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1 引言

植物的生存環(huán)境并不總是適宜的，常會(huì)遭受到高低溫、凍害、光照、水分、營養(yǎng)元素、CO2、化學(xué)元素、大氣污染、除草劑和殺蟲劑等各種環(huán)境因子復(fù)雜多變的逆境脅迫。植物對(duì)環(huán)境脅迫的*直觀反應(yīng)表現(xiàn)在形態(tài)上，但往往滯后于生理反應(yīng)，一旦傷害已經(jīng)造成，則難以恢復(fù)。通過研究植物對(duì)環(huán)境脅迫的生理反應(yīng)，不但有助于揭示植物適應(yīng)逆境的生理機(jī)制，更有助于生產(chǎn)上采取切實(shí)可行的技術(shù)措施，提高植物的抗逆性或保護(hù)植物免受傷害，為植物的生長創(chuàng)造有利條件。

20 世紀(jì) 80 年代以來，便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)和葉綠素?zé)晒鈨x等生理生態(tài)測(cè)試儀器的問世，為研究植物逆境生理及其響應(yīng)提供了新的研究手段，產(chǎn)生了大量的研究成果。但另一方面，它們又都有各自的局限性。當(dāng)氣孔不均勻關(guān)閉現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，葉片氣體交換測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算得到的Ci 會(huì)被高估；另外，不同生境之間葉片光合速率大小比較沒有直接的意義，而且比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。葉綠素?zé)晒怆m然容易測(cè)定，但如果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠好，結(jié)果將很難解釋。

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

植物逆境生理研究需要測(cè)量的指標(biāo)**葉綠素?zé)晒鈪?shù)，葉綠素?zé)晒夥磻?yīng)是植物光化學(xué)反應(yīng)的指示物，與物種、季節(jié)、環(huán)境、樣品情況和其它影響植物生理作用的因素有關(guān)。因此，可測(cè)定葉綠素?zé)晒獾淖兓瘉矸从持参飳?duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)。

植物生長區(qū)域的降水、光照、氣溫、土壤水分等環(huán)境因子指標(biāo)與植物逆境生理脅迫水平密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，有利于精確反映環(huán)境因子的變化對(duì)植物逆境生理狀態(tài)的動(dòng)態(tài)影響。

同步測(cè)定活體葉片氣體交換和葉綠素?zé)晒鈱?duì)闡述植物對(duì)環(huán)境因子逆境脅迫的響應(yīng)，結(jié)合環(huán)境因子的同步測(cè)量可提供更有意義的結(jié)果。

AZ-B0300植物逆境生理觀測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量植物的氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)和環(huán)境因子，可用于植物多種類型環(huán)境因子的逆境脅迫研究。

2.2 植物逆境種類及熒光參數(shù)測(cè)量方法

2.3 觀測(cè)內(nèi)容

熒光指標(biāo)：FRFexd360/FRFecx440（主要用于測(cè)量氮脅迫。這是區(qū)分氮脅迫和硫脅迫的重要測(cè)量方法）

Kramer Lake模型熒光淬滅參數(shù)：Y（II），qL ，Y（NPQ），Y（NO）

Kughammer簡化Lake模型熒光淬滅參數(shù)：Y（II），Y（NPQ），Y（NO），NPQ

Puddle模型熒光淬滅參數(shù)：qP，qN，NPQ，q_E（光保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅），q_T（穩(wěn)態(tài)躍遷過程導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅），q_I（光抑制和光破壞機(jī)制導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅）

其它常規(guī)熒光參數(shù):Y、Fv/Fm、ETR、PAR、葉片溫度、Fo、Fm、Fv、Ft、Fod、Fms、Fs、OJIP曲線

光合參數(shù)：光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等

環(huán)境參數(shù)：溫濕度、輻射、土壤水分溫度、土壤元素

2.4 系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)

AZ-B0300植物逆境生理觀測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量、存儲(chǔ)光合、熒光和環(huán)境因子參數(shù)。

光合測(cè)量單元：

測(cè)量范圍：CO₂ 0-3000ppm，分辨率1ppm，H₂O 0-75 mbar，分辨率0.1mbar，

PAR 0-3000μmol m^-2 s^-1，余弦校正；

可控條件： CO₂控制**2000ppm；H₂O控制可高于或低于環(huán)境條件；溫度由微型peltier元件控制，可高于或低于環(huán)境10℃； PAR控制由高效、低熱 紅/藍(lán)LED陣列單元控制，**2000μmol m^-2 s^-1；

葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量單元：

測(cè)量模式：Fv/Fm，Yield常規(guī)測(cè)量模式、Lake和Puddle模型熒光淬滅測(cè)量模式、Kinetic熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)量模式、OJIP測(cè)量模式、多次飽和光閃測(cè)量模式。

