1 背景對(duì)植物的生理指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)是灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、長(zhǎng)期定

上海澤泉科技有限公司是一家專業(yè)從事生態(tài)儀器技術(shù)推廣和系統(tǒng)集成服務(wù)的高科技公司，致力于為植物、土壤、氣象、環(huán)境、海洋與淡水領(lǐng)域的科研和監(jiān)測(cè)單位提供產(chǎn)品、系統(tǒng)解決方案與系統(tǒng)集成服務(wù)。公司總部位于上海，并在北京和成都設(shè)有分部。

澤泉科技由陸地環(huán)境部、水環(huán)境部和系統(tǒng)集成部組成，并設(shè)有澤泉生態(tài)開放實(shí)驗(yàn)室。

1 背景
對(duì)植物的生理指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)是灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、長(zhǎng)期定位生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的科研人員非常希望解決的問題。常用監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括植物莖流、莖桿生長(zhǎng)、果實(shí)生長(zhǎng)、葉片溫度等，而對(duì)其它復(fù)雜的生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是很困難的。

光合作用做為植物核心的代謝過程，科研人員早就希望能對(duì)其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境因子的改變對(duì)植物生理狀態(tài)的影響，但傳統(tǒng)的測(cè)定方法難以滿足這種要求。光合作用研究的三大技術(shù)包括氣體交換、葉綠素?zé)晒?/STRONG>和氧電極，這三種技術(shù)互為補(bǔ)充且各有優(yōu)缺點(diǎn)。氧電極法測(cè)定光合放氧會(huì)對(duì)樣品造成破壞，不適于野外監(jiān)測(cè)研究；普通的光合氣體交換系統(tǒng)也可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，但一天只能測(cè)定幾個(gè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)密度很低，且儀器較重，測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，一次也只能監(jiān)測(cè)一片葉子，而且長(zhǎng)時(shí)間閉合葉室還會(huì)嚴(yán)重影響植物的正常生長(zhǎng)，可行性不高；調(diào)制式葉綠素?zé)晒?/STRONG>儀(PAM)具有方便、快速、可進(jìn)行無損測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于植物光合生理研究中，但普通的葉綠素?zé)晒鈨x因受電池、防水等因素的限制，不適用于野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。另外僅通過光合生理指標(biāo)也很難全面反映植物整體的生理狀態(tài)，還需要其他生理指標(biāo)及環(huán)境因子的數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

針對(duì)以上問題，澤泉生態(tài)開放實(shí)驗(yàn)室推出了一套植物光合生理連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，以期為植物生理生態(tài)研究、作物栽培、灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、長(zhǎng)期定位生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者提供一套植物科學(xué)研究和應(yīng)用的有力工具。

2 解決方案
2.1 目標(biāo)
在不影響植物正常生長(zhǎng)的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物光合氣體交換、葉綠素?zé)晒獾裙夂仙碇笜?biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合對(duì)其他生理指標(biāo)及多種環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，從而精確反映環(huán)境因子的變化對(duì)植物光合生理狀態(tài)的動(dòng)態(tài)影響，為植物生理生態(tài)研究、作物栽培、灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、長(zhǎng)期定位生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域提供一套有效的解決方案。

2.2 功能
1)原位、非破壞地測(cè)定植物光合氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，不影響植物的正常生長(zhǎng)
2)長(zhǎng)期、定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)植物光合作用的動(dòng)態(tài)變化
3)可同時(shí)監(jiān)測(cè)植物多個(gè)葉片的光合作用變化
4)可同步監(jiān)測(cè)多種生理指標(biāo)及環(huán)境因子的變化，獲取信息更加全面
4)全面、靈敏、準(zhǔn)確地反映各環(huán)境因子對(duì)植物光合作用及其他生理指標(biāo)的影響

2.3 測(cè)定指標(biāo)
1)光合氣體交換參數(shù)
凈光合速率、呼吸速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水蒸氣壓差等

2)葉綠素?zé)晒鈪?shù)
Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和溫度等

3)其他可連續(xù)監(jiān)測(cè)的環(huán)境因子和植物生理指標(biāo)
空氣溫濕度、土壤溫濕度、葉片溫濕度、總輻射、光合有效輻射、莖流速率、莖桿微變化、果實(shí)微變化等

2.4 應(yīng)用領(lǐng)域
1)灌溉決策系統(tǒng)
2)長(zhǎng)期定位生態(tài)學(xué)
3)農(nóng)作物生理連續(xù)監(jiān)測(cè)
4)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制
5)溫室植物生理監(jiān)測(cè)、自控溫室
6)作物栽培
7)植物冠層光合監(jiān)測(cè)
8)土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)
9)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
10)植物生理生態(tài)學(xué)

3 葉綠素?zé)晒膺B續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)(PAM)被稱為光合作用研究的三大技術(shù)之一，它通過檢測(cè)葉綠素?zé)晒獾淖兓?，反映吸收的光能在光合機(jī)構(gòu)中的分配和利用情況，從而反映植物的光合作用狀況，具有測(cè)定速度快、精度高、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，是光合作用的有效探針。由德國(guó)Walz公司專為野外測(cè)定而設(shè)計(jì)的多通道連續(xù)監(jiān)測(cè)型調(diào)制熒光儀MONITORING-PAM采用調(diào)制技術(shù)和飽和脈沖技術(shù)，通過對(duì)植物的葉綠素?zé)晒膺M(jìn)行監(jiān)測(cè)，在線反映植物光合機(jī)構(gòu)的光能利用狀況。MONITORING-PAM可以同時(shí)連接多個(gè)探頭，對(duì)多個(gè)不同的葉片進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。MONITORING-PAM的每個(gè)探頭相當(dāng)于一臺(tái)獨(dú)立的MINI-PAM，而且所有野外配件均為全防水設(shè)計(jì)，能滿足各種復(fù)雜自然條件下的測(cè)定要求。

