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研究者與審稿者環境控制研究指引

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

Title: Controlled environment research guidelines for researchers and reviewers, Crop Science Society-2002

研究所使用的環控系統(controlled environment systems, CES)包括生長箱與溫室,由於可提供植物生長特定的環控,因此是加速科學進步的有用工具。如果無法正確的管理與維持,反而無法解釋在環控系統進行的研究結果,也無法重現研究結果。研究人員必須了解環控系統的能力與限制。

以下之研究內容用以提供研究人員與Crop Science 期刊審稿者對於環控系統產生的數據進行評估。對於論文評審者而言,以下內容是指引(Guide),並非規則(rules)。在應用這些指引,也要考慮試驗研究的目的與使用這些指引之結果。

. 實驗設計的問題

盆器的大小將限制根系的發展與其功能。盆器內的土壤要與植物野外生長的土壤相同。如果使用太小的盆器,試驗有校範圍只能限制於種苗或未成熟之植物,在其根系未受限制之前其研究結論進行之研究數據。由於植株大小與型態不同,盆栽生長的植物往往與田間生長而有不同。研究人員不可以以外插解釋方式比較田間與盆栽植物。

有些研究誤將重現性( repetition)與重覆性(replication)視為相同意義。重現性( repetition)代表不同位置或不同時期重現相同試驗。重覆性代表重覆的試驗單位。

與田間試驗比較,許多研究人員誤認使用生長箱或溫室可以比田間試驗有更好的重現性或重複性試驗。他們經常忽略了在溫室或是生長箱環境系統經常存在未知或不想要出現的變異來源。採用適當的試驗設計,以對付不想要的變異,因而所有的處理都有相同的影響。另一方面而言,只要設定的環境因子與原來預定的條件有顯著不同,數據可能就出現偏差。

在理想上,一個單一環控系統只能做為單一重覆。重複性就只能使用多個環控系統,或是在一個環控系統之內有重複的樣本。但是這種重複性十分昂貴而且浪費時間。而且在一個環控系統之下如果環境因此的控制或是監控不良,可能導致極大的假設錯誤與不正確的結果數據。

環境條件如果對於實驗結果的解釋是一個關鍵,環境因子的重複性是一個基本要求。在環控系統試驗需要均勻的環境條件。

於試驗中環境因子的監控與報導,對研究十分重要。在許多官方機構或是民間組織,在申請經費之前需要準備正式的品管(quality assurance, QA)計劃。這品管計劃包括實驗步驟,用以觀察用之儀器其性能,校正時間與方法,樣本的原理與數據分析。有些機構已發展QA計劃以報導其研究。如果未有QA計劃,就必須參考其他已有之文件。

. 監測與控制環控系統

研究者往往假設其環控系統感測器與控制器之顯示數據為正確,但是不正確的校正、安裝與其他因子都可導致環控系統顯示之環境數據與實際之情況有顯著的差異。因此環控系統之研究其環境監測系統與控制系統其兩者的微氣候量測儀器要完全獨立。

1. 溫度

在環控系統內部,空氣溫度與植物溫度可能存在極大的差異,原因來自高輻射熱量。舊式ON/OFF控制系統可能導致5℃之差異。由於空氣流動與其他因子,多數的環控系統存在垂直梯度。

在試驗時,要使用獨立之溫度計,量測植物葉冠與不同位置之溫度,尤其植物生長區域,量測溫度應該與環控系統顯示溫度比較。在每個明期與暗期要進行量測。在光期變動後1小時之後至少要進行一次量測。數據報告要包括平均值與標準偏差。

2. 光量

所有電力能源之光源隨時間而光量遞減。以高功率1500mA螢光燈為例,使用6000小時之後,光量只剩下70%。每天使用16小時,大約一年即到達此時程。4000小時之使用光量只剩下80%,在生長箱內,光量的水平分佈因為不同位置與不同高度而不同。在所有生長箱,都有垂直光量梯度的問題。梯度影響因子包括生長箱之尺寸,光源型式,分佈性質與反射罩形狀等。

人工光源其光譜與自然陽光並不相同。與大自然不同的紅/近紅光比例可能影響一些植物的型態。研究人員在解釋植物型態之改變應考慮此因子。

2a. 生長箱

在試驗開始或結束,都要量測光量。如果試驗期間超過一個月,每月要量測一次。在光期變動一小時後開始量測,位置在葉冠上方不同位置。紀錄數據為平均值,標準偏差,儀器規格需要教學。量測光量為光合作用能量,400700nm之範圍,單位為photosynthetic photon flux density (PPFD)

