1 背景對植物的生理指標進行連續監測是灌溉決策、農業自動化控制、長期定

上海澤泉科技有限公司是一家專業從事生態儀器技術推廣和系統集成服務的高科技公司，致力于為植物、土壤、氣象、環境、海洋與淡水領域的科研和監測單位提供產品、系統解決方案與系統集成服務。公司總部位于上海，并在北京和成都設有分部。

澤泉科技由陸地環境部、水環境部和系統集成部組成，并設有澤泉生態開放實驗室。

1 背景
對植物的生理指標進行連續監測是灌溉決策、農業自動化控制、長期定位生態學等領域的科研人員非常希望解決的問題。常用監測指標包括植物莖流、莖桿生長、果實生長、葉片溫度等，而對其它復雜的生理指標進行監測是很困難的。

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其進行連續監測，以便及時發現環境因子的改變對植物生理狀態的影響，但傳統的測定方法難以滿足這種要求。光合作用研究的三大技術包括氣體交換、葉綠素熒光和氧電極，這三種技術互為補充且各有優缺點。氧電極法測定光合放氧會對樣品造成破壞，不適于野外監測研究；普通的光合氣體交換系統也可進行連續監測，但一天只能測定幾個點，監測密度很低，且儀器較重，測定費時費力。如進行單點連續監測，一次也只能監測一片葉子，而且長時間閉合葉室還會嚴重影響植物的正常生長，可行性不高；調制式葉綠素熒光儀(PAM)具有方便、快速、可進行無損測定等優點，已被廣泛應用于植物光合生理研究中，但普通的葉綠素熒光儀因受電池、防水等因素的限制，不適用于野外長期監測。另外僅通過光合生理指標也很難全面反映植物整體的生理狀態，還需要其他生理指標及環境因子的數據作為補充。

針對以上問題，澤泉生態開放實驗室推出了一套植物光合生理連續監測系統解決方案，以期為植物生理生態研究、作物栽培、灌溉決策、農業自動化控制、長期定位生態學等領域的科研工作者提供一套植物科學研究和應用的有力工具。

2 解決方案
2.1 目標
在不影響植物正常生長的條件下，實現對植物光合氣體交換、葉綠素熒光等光合生理指標進行長期多點連續監測，結合對其他生理指標及多種環境因子的監測，從而精確反映環境因子的變化對植物光合生理狀態的動態影響，為植物生理生態研究、作物栽培、灌溉決策、農業自動化控制、長期定位生態學等領域提供一套有效的解決方案。

2.2 功能
1)原位、非破壞地測定植物光合氣體交換和葉綠素熒光參數，不影響植物的正常生長
2)長期、定點連續監測植物光合作用的動態變化
3)可同時監測植物多個葉片的光合作用變化
4)可同步監測多種生理指標及環境因子的變化，獲取信息更加全面
4)全面、靈敏、準確地反映各環境因子對植物光合作用及其他生理指標的影響

2.3 測定指標
1)光合氣體交換參數
凈光合速率、呼吸速率、蒸騰速率、氣孔導度、水蒸氣壓差等

2)葉綠素熒光參數
Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和溫度等

3)其他可連續監測的環境因子和植物生理指標
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、果實微變化等

2.4 應用領域
1)灌溉決策系統
2)長期定位生態學
3)農作物生理連續監測
4)農業自動化控制
5)溫室植物生理監測、自控溫室
6)作物栽培
7)植物冠層光合監測
8)土壤-植物-大氣連續體(SPAC)
9)生態環境監測系統
10)植物生理生態學

3 葉綠素熒光連續監測系統
調制葉綠素熒光技術(PAM)被稱為光合作用研究的三大技術之一，它通過檢測葉綠素熒光的變化，反映吸收的光能在光合機構中的分配和利用情況，從而反映植物的光合作用狀況，具有測定速度快、精度高、反應靈敏等特點，是光合作用的有效探針。由德國Walz公司專為野外測定而設計的多通道連續監測型調制熒光儀MONITORING-PAM采用調制技術和飽和脈沖技術，通過對植物的葉綠素熒光進行監測，在線反映植物光合機構的光能利用狀況。MONITORING-PAM可以同時連接多個探頭，對多個不同的葉片進行長時間連續監測。MONITORING-PAM的每個探頭相當于一臺獨立的MINI-PAM，而且所有野外配件均為全防水設計，能滿足各種復雜自然條件下的測定要求。

