植物光合生理连续监测的系统解决方案

1 背景
对植物的生理指标进行连续监测是灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域的科研人员非常希望解决的问题。常用监测指标包括植物茎流、茎杆生长、果实生长、叶片温度等，而对其它复杂的生理指标进行监测是很困难的。

光合作用做为植物最核心的代谢过程，科研人员早就希望能对其进行连续监测，以便及时发现环境因子的改变对植物生理状态的影响，但传统的测定方法难以满足这种要求。光合作用研究的三大技术包括气体交换、叶绿素荧光和氧电极，这三种技术互为补充且各有优缺点。氧电极法测定光合放氧会对样品造成破坏，不适于野外监测研究；普通的光合气体交换系统也可进行连续监测，但一天只能测定几个点，监测密度很低，且仪器较重，测定费时费力。如进行单点连续监测，一次也只能监测一片叶子，而且长时间闭合叶室还会严重影响植物的正常生长，可行性不高；调制式叶绿素荧光仪（PAM）具有方便、快速、可进行无损测定等优点，已被广泛应用于植物光合生理研究中，但普通的叶绿素荧光仪因受电池、防水等因素的限制，不适用于野外长期监测。另外仅通过光合生理指标也很难全面反映植物整体的生理状态，还需要其他生理指标及环境因子的数据作为补充。

针对以上问题，泽泉生态开放实验室推出了一套植物光合生理连续监测系统解决方案，以期为植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域的科研工作者提供一套植物科学研究和应用的有力工具。

2 解决方案
2.1 目标
在不影响植物正常生长的条件下，实现对植物光合气体交换、叶绿素荧光等光合生理指标进行长期多点连续监测，结合对其他生理指标及多种环境因子的监测，从而精确反映环境因子的变化对植物光合生理状态的动态影响，为植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域提供一套有效的解决方案。

2.2 功能
1）原位、非破坏地测定植物光合气体交换和叶绿素荧光参数，不影响植物的正常生长
2）长期、定点连续监测植物光合作用的动态变化
3）可同时监测植物多个叶片的光合作用变化
4）可同步监测多种生理指标及环境因子的变化，获取信息更加全面
4）全面、灵敏、准确地反映各环境因子对植物光合作用及其他生理指标的影响

2.3 测定指标
1）光合气体交换参数
净光合速率、呼吸速率、蒸腾速率、气孔导度、水蒸气压差等

2）叶绿素荧光参数
Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和温度等

3）其他可连续监测的环境因子和植物生理指标
空气温湿度、土壤温湿度、叶片温湿度、总辐射、光合有效辐射、茎流速率、茎杆微变化、果实微变化等

2.4 应用领域
1）灌溉决策系统
2）长期定位生态学
3）农作物生理连续监测
4）农业自动化控制
5）温室植物生理监测、自控温室
6）作物栽培
7）植物冠层光合监测
8）土壤-植物-大气连续体（SPAC）
9）生态环境监测系统
10）植物生理生态学

3 叶绿素荧光连续监测系统
调制叶绿素荧光技术（PAM）被称为光合作用研究的三大技术之一，它通过检测叶绿素荧光的变化，反映吸收的光能在光合机构中的分配和利用情况，从而反映植物的光合作用状况，具有测定速度快、精度高、反应灵敏等特点，是光合作用的有效探针。由德国Walz公司专为野外测定而设计的多通道连续监测型调制荧光仪MONITORING-PAM采用调制技术和饱和脉冲技术，通过对植物的叶绿素荧光进行监测，在线反映植物光合机构的光能利用状况。MONITORING-PAM可以同时连接多个探头，对多个不同的叶片进行长时间连续监测。MONITORING-PAM的每个探头相当于一台独立的MINI-PAM，而且所有野外配件均为全防水设计，能满足各种复杂自然条件下的测定要求。

3.1 特点
一台主机可连接1－7 个探头，在野外对植物光合作用进行长期连续监测，数据自动存储到1G的microSD 卡中。仪器还可单独使用，功能相当于一台MINI-PAM。