2b. 溫室

在試驗過程中,光量需要周期性的量測,由於遮蔭等變化,理想上,光量必須每日連續地量測。如果使用人工光源,參考上述2a生長箱內光源需求 。

3. 相對濕度

相對濕度在生長箱內部直接與間接的影響植物。濕度對植物的直接影響為蒸散作用;間接影響為改變植物能量平衡,因此影響了物理與生物性環境。一個13分鐘的加溫式冷卻循環,相對濕度變化為1020%。相對濕度對於植物水份關係,植物蒸散與葉片病害都是如此重要。

由於相對濕度如此重要,因此建議連續性的量測。在每日明期/暗期轉換,試驗之開始與結束,都需要量測。量測位置為葉冠上方與生產區中間,報導數據包括平均值,標準偏差。描述使用之感測器。

4. 二氧化碳濃度

生長箱中二氧化碳是很少控制之因子。太小或太多的二氧化碳很難確定其影響,因為植物顯示其特殊病微需要一段時期。二氧化碳小的變化也可能顯著影響一些植物的生長與發展,作業人員走進生長箱或溫室,可能增加二氧化碳濃度。一些車輛,加溫設備或是二氧化碳產生器等都可能影響。通風良好的生長箱可維持二氧化碳濃度,但是生長箱周圍通風也需要維持良好。

試驗內容不包括二氧化碳此因子,生長箱之通風率與位置要加以記錄。試驗內容如果包括二氧化碳此變數,在植 物葉冠上方需要進行連續性的量測,至少每小時需要量測一次。

.  環控系統研究之檢查清單

檢查內容

 

YES

 

NO

 

Unsure

一、試驗內容

 

 

 

 

 

 

1.      使用適當的試驗設計

 

 

 

 

 

 

2.      盆器尺寸或植株大小影響試驗結果

 

 

 

 

 

 

3.      研究者具有正式品管計劃

 

 

 

 

 

 

二、溫度

 

 

 

 

 

 

4.      溫度管理有詳細描述

 

 

 

 

 

 

5.      溫度計為獨立儀器

 

 

 

 

 

 

6.      水平與垂直溫度均有量測

 

 

 

 

 

 

7.      感測器已加以描述

 

 

 

 

 

 

8.      有日溫變化或長期溫度變化

 

 

 

 

 

 

三、光源

 

 

 

 

 

 

9.      光量有否監測

 

 

 

 

 

 

10.  光量是否足夠

 

 

 

 

 

 

11.  是否有光型態之影響

 

 

 

 

 

 

12.  光期與暗期描述

 

 

 

 

 

 

13.  光源詳細描述

 

 

 

 

 

 

14.  光感測器之描述

 

 

 

 

 

 

15.  光量測是否適合

 

 

 

 

 

 

16.  光期變化或長期光量變化是否特殊

 

 

 

 

 

 

四、相對濕度/蒸氣壓差

 

 

 

 

 

 

17.  濕度或蒸氣壓差是否控制

 

 

 

 

 

 

18.  控制用感測器之描述

 

 

 

 

 

 

19.  濕度/VPD影響結果

 

 

 

 

 

 

20.  濕度量測是使用獨立感測器

 

 

 

 

 

 

21.  量測用感測器詳細描述

 

 

 

 

 

 

22.  濕度在明期變化或長期試驗終有特殊變化

 

 

 

 

 

 

五、二氧化碳

 

 

 

 

 

 

23.  生長箱的通風足以防止CO2不足或過量

 

 

 

 

 

 

24.  CO2有進行控制

 

 

 

 

 

 

25.  控制用CO2感測器描述

 

 

 

 

 

 

26.  CO2有感測器如何校正

 

 

 

 

 

 

27.  CO2監測為獨立感測器

 

 

 

 

 

 

28.  CO2監測感測器之描述

 

 

 

 

 

 

29.  CO2在明期或長期試驗中有特殊變化

 

 

 

 

 

 

  

表一 溫室試驗使用之感測器與校正

A J Both1, L Benjamin, J Franklin, G Holroyd, L D Incoll, M G Lefsrud and G Pitkin

Guidelines for measuring and reporting environmental parameters for experiments in greenhouses

Plant Methods (2015) 11:43

 

量測因子

 

單位

 

使用感測器

 

精密度

 

準確度

 

校正時間與方法

光合作用能量

μmol m-2s-1

Quantum sensor

±1%

±10%

與參考感測器(reference sensor)比對或是使用有NIST追溯制之標準校正器一年一次

 

輻射量

 

Wm-2

 

Net radiometer

 

±2%

 

±5%

 

一年一次

 

分光輻射量

 

μmol m-2s-1

nm-1

 

Spectroradiometer

 

±1%

 

±5%

 

與參考感測器或具有ASTM追溯標準一年一次

整合式輻射量計

 

MJ m-2d-1mol m-2d-1

 

由量測值累積計算

 

 

 

 

 

 

