1 引言

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

20 世紀 80 年代以來，便攜式光合作用測定系統和葉綠素熒光儀等生理生態(tài)測試儀器的問世，為研究植物逆境生理及其響應提供了新的研究手段，產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。當氣孔不均勻關閉現象出現時，葉片氣體交換測量系統計算得到的Ci 會被高估；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，而且比較費時費力。葉綠素熒光雖然容易測定，但如果實驗設計不夠好，結果將很難解釋。

2 觀測系統設計

2.1 目標

植物逆境生理研究需要測量的指標葉綠素熒光參數，葉綠素熒光反應是植物光化學反應的指示物，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。因此，可測定葉綠素熒光的變化來反映植物對環(huán)境脅迫的反應。

植物生長區(qū)域的降水、光照、氣溫、土壤水分等環(huán)境因子指標與植物逆境生理脅迫水平密切相關，對其進行實時觀測，有利于精確反映環(huán)境因子的變化對植物逆境生理狀態(tài)的動態(tài)影響。

同步測定活體葉片氣體交換和葉綠素熒光對闡述植物對環(huán)境因子逆境脅迫的響應，結合環(huán)境因子的同步測量可提供更有意義的結果。

AZ-B0300植物逆境生理觀測系統能同時測量植物的氣體交換參數、熒光參數和環(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測量方法

2.3 觀測內容

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

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

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

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

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

光合參數：光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等

環(huán)境參數：溫濕度、輻射、土壤水分溫度、土壤元素

2.4 系統組成和技術指標

AZ-B0300植物逆境生理觀測系統可測量、存儲光合、熒光和環(huán)境因子參數。

光合測量單元：

測量范圍：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LED陣列單元控制，2000μmol m^-2 s^-1；

葉綠素熒光測量單元：

測量模式：Fv/Fm,Yield常規(guī)測量模式、Lake和Puddle模型熒光淬滅測量模式、Kinetic熒光動力學測量模式、OJIP測量模式、多次飽和光閃測量模式。
多功能PAR葉夾：通常情況下，如果植物受到了氮素脅迫，則植物表皮會積聚一種對紫外光吸收能力強的物質，FRFex360/FRFex440多功能PAR葉夾即是通過測量這種情況下的紫外光和藍光激發(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鹵素燈與雙通道660nm 和450nm可調 LED。
鹵光燈大光強0-15,000μmolm-2s-1，LED 0-4,500μmolm-2s-1。
光化學光：LED光源0-3,000 μmolm-2s-1，鹵素燈光源0-6,000μmolm-2s-1。
遠紅外光源：735nmLED(用來測定Fod)，強度可調。
數據存儲：1Gb的內存容量，能存儲上萬組數據，可擴展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，滑動平均值作為結果；
空氣溫度-30℃~+70℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動平均值作為結果；
空氣相對濕度0-，分辨率1%，采樣頻率6次/min，滑動平均值作為結果；
地表溫度-30℃~+50℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動平均值作為結果；
土壤溫度-30℃~+100℃，分辨率0.1℃，采樣頻率6次/min，滑動平均值作為結果；
降雨形態(tài)
數據采集器：有16 個可編程、多功能通道，每個通道自由編程，可擴展。測量范圍 40mV 至25V，每個通道可賦予數學計算。
操作軟件：包含有系統設置軟件和數據報告軟件。系統設置軟件用于設置系統的各通道及計算公式，數值平均方法，數據文件命名方式，WEB 頁設置，Ethernet 口設置。數據報告軟件提供滑動平均值（sliding average），矢量平均和分級平均。 
土壤水分：水分0-，精度±2%；溫度-15℃~+50℃，精度±0.2℃。測管長度0.6m, 1m，1.5m, 2m，2.5m, 3m可選。采用掌上電腦和藍牙無線通訊。
土壤元素
3   數據處理
利用AZ-B0300植物逆境生理測量系統所獲得的氣體交換參數和熒光參數測量結果，與各環(huán)境因子或人工處理條件的測量數據之間進行相關分析或主成分分析。從而分析各環(huán)境因子對植物逆境脅迫的影響機理和貢獻率。
4   應用案例
4.1  植物水分脅迫/輕度干旱脅迫測量的新方法(John Burke 2010)
用熒光儀測量C3和C4植物的水分脅迫和輕度干旱脅迫一直是個難題。早在2007年，美國德克薩斯州植物脅迫研究實驗室的John Burke教授以棉花為研究對象，提供了一個新方法，利用美國OPTIC公司的調制式熒光儀測量40℃加熱處理前后葉片樣品的暗適應參數Fv/Fm’ （△F/Fm’）或光適應參數Yield測量結果，發(fā)現該測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，進一步驗證了這一新方法的可行性和科學性。
Burke 在文中指出C3和C4植物都能用這個方法簡單快速的測量，且一次性可以測量200-300個植物葉片樣品。該方法將未受到脅迫的對照植物和受干旱脅迫植物的測量結果，從灌溉停止后一天開始對比，一直持續(xù)好幾天。研究結果顯示，灌溉停止后24小時之內，測量結果很好地反映了水分脅迫狀況，這一結果也得到了其它實驗室的驗證。