3.1 特點
一臺主機可連接1－7 個探頭，在野外對植物光合作用進行長期連續監測，數據自動存儲到1G的microSD 卡中。儀器還可單獨使用，功能相當于一臺MINI-PAM。

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

3.2 技術參數
 ＊ 測量光：藍色LED，455 nm，光強0.1-1μmol m-2 s-1
 ＊ 光化光：藍色LED，455 nm，光強0-1500μmol m-2 s-1
 ＊ 飽和脈沖光：藍色LED，455 nm，光強大于3500μmol m-2 s-1
 ＊ 檢測器：PIN-光電二極管，帶選擇性鎖相放大器
 ＊ 數據存儲：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應用實例

荷蘭花卉培育基地在溫室內利用MONITORING-PAM連續監測植物(紅掌)的光合作用，通過實際光合效率的高低來反映植物生長狀況，同時將信號反饋給中央控制電腦，后者根據程序自動調節溫室內的CO2濃度、溫度、濕度和光照等環境因子。

4 光合氣體交換連續監測系統
調制葉綠素熒光技術側重反映光合作用的上游過程(光能的吸收與利用)，而氣體交換技術側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監測而設計的PTM-48植物光合生理及環境監測系統，是目前國際上能直接、同時監測多個葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數的自動監測儀器。其創新設計的自動開合式葉室，可zui大限度地避免葉室長時間關閉對葉片自然生長的影響。通過8個可擴展的傳感器接口，該系統還可對植物莖流、葉片溫度、莖桿微變化、莖桿與果實生長、環境因子等參數進行連續監測。

4.1 特點
一套系統可同時連續監測4個葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數，葉室自動開合，避免了長時間關閉葉室對葉片自然生長的干擾。

4.2 技術參數

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

4.3 PTM-48應用實例

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

棉花葉片一天的監測結果。 從圖中可以看到，正午時棉花葉片光合速率逐漸下降，相應的徑流量的下降表明了水分壓力的明顯降低。

5 方案應用實例
澤泉生態開放實驗室利用本方案對盆栽培養的海芋光合生理狀態進行了連續監測，監測過程中伴隨著干旱處理和復水過程。

選用室內正常水肥管理的海芋為實驗材料。2008年8月17日開始監測，8月20日開始干旱處理，處理一周后于8月26日開始復水，8月29日結束監測。

采用PTM-48進行光合作用氣體交換的連續監測，每15min自動記錄一次數據。采用Monitoring-PAM進行葉綠素熒光參數的連續監測，每15min自動記錄一次數據。采用MiniTrase對土壤含水量進行連續監測，每1h自動記錄一次數據
結果如下：

Fig.1 干旱和復水過程中土壤相對含水量的變化

Fig.2 干旱和復水過程中凈光合速率的變化

Fig.3 干旱和復水過程中電子傳遞速率的變化

Fig.4 干旱和復水過程中非光化學淬滅系數的變化

6 方案應用展望
這套植物光合生理連續監測的系統解決方案整合了葉綠素熒光連續監測系統MORNITORING-PAM和光合氣體交換連續監測系統PTM-48的強大功能，實現了對植物光合生理及環境因子的全方位立體式連續監測，解決了以往植物研究在時間和空間上的不連續性，能夠更為準確迅速地反映環境因子的變化對植物生理特性的影響。系統采集的數據經計算機處理，可實現溫室自動控制或農田自動灌溉等功能，這將是高科技農業的重要發展方向。該系統可用于植物生理生態研究、作物栽培、灌溉決策、農業自動化控制、長期定位生態學等多個領域。

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