多功能PAR葉夾：通常情況下，如果植物受到了氮素脅迫，則植物表皮會(huì)積聚一種對(duì)紫外光吸收能力強(qiáng)的物質(zhì)，F(xiàn)RFex360/FRFex440多功能PAR葉夾即是通過測(cè)量這種情況下的紫外光和藍(lán)光激發(fā)的紅外熒光值比率來判斷植物的氮素脅迫水平。

a雙光源飽和脈沖：690nm鹵素?zé)襞c雙通道660nm 和450nm可調(diào) LED。

鹵光燈**光強(qiáng)0-15，000μmolm-2s-1，LED 0-4，500μmolm-2s-1。

光化學(xué)光：LED光源0-3，000 μmolm-2s-1，鹵素?zé)艄庠?-6，000μmolm-2s-1。

遠(yuǎn)紅外光源：735nmLED(用來測(cè)定Fod)，強(qiáng)度可調(diào)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：1Gb的內(nèi)存容量，能存儲(chǔ)上萬組數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展SD卡。

環(huán)境因子：

總輻射0-2000 W·m-2，分辨率1 W·m-2；降雨量0.005mm~250mm，分辨率0.005mm；

光合有效輻射0~500W·m-2，分辨率1 W·m-2，采樣頻率6次/min，滑動(dòng)平均值作為結(jié)果；

空氣溫度-30℃~+70℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動(dòng)平均值作為結(jié)果；

空氣相對(duì)濕度0-100%，分辨率1%，采樣頻率6次/min，滑動(dòng)平均值作為結(jié)果；

地表溫度-30℃~+50℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動(dòng)平均值作為結(jié)果；

土壤溫度-30℃~+100℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動(dòng)平均值作為結(jié)果；

降雨形態(tài)

數(shù)據(jù)采集器：有16 個(gè)可編程、多功能通道，每個(gè)通道自由編程，可擴(kuò)展。測(cè)量范圍 40mV 至25V，每個(gè)通道可賦予數(shù)學(xué)計(jì)算。

操作軟件：包含有系統(tǒng)設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)報(bào)告軟件。系統(tǒng)設(shè)置軟件用于設(shè)置系統(tǒng)的各通道及計(jì)算公式，數(shù)值平均方法，數(shù)據(jù)文件命名方式，WEB 頁設(shè)置，Ethernet 口設(shè)置。數(shù)據(jù)報(bào)告軟件提供滑動(dòng)平均值（sliding average），矢量平均和分級(jí)平均。

土壤水分：水分0-100%，精度±2%；溫度-15℃~+50℃，精度±0.2℃。測(cè)管長度0.6m， 1m，1.5m， 2m，2.5m， 3m可選。采用掌上電腦和藍(lán)牙無線通訊。

土壤元素

3 數(shù)據(jù)處理

　　　利用AZ-B0300植物逆境生理測(cè)量系統(tǒng)所獲得的氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)測(cè)量結(jié)果，與各環(huán)境因子或人工處理?xiàng)l件的測(cè)量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行相關(guān)分析或主成分分析。從而分析各環(huán)境因子對(duì)植物逆境脅迫的影響機(jī)理和貢獻(xiàn)率。

4 應(yīng)用案例

4.1 植物水分脅迫/輕度干旱脅迫測(cè)量的新方法(John Burke 2010)

用熒光儀測(cè)量C3和C4植物的水分脅迫和輕度干旱脅迫一直是個(gè)難題。早在2007年，美國德克薩斯州植物脅迫研究實(shí)驗(yàn)室的John Burke教授以棉花為研究對(duì)象，提供了一個(gè)新方法，利用美國OPTIC公司的調(diào)制式熒光儀測(cè)量40℃加熱處理前后葉片樣品的暗適應(yīng)參數(shù)Fv/Fm’ （△F/Fm’）或光適應(yīng)參數(shù)Yield測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該測(cè)量值能很好的反映植物水分脅迫和輕度干旱脅迫狀況。

　　2010年5月份，John Burke教授再次發(fā)表了新的研究成果，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一新方法的可行性和科學(xué)性。

　　Burke 在文中指出C3和C4植物都能用這個(gè)方法簡單快速的測(cè)量，且一次性可以測(cè)量200-300個(gè)植物葉片樣品。該方法將未受到脅迫的對(duì)照植物和受干旱脅迫植物的測(cè)量結(jié)果，從灌溉停止后一天開始對(duì)比，一直持續(xù)好幾天。研究結(jié)果顯示，灌溉停止后24小時(shí)之內(nèi)，測(cè)量結(jié)果很好地反映了水分脅迫狀況，這一結(jié)果也得到了其它實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證。