基于单板微机和CO2传感器的低成本光合作用测量系统开发及其在甘蔗种质资源研究中的应用

针对传统光合速率测量系统昂贵（超7万美元）的问题，研究人员开展低成本测量系统研究，基于K30 CO2传感器与单板微机构建闭室系统。结果显示：与标准LI-6400系统显著相关（p<0.001），人工光条件下RMSE为1.4（7.6%），自然光下为3.6（13.3%），为植物表型研究提供经济高效的解决方案。

　　

在植物科学研究中，叶片光合速率是评估植物生长的重要指标，但传统测量系统的高成本（超过7万美元）限制了其广泛应用。近年来，随着低成本环境传感器和单板微机的普及，构建经济高效的光合作用测量系统成为可能。本研究通过比较四种低成本CO₂传感器，发现K30传感器在响应速度和稳定性方面表现优异，与高精度系统LI-850相比噪声更低。研究人员基于K30传感器和自制闭室，开发了一套成本仅约200美元的光合作用测量系统，并通过与标准开放系统LI-6400的对比实验验证其可靠性。

研究采用的关键技术包括：1）CO₂传感器性能比较实验，通过可控气体浓度变化测试响应性；2）基于M5Stack微机的系统集成，控制传感器、风扇和温度测量；3）闭室光合速率计算模型，结合气体方程和温度校正；4）甘蔗种质资源（Erianthus arundinaceus JW630及栽培品种）的温室与田间实验，同步对比LI-6400测量数据。

实验1：CO₂传感器的性能测试与选择

通过在不同CO₂浓度（0、398、985 ppm）下测试传感器响应，发现K30传感器在波动响应和噪声控制方面优于其他低成本传感器（MHZ19B、MHZ19E、D300G），其峰值出现时间与LI-850系统的差异最小（平均0.4秒），表明其适用于高精度光合测量。

实验2：自制系统与商业系统的光合测量对比

在温室人工光条件下，demo设备与LI-6400测量的光合速率显著相关（r=0.984，p<0.001），RMSE为1.4 μmol m^-2 s^-1（7.6%）；在田间自然光条件下，相关性仍显著（r=0.895，p<0.001），RMSE为3.6 μmol m^-2 s^-1（13.3%）。系统成本仅约200美元，重量轻（200克），便于野外应用。

研究结论表明，基于K30传感器和单板微机的低成本系统在响应性和准确性上与商业标准系统相当，解决了传统设备昂贵和难以普及的问题。未来工作将聚焦于集成湿度传感器以测量水分利用效率（Water-Use Efficiency, WUE），进一步降低系统成本并扩展功能。该研究为植物光合表型研究提供了可广泛使用的工具，尤其适用于资源有限的实验室和田间应用。