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所在地：上海
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更新時間：2011-10-10
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嚴(yán)辰浩(先生)
1 背景
對植物的生理指標(biāo)進行連續(xù)監(jiān)測是灌溉決策、農(nóng)業(yè)自動化控制、長期定位生態(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)測指標(biāo)包括植物莖流、莖桿生長、果實生長、葉片溫度等，而對其它復(fù)雜的生理指標(biāo)進行監(jiān)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(xù)監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境因子的改變對植物生理狀態(tài)的影響，但傳統(tǒng)的測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)互為補充且各有優(yōu)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(jiān)測研究；普通的光合氣體交換系統(tǒng)也可進行連續(xù)監(jiān)測，但一天只能測定幾個點，監(jiān)測密度很低，且儀器較重，測定費時費力。如進行單點連續(xù)監(jiān)測，一次也只能監(jiān)測一片葉子，而且長時間閉合葉室還會嚴(yán)重影響植物的正常生長，可行性不高；調(diào)制式葉綠素?zé)晒?/STRONG>儀(PAM)具有方便、快速、可進行無損測定等優(yōu)點，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，不適用于野外長期監(jiān)測。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)作為補充。
針對以上問題，澤泉生態(tài)開放實驗室推出了一套植物光合生理連續(xù)監(jiān)測系統(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)自動化控制、長期定位生態(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的條件下，實現(xiàn)對植物光合氣體交換、葉綠素?zé)晒獾裙夂仙碇笜?biāo)進行長期多點連續(xù)監(jiān)測，結(jié)合對其他生理指標(biāo)及多種環(huán)境因子的監(jiān)測，從而精確反映環(huán)境因子的變化對植物光合生理狀態(tài)的動態(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)自動化控制、長期定位生態(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
2)長期、定點連續(xù)監(jiān)測植物光合作用的動態(tài)變化
3)可同時監(jiān)測植物多個葉片的光合作用變化
4)可同步監(jiān)測多種生理指標(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)境因子對植物光合作用及其他生理指標(biāo)的影響
2.3 測定指標(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、果實微變化等
2.4 應(yīng)用領(lǐng)域
1)灌溉決策系統(tǒng)
2)長期定位生態(tài)學(xué)
3)農(nóng)作物生理連續(xù)監(jiān)測
4)農(nóng)業(yè)自動化控制
5)溫室植物生理監(jiān)測、自控溫室
6)作物栽培
7)植物冠層光合監(jiān)測
8)土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)
9)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(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，它通過檢測葉綠素?zé)晒獾淖兓从澄盏墓饽茉诠夂蠙C構(gòu)中的分配和利用情況，從而反映植物的光合作用狀況，具有測定速度快、精度高、反應(yīng)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(shè)計的多通道連續(xù)監(jiān)測型調(diào)制熒光儀MONITORING-PAM采用調(diào)制技術(shù)和飽和脈沖技術(shù)，通過對植物的葉綠素?zé)晒膺M行監(jiān)測，在線反映植物光合機構(gòu)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(xù)監(jiān)測。MONITORING-PAM的每個探頭相當(dāng)于一臺獨立的MINI-PAM，而且所有野外配件均為全防水設(shè)計，能滿足各種復(fù)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(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動存儲到1G的microSD 卡中。儀器還可單獨使用，功能相當(dāng)于一臺MINI-PAM。
測量指標(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(shù)據(jù)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(yīng)用實例
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| 荷蘭花卉培育基地在溫室內(nèi)利用MONITORING-PAM連續(xù)監(jiān)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(jù)程序自動調(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)測而設(shè)計的PTM-48植物光合生理及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，是目前國際上能直接、同時監(jiān)測多個葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數(shù)的自動監(jiān)測儀器。其創(chuàng)新設(shè)計的自動開合式葉室，可zui大限度地避免葉室長時間關(guān)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(tǒng)還可對植物莖流、葉片溫度、莖桿微變化、莖桿與果實生長、環(huán)境因子等參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測。
4.1 特點
一套系統(tǒng)可同時連續(xù)監(jiān)測4個葉片的光合速率、蒸騰速率等氣體交換參數(shù)，葉室自動開合，避免了長時間關(guān)閉葉室對葉片自然生長的干擾。
4.2 技術(shù)參數(shù)＊ 葉室數(shù): 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(shù): 11
4.3 PTM-48應(yīng)用實例
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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。 |
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棉花葉片一天的監(jiān)測結(jié)果。 |
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Fig.1 干旱和復(fù)水過程中土壤相對含水量的變化 |
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Fig.2 干旱和復(fù)水過程中凈光合速率的變化 |
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Fig.3 干旱和復(fù)水過程中電子傳遞速率的變化 |
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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)測的系統(tǒng)解決方案整合了葉綠素?zé)晒膺B續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)MORNITORING-PAM和光合氣體交換連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)PTM-48的強大功能，實現(xiàn)了對植物光合生理及環(huán)境因子的全方位立體式連續(xù)監(jiān)測，解決了以往植物研究在時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)境因子的變化對植物生理特性的影響。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理，可實現(xiàn)溫室自動控制或農(nóng)田自動灌溉等功能，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)自動化控制、長期定位生態(tài)學(xué)等多個領(lǐng)域。
免責(zé)聲明：以上所展示的[ 植物光合生理連續(xù)監(jiān)測的系統(tǒng)解決方案]信息由會員[澤泉科技有限公司]自行提供，內(nèi)容的真實性、準(zhǔn)確性和合法性由發(fā)布會員負責(zé)。