空氣溫度

 

 

RTD,熱偶線,電熱敏

 

±1

 

±0.2

 

與符合NIST標準之參考溫度計比對一年一次

 

介質溫度

 

 

同上

 

±1

 

±0.2

 

一年一次

 

表面溫度

 

 

近紅外線溫度計、

極細熱偶線

 

 

±1

 

±0.2

 

一年一次

相對濕度

 

%

 

電容、電阻濕度計

 

相對濕度

 ±0.2%

露點溫度

 ±0.1

 

相對濕度

 ±5%

露點溫度

 ±0.5

 

使用飽和鹽或溫度產生爐(Humidity generator) 校正一年一次

 

蒸氣壓差

 

KPa

 

乾濕球溫度計

 

蒸氣壓差

 ±0.3kPa

 

蒸氣壓差

 ±0.3kPa

 

 

 

風速

 

ms-1

 

Anemoometer

(0.115.0 ms-1)

 

±2%

 

±5%

 

風洞校正

pH

 

-

 

pH probe(3-10PH)

 

±0.1pH

 

±0.1pH

 

標準試液,試驗前後,或每周一次

EC

 

sm-1

 

EC meter

 

±3%

 

±5%

 

標準試液,試驗前後,或每周一次

 

DO

 

mgL-1

 

DO meter

 

±3%

 

±5%

 

標準試液,試驗前後,或每周一次

 

CO2

 

μmol mol-1

 

NDIR meter

(近紅外光型)

 

±1%

 

±3%

 

使用氣體混合器

(gas divider)每周一次

 

 

 

表二 溫室試驗量測因子與量測報導方法

 

量測因子

 

單位

 

量測位置

 

量測時間

 

報導內容

.基本量測

 

 

 

 

 

 

 

 

氣溫

 

 

葉片位置,生長區中間

 

連續性,最好一小時一次

 

明期與暗期之平均值、標準偏差、量測點至少3點以上

 

介質溫度

 

 

固體與液體介質的中間點

 

 

同上

 

同上

光合作用能量

 

μmol m-2s-1

 

葉冠上方,生長區中間

 

同上

 

同上,如果使用人工光源,要說明型號、廠商、規格、安裝位置、所需能源等

 

光週期

 

h

 

 

 

每日

 

 

 

相對濕度

 

%

 

葉冠上方,栽培區中間

 

 

連續性,至少一小時一次

 

 

平均值、標準差、量測點數目、與葉冠之距離

 

 

蒸氣壓差

 

kPa

 

 

 

 

pH

 

 

 

根區位置或溶液內

 

連續性,至少一小時一次

 

 

平均值、標準偏差、取樣位置

 

EC

 

s m-1

 

根區位置或溶液內

 

連續性,至少一小時一次

 

 

平均值、標準偏差、取樣位置

 

液態養份

 

m mol L-1

 

-

 

每日或是淋洗之前

 

 

離子濃度、添加之成份

固態養份

 

mol kg-1

 

-

 

添加或淋洗之前

 

離子濃度、添加之成份

給水

 

L

 

灌溉容量

 

試驗前,每次設定改變時

 

次數、數量、給水方式、灌溉設備、平均值與標準偏差

 

植物排序

 

 

 

植床、地面、懸吊型

 

試驗前

 

每單位面積植物數目,每次重新排列時期

 

溫室結構

 

 

 

 

 

試驗前

 

緯度、經度、方位、地面面積、栽培面積、蔭高、屋頂最高、型式形狀、型號、製造廠商、披覆材料、遮蔭網、節能布等

 

量測因子

 

單位

 

量測位置

 

量測時間

 

報導內容

.進階量測

 

 

 

 

 

 

 

 

表面溫度

 

 

植物本體如葉片,

溫室表面

 

連續性,每小時至少1

 

平均值、標準偏差、感測器位置、方位、與量測點距離

淨輻射

 

Wm-2

 

葉冠上方

 

同上

 

同上

分光光量

 

μmol m-2s-1nm-1

 

葉冠上方

 

同上

 

平均值、標準偏差、總量、與全部光量之所占比例

全日照量

 

Wm-2

 

溫室外界,葉冠上方,栽培區中間

 

同上

 

平均值、標準偏差、溫室透光率(計算)

累積日照量

 

MJ m-2d-1

mol m-2d-1

 

由量測值計算

 

 

 

 

風速

 

ms-1

 

葉冠上方

 

試驗開始、設定開始改變

 

平均值、標準偏差、通風系統、取樣點、取樣位置

介質含水量或

張力

 

%

kPa

 

介質內部

 

每日

 

量測位置、數目、平均值、標準偏差

溶氧量

 

mgL-1

 

根部或養液

 

連續性,每小時至少1

 

量測位置、平均值、標準差