1 引言

植物的生存环境并不总是适宜的，常会遭受到高低温、冻害、光照、水分、营养元素、CO2、化学元素、大气污染、除草剂和杀虫剂等各种环境因子复杂多变的逆境胁迫。植物对环境胁迫的*直观反应表现在形态上，但往往滞后于生理反应，一旦伤害已经造成，则难以恢复。通过研究植物对环境胁迫的生理反应，不但有助于揭示植物适应逆境的生理机制，更有助于生产上采取切实可行的技术措施，提高植物的抗逆性或保护植物免受伤害，为植物的生长创造有利条件。

20 世纪 80 年代以来，便携式光合作用测定系统和叶绿素荧光仪等生理生态测试仪器的问世，为研究植物逆境生理及其响应提供了新的研究手段，产生了大量的研究成果。但另一方面，它们又都有各自的局限性。当气孔不均匀关闭现象出现时，叶片气体交换测量系统计算得到的Ci 会被高估；另外，不同生境之间叶片光合速率大小比较没有直接的意义，而且比较费时费力。叶绿素荧光虽然容易测定，但如果实验设计不够好，结果将很难解释。

2 观测系统设计

2.1 目标

植物逆境生理研究需要测量的指标**叶绿素荧光参数，叶绿素荧光反应是植物光化学反应的指示物，与物种、季节、环境、样品情况和其它影响植物生理作用的因素有关。因此，可测定叶绿素荧光的变化来反映植物对环境胁迫的反应。

植物生长区域的降水、光照、气温、土壤水分等环境因子指标与植物逆境生理胁迫水平密切相关，对其进行实时观测，有利于精确反映环境因子的变化对植物逆境生理状态的动态影响。

同步测定活体叶片气体交换和叶绿素荧光对阐述植物对环境因子逆境胁迫的响应，结合环境因子的同步测量可提供更有意义的结果。

AZ-B0300植物逆境生理观测系统能同时测量植物的气体交换参数、荧光参数和环境因子，可用于植物多种类型环境因子的逆境胁迫研究。

2.2 植物逆境种类及荧光参数测量方法

2.3 观测内容

荧光指标：FRFexd360/FRFecx440（主要用于测量氮胁迫。这是区分氮胁迫和硫胁迫的重要测量方法）

Kramer Lake模型荧光淬灭参数：Y（II），qL ，Y（NPQ），Y（NO）

Kughammer简化Lake模型荧光淬灭参数：Y（II），Y（NPQ），Y（NO），NPQ

Puddle模型荧光淬灭参数：qP，qN，NPQ，q_E（光保护机制导致的非光化学淬灭），q_T（稳态跃迁过程导致的非光化学淬灭），q_I（光抑制和光破坏机制导致的非光化学淬灭）

其它常规荧光参数:Y、Fv/Fm、ETR、PAR、叶片温度、Fo、Fm、Fv、Ft、Fod、Fms、Fs、OJIP曲线

光合参数：光合速率、蒸腾速率、气孔导度等

环境参数：温湿度、辐射、土壤水分温度、土壤元素

2.4 系统组成和技术指标

AZ-B0300植物逆境生理观测系统可测量、存储光合、荧光和环境因子参数。

光合测量单元：

测量范围：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；

可控条件： CO₂控制**2000ppm；H₂O控制可高于或低于环境条件；温度由微型peltier元件控制，可高于或低于环境10℃； PAR控制由高效、低热 红/蓝LED阵列单元控制，**2000μmol m^-2 s^-1；

叶绿素荧光测量单元：

测量模式：Fv/Fm，Yield常规测量模式、Lake和Puddle模型荧光淬灭测量模式、Kinetic荧光动力学测量模式、OJIP测量模式、多次饱和光闪测量模式。

多功能PAR叶夹：通常情况下，如果植物受到了氮素胁迫，则植物表皮会积聚一种对紫外光吸收能力强的物质，FRFex360/FRFex440多功能PAR叶夹即是通过测量这种情况下的紫外光和蓝光激发的红外荧光值比率来判断植物的氮素胁迫水平。

a双光源饱和脉冲：690nm卤素灯与双通道660nm 和450nm可调 LED。

卤光灯**光强0-15，000μmolm-2s-1，LED 0-4，500μmolm-2s-1。

光化学光：LED光源0-3，000 μmolm-2s-1，卤素灯光源0-6，000μmolm-2s-1。

远红外光源：735nmLED(用来测定Fod)，强度可调。

数据存储：1Gb的内存容量，能存储上万组数据，可扩展SD卡。

环境因子：

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

光合有效辐射0~500W·m-2，分辨率1 W·m-2，采样频率6次/min，滑动平均值作为结果；

空气温度-30℃~+70℃，分辨率0.1℃，采样频率6次/min，滑动平均值作为结果；

空气相对湿度0-100%，分辨率1%，采样频率6次/min，滑动平均值作为结果；

地表温度-30℃~+50℃，分辨率0.1℃，采样频率6次/min，滑动平均值作为结果；

土壤温度-30℃~+100℃，分辨率0.1℃，采样频率6次/min，滑动平均值作为结果；

降雨形态

数据采集器：有16 个可编程、多功能通道，每个通道自由编程，可扩展。测量范围 40mV 至25V，每个通道可赋予数学计算。

操作软件：包含有系统设置软件和数据报告软件。系统设置软件用于设置系统的各通道及计算公式，数值平均方法，数据文件命名方式，WEB 页设置，Ethernet 口设置。数据报告软件提供滑动平均值（sliding average），矢量平均和分级平均。

土壤水分：水分0-100%，精度±2%；温度-15℃~+50℃，精度±0.2℃。测管长度0.6m， 1m，1.5m， 2m，2.5m， 3m可选。采用掌上电脑和蓝牙无线通讯。

土壤元素

3 数据处理

　　　利用AZ-B0300植物逆境生理测量系统所获得的气体交换参数和荧光参数测量结果，与各环境因子或人工处理条件的测量数据之间进行相关分析或主成分分析。从而分析各环境因子对植物逆境胁迫的影响机理和贡献率。

4 应用案例

4.1 植物水分胁迫/轻度干旱胁迫测量的新方法(John Burke 2010)

用荧光仪测量C3和C4植物的水分胁迫和轻度干旱胁迫一直是个难题。早在2007年，美国德克萨斯州植物胁迫研究实验室的John Burke教授以棉花为研究对象，提供了一个新方法，利用美国OPTIC公司的调制式荧光仪测量40℃加热处理前后叶片样品的暗适应参数Fv/Fm’ （△F/Fm’）或光适应参数Yield测量结果，发现该测量值能很好的反映植物水分胁迫和轻度干旱胁迫状况。

　　2010年5月份，John Burke教授再次发表了新的研究成果，进一步验证了这一新方法的可行性和科学性。

　　Burke 在文中指出C3和C4植物都能用这个方法简单快速的测量，且一次性可以测量200-300个植物叶片样品。该方法将未受到胁迫的对照植物和受干旱胁迫植物的测量结果，从灌溉停止后一天开始对比，一直持续好几天。研究结果显示，灌溉停止后24小时之内，测量结果很好地反映了水分胁迫状况，这一结果也得到了其它实验室的验证。