3.1 特點(diǎn)
一臺(tái)主機(jī)可連接1－7 個(gè)探頭，在野外對(duì)植物光合作用進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到1G的microSD 卡中。儀器還可單獨(dú)使用，功能相當(dāng)于一臺(tái)MINI-PAM。

測(cè)量指標(biāo)包括：Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和溫度等。

3.2 技術(shù)參數(shù)
 ＊ 測(cè)量光：藍(lán)色LED，455 nm，光強(qiáng)0.1-1μmol m-2 s-1
 ＊ 光化光：藍(lán)色LED，455 nm，光強(qiáng)0-1500μmol m-2 s-1
 ＊ 飽和脈沖光：藍(lán)色LED，455 nm，光強(qiáng)大于3500μmol m-2 s-1
 ＊ 檢測(cè)器：PIN-光電二極管，帶選擇性鎖相放大器
 ＊ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：1G 的microSD 卡，或PC
 ＊ 野外供電：7Ah 的鉛酸電池，可接太陽能電池板

3.3 MONITORING-PAM應(yīng)用實(shí)例

荷蘭花卉培育基地在溫室內(nèi)利用MONITORING-PAM連續(xù)監(jiān)測(cè)植物(紅掌)的光合作用，通過實(shí)際光合效率的高低來反映植物生長(zhǎng)狀況，同時(shí)將信號(hào)反饋給中央控制電腦，后者根據(jù)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的CO2濃度、溫度、濕度和光照等環(huán)境因子。

4 光合氣體交換連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)側(cè)重反映光合作用的上游過程(光能的吸收與利用)，而氣體交換技術(shù)側(cè)重反映光合作用的下游過程(CO2的固定)。由以色列BF Agritech公司專為植物光合作用連續(xù)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的PTM-48植物光合生理及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是目前國(guó)際上能直接、同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。其創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)開合式葉室，可zui大限度地避免葉室長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉對(duì)葉片自然生長(zhǎng)的影響。通過8個(gè)可擴(kuò)展的傳感器接口，該系統(tǒng)還可對(duì)植物莖流、葉片溫度、莖桿微變化、莖桿與果實(shí)生長(zhǎng)、環(huán)境因子等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

4.1 特點(diǎn)
一套系統(tǒng)可同時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)4個(gè)葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數(shù)，葉室自動(dòng)開合，避免了長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉葉室對(duì)葉片自然生長(zhǎng)的干擾。

4.2 技術(shù)參數(shù)

＊ 葉室數(shù): 4個(gè) ＊ CO2濃度測(cè)量范圍: 0－1000ppm ＊ CO2交換的額定測(cè)量范圍: -20到20 μmolCO2 m-2 s-1 ＊ H2O交換的額定測(cè)量范圍: 0－50 mg H20 m-2 s-1 ＊ 可選輸入傳感器數(shù): 11

4.3 PTM-48應(yīng)用實(shí)例

景天科植物在干旱失水過程中凈光合速率在幾天內(nèi)的變化情況。 從圖中可以看出，其zui大凈光合速率隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

棉花葉片一天的監(jiān)測(cè)結(jié)果。 從圖中可以看到，正午時(shí)棉花葉片光合速率逐漸下降，相應(yīng)的徑流量的下降表明了水分壓力的明顯降低。

5 方案應(yīng)用實(shí)例
澤泉生態(tài)開放實(shí)驗(yàn)室利用本方案對(duì)盆栽培養(yǎng)的海芋光合生理狀態(tài)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過程中伴隨著干旱處理和復(fù)水過程。

選用室內(nèi)正常水肥管理的海芋為實(shí)驗(yàn)材料。2008年8月17日開始監(jiān)測(cè)，8月20日開始干旱處理，處理一周后于8月26日開始復(fù)水，8月29日結(jié)束監(jiān)測(cè)。

采用PTM-48進(jìn)行光合作用氣體交換的連續(xù)監(jiān)測(cè)，每15min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。采用Monitoring-PAM進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，每15min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。采用MiniTrase對(duì)土壤含水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，每1h自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)
結(jié)果如下：

Fig.1 干旱和復(fù)水過程中土壤相對(duì)含水量的變化

Fig.2 干旱和復(fù)水過程中凈光合速率的變化

Fig.3 干旱和復(fù)水過程中電子傳遞速率的變化

Fig.4 干旱和復(fù)水過程中非光化學(xué)淬滅系數(shù)的變化

6 方案應(yīng)用展望
這套植物光合生理連續(xù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)解決方案整合了葉綠素?zé)晒膺B續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MORNITORING-PAM和光合氣體交換連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PTM-48的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物光合生理及環(huán)境因子的全方位立體式連續(xù)監(jiān)測(cè)，解決了以往植物研究在時(shí)間和空間上的不連續(xù)性，能夠更為準(zhǔn)確迅速地反映環(huán)境因子的變化對(duì)植物生理特性的影響。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可實(shí)現(xiàn)溫室自動(dòng)控制或農(nóng)田自動(dòng)灌溉等功能，這將是高科技農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)可用于植物生理生態(tài)研究、作物栽培、灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、長(zhǎng)期定位生態(tài)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

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