輻射通量密度作差，得到所述迎光向散射光合有效輻射通量密度；

20、將所述第二光量子傳感器翻轉(zhuǎn)至背陰側(cè)，并利用所述第二光量子傳感器獲取背陰向散射光合有效輻射通量密度；

21、計算所述迎光向散射光合有效輻射通量密度和所述背陰向散射光合有效輻射通量密度之和，得到目標(biāo)測量點位的總體散射光合有效輻射通量密度。

22、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

23、本發(fā)明提供了一種植被生長空間光合有效輻射通量密度測量裝置及方法，通過第一光量子傳感器和第二光量子傳感器，解決了植被生長空間光合有效輻射通量密度測量困難問題，實現(xiàn)了對直射光合有效輻射通量密度、迎光向散射光合有效輻射通量密度以及背陰向光合有效輻射通量密度的準(zhǔn)確測量。