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，便攜式光合作用測定系統(tǒng)和葉綠素?zé)晒鈨x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(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 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
植物逆境生理研究需要測量的指標(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，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)境因子的同步測量可提供更有意義的結(jié)果。
AZ-B0300植物逆境生理觀測系統(tǒng)能同時(shí)測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)測量方法
脅迫類型 | 研究方法和測量參數(shù) |
水分脅迫 | 測量凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù)； 測量加熱處理（39℃）前后的Yield； C4植物測量ETR/A； C3、C4和CAM植物的中度水分脅迫，測量Fs/Fo & Fo； OJIP曲線和K-Step熒光動(dòng)力學(xué)曲線參數(shù)。 |
光脅迫 | 測量凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù)； 熒光淬滅和淬滅弛豫測量---研究光保護(hù)機(jī)制下類囊體膜⊿ph變化的方法；OJIP參數(shù)比Fv/Fm對(duì)光脅迫更敏感（Thach 2007）。 |
高溫脅迫 | 測量凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù)； 熒光淬滅和淬滅弛豫測量---適于研究中度高溫脅迫（≥35℃）； 光響應(yīng)曲線Fv/Fm，Yield，OJIP參數(shù) （Dascaliuc A.， Ralea t.， Cuza P.，2007) (Schreiber U. 2004) (Strasser 2004) |
低溫脅迫 | 測量凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù)； ETR/CO2同化率；Yield；Fv/Fm；ETR；熒光淬滅及弛豫參數(shù)（NPQ， qN， qP， qL， qE， qT， qI，Y(NPQ)， Y(NO)），光響應(yīng)曲線 (Cavender-Bares J.， Bazzaz F.， 2004) (Krause 1994) (Adams1994， 1995) |
凍害脅迫 | Yield；Fv/Fm；ETR；熒光淬滅及弛豫參數(shù)（NPQ， qN， qP， qL， qE， qT， qI，Y(NPQ)， Y(NO).）(Ball 1994，1995)， (Krause 1994)， (Adams1994， 1995) |
CO2脅迫 | 測量凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等氣體交換參數(shù)； FV/Fm，OJIP參數(shù)對(duì)CO2脅迫很敏感； qP能很好的反映出水分、光照和CO2復(fù)合脅迫情況； Yield和NPQ參數(shù)對(duì)CO2脅迫不敏感(Siffel & Braunova 1999)。 |
大氣污染（O3） 脅迫 | Yield，F(xiàn)v/Fm，qP，NPQ等參數(shù)均對(duì)O3脅迫很敏感 (Calatayud，Pomares，Barreno 2006) |
除草劑 脅迫 | VJ-OJIP對(duì)于多種農(nóng)藥脅迫敏感；Yield & NPQ；NPQ對(duì)于DDT和DCMU脅迫敏感。(Christiansen， Teicher and Streibig 2003) (Percival 2005) |
化學(xué)元素 脅迫 | 鋁、鎘、鈷、銅、鋅、鎳元素等…… |
營養(yǎng)元素 脅迫 | 氮素、硫元素、硼元素、鈣元素、氯元素、鐵元素等…… |
2.3 觀測內(nèi)容
熒光指標(biāo)：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(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，qE（光保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅），qT（穩(wěn)態(tài)躍遷過程導(dǎo)致的非光化學(xué)淬滅），qI（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植物逆境生理觀測系統(tǒng)可測量、存儲(chǔ)光合、熒光和環(huán)境因子參數(shù)。
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(lán)LED陣列單元控制，2000μmol m-2 s-1；
葉綠素?zé)晒鉁y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(dòng)力學(xué)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(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。
鹵光燈大光強(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-*，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-*，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(lán)牙無線通訊。
土壤元素
3 數(shù)據(jù)處理
利用AZ-B0300植物逆境生理測量系統(tǒng)所獲得的氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)測量結(jié)果，與各環(huán)境因子或人工處理?xiàng)l件的測量數(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(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測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(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)方法簡單快速的測量，且一次性可以測量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。