测量指标包括：Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和温度等。

3.2 技术参数
 ＊ 测量光：蓝色LED，455 nm，光强0.1-1μmol m-2 s-1
 ＊ 光化光：蓝色LED，455 nm，光强0-1500μmol m-2 s-1
 ＊ 饱和脉冲光：蓝色LED，455 nm，光强大于3500μmol m-2 s-1
 ＊ 检测器：PIN-光电二极管，带选择性锁相放大器
 ＊ 数据存储：1G 的microSD 卡，或PC
 ＊ 野外供电：7Ah 的铅酸电池，可接太阳能电池板

3.3 MONITORING-PAM应用实例

荷兰花卉培育基地在温室内利用MONITORING-PAM连续监测植物（红掌）的光合作用，通过实际光合效率的高低来反映植物生长状况，同时将信号反馈给中央控制电脑，后者根据程序自动调节温室内的CO2浓度、温度、湿度和光照等环境因子。

4 光合气体交换连续监测系统
调制叶绿素荧光技术侧重反映光合作用的上游过程（光能的吸收与利用），而气体交换技术侧重反映光合作用的下游过程（CO2的固定）。由以色列BF Agritech公司专为植物光合作用连续监测而设计的PTM-48植物光合生理及环境监测系统，是目前国际上唯一能直接、同时监测多个叶片的光合速率、蒸腾速率等气体交换参数的自动监测仪器。其创新设计的自动开合式叶室，可最大限度地避免叶室长时间关闭对叶片自然生长的影响。通过8个可扩展的传感器接口，该系统还可对植物茎流、叶片温度、茎杆微变化、茎杆与果实生长、环境因子等参数进行连续监测。

4.1 特点
一套系统可同时连续监测4个叶片的光合速率、蒸腾速率等气体交换参数，叶室自动开合，避免了长时间关闭叶室对叶片自然生长的干扰。

4.2 技术参数

＊ 叶室数: 4个 ＊ CO2浓度测量范围: 0－1000ppm ＊ CO2交换的额定测量范围: -20到20 μmolCO2 m-2 s-1 ＊ H2O交换的额定测量范围: 0－50 mg H20 m-2 s-1 ＊ 可选输入传感器数: 11

4.3 PTM-48应用实例

景天科植物在干旱失水过程中净光合速率在几天内的变化情况。 从图中可以看出，其最大净光合速率随着干旱时间的延长呈现出明显的下降趋势。

棉花叶片一天的监测结果。 从图中可以看到，正午时棉花叶片光合速率逐渐下降，相应的径流量的下降表明了水分压力的明显降低。

5 方案应用实例
泽泉生态开放实验室利用本方案对盆栽培养的海芋光合生理状态进行了连续监测，监测过程中伴随着干旱处理和复水过程。

选用室内正常水肥管理的海芋为实验材料。2008年8月17日开始监测，8月20日开始干旱处理，处理一周后于8月26日开始复水，8月29日结束监测。

采用PTM-48进行光合作用气体交换的连续监测，每15min自动记录一次数据。采用Monitoring-PAM进行叶绿素荧光参数的连续监测，每15min自动记录一次数据。采用MiniTrase对土壤含水量进行连续监测，每1h自动记录一次数据
结果如下：

Fig.1 干旱和复水过程中土壤相对含水量的变化

Fig.2 干旱和复水过程中净光合速率的变化

Fig.3 干旱和复水过程中电子传递速率的变化

Fig.4 干旱和复水过程中非光化学淬灭系数的变化

6 方案应用展望
这套植物光合生理连续监测的系统解决方案整合了叶绿素荧光连续监测系统MORNITORING-PAM和光合气体交换连续监测系统PTM-48的强大功能，实现了对植物光合生理及环境因子的全方位立体式连续监测，解决了以往植物研究在时间和空间上的不连续性，能够更为准确迅速地反映环境因子的变化对植物生理特性的影响。系统采集的数据经计算机处理，可实现温室自动控制或农田自动灌溉等功能，这将是高科技农业的重要发展方向。该系统可用于植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等多个领域。