植物光合生理连续监测的系统解决方案
1 背景
对植物的生理指标进行连续监测是灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域的科研人员非常希望解决的问题。常用监测指标包括植物茎流、茎杆生长、果实生长、叶片温度等，而对其它复杂的生理指标进行监测是很困难的。
光合作用做为植物最核心的代谢过程，科研人员早就希望能对其进行连续监测，以便及时发现环境因子的改变对植物生理状态的影响，但传统的测定方法难以满足这种要求。光合作用研究的三大技术包括气体交换、叶绿素荧光和氧电极，这三种技术互为补充且各有优缺点。氧电极法测定光合放氧会对样品造成破坏，不适于野外监测研究；普通的光合气体交换系统也可进行连续监测，但一天只能测定几个点，监测密度很低，且仪器较重，测定费时费力。如进行单点连续监测，一次也只能监测一片叶子，而且长时间闭合叶室还会严重影响植物的正常生长，可行性不高；调制式叶绿素荧光仪（PAM）具有方便、快速、可进行无损测定等优点，已被广泛应用于植物光合生理研究中，但普通的叶绿素荧光仪因受电池、防水等因素的限制，不适用于野外长期监测。另外仅通过光合生理指标也很难全面反映植物整体的生理状态，还需要其他生理指标及环境因子的数据作为补充。
针对以上问题，泽泉生态开放实验室推出了一套植物光合生理连续监测系统解决方案，以期为植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域的科研工作者提供一套植物科学研究和应用的有力工具。
2 解决方案
2.1 目标
在不影响植物正常生长的条件下，实现对植物光合气体交换、叶绿素荧光等光合生理指标进行长期多点连续监测，结合对其他生理指标及多种环境因子的监测，从而精确反映环境因子的变化对植物光合生理状态的动态影响，为植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等领域提供一套有效的解决方案。
2.2 功能
1）原位、非破坏地测定植物光合气体交换和叶绿素荧光参数，不影响植物的正常生长
2）长期、定点连续监测植物光合作用的动态变化
3）可同时监测植物多个叶片的光合作用变化
4）可同步监测多种生理指标及环境因子的变化，获取信息更加全面
4）全面、灵敏、准确地反映各环境因子对植物光合作用及其他生理指标的影响
2.3 测定指标
1）光合气体交换参数
净光合速率、呼吸速率、蒸腾速率、气孔导度、水蒸气压差等
2）叶绿素荧光参数
Fo、Fm、Fv/Fm、Ft、Fm’、ΦPSⅡ(Yield)、qP、qN、NPQ、qL、Y(NO)、Y(NPQ)、rETR、PAR和温度等
3）其他可连续监测的环境因子和植物生理指标
空气温湿度、土壤温湿度、叶片温湿度、总辐射、光合有效辐射、茎流速率、茎杆微变化、果实微变化等
2.4 应用领域
1）灌溉决策系统
2）长期定位生态学
3）农作物生理连续监测
4）农业自动化控制
5）温室植物生理监测、自控温室
6）作物栽培
7）植物冠层光合监测
8）土壤-植物-大气连续体（SPAC）
9）生态环境监测系统
10）植物生理生态学
3 多通道连续监测型调制荧光仪MONITORING-PAM
调制叶绿素荧光技术（PAM）被称为光合作用研究的三大技术之一，它通过检测叶绿素荧光的变化，反映吸收的光能在光合机构中的分配和利用情况，从而反映植物的光合作用状况，具有测定速度快、精度高、反应灵敏等特点，是光合作用的有效探针。由德国Walz公司专为野外测定而设计的多通道连续监测型调制荧光仪MONITORING-PAM采用调制技术和饱和脉冲技术，通过对植物的叶绿素荧光进行监测，在线反映植物光合机构的光能利用状况。MONITORING-PAM可以同时连接多个探头，对多个不同的叶片进行长时间连续监测。MONITORING-PAM的每个探头相当于一台独立的MINI-PAM，而且所有野外配件均为全防水设计，能满足各种复杂自然条件下的测定要求。
主要功能
可室内连电脑操作，可野外单机操作
野外长期连续监测多个样品的光合作用变化
可测量荧光诱导曲线、快速光曲线（强大的曲线拟合功能）、淬灭分析、暗驰豫分析
野外数采 MONI-DA 可自动记录数据，利用 microSD 卡存储，利用太阳能或内置电池供电
所有野外部件均为防水设计
一台 MONI-DA 可同时连接 1-7 个测量头（推荐配置 3 或 4 个）
测量参数
Fo, Fm, F, Fo’, Fm’, Fv/Fm, Y(II), qP, qL, qN, NPQ, Y(NPQ), Y(NO), ETR, PAR 和温度等
应用领域
长期连续监测植物的光合作用，或连电脑进行常规调制荧光测量。特别适合于长期生态学定位监测、农林气象预报、指导灌溉决策，构建自动化温室等领域。
主要技术参数
测量光：蓝色 LED，455 nm。
光化光：与测量光 LED 同源。叶夹处的最大连续光强为 1500 μmol m-2 s-1。
饱和脉冲：与测量光LED同源。叶夹处最大饱和闪光强度 3500 μmol m-2 s-1。
信号检测：带长通滤光片的 PIN-光电二极管，带选择性锁相放大器。
选购指南
1）陆地版-离线版（兼具在线功能）
系统组成：数采（陆地版），电脑转接盒，测量头（陆地版），10m 线缆，软件，电脑（标配不含）
注意：MONI-DA 可接 7 个测量头，内存卡外置，方便取出下载数据
MONITORING-PAM 图示
2）水下版-离线版（兼具在线功能）
系统组成：数采（水下版），电脑转接盒，测量头（陆地版），10m 线缆，软件，电脑（标配不含）
注意：水下版配置与陆地版近似，只是数采，探头以及所有线缆接口具备防水功能。MONI-DA/S 可接 7 个测量头，内存卡内置，不可取出，用命令下载数据
3）陆地版-在线版
系统组成：电脑转接盒，测量头（陆地版），10m 线缆，软件，电脑（标配不含）
注意：MONI-SET3，可接 3 个测量头，MONI-SET4，可接 4 个测量头
多探头示例
4）水下版-在线版
系统组成：电脑转接盒，测量头（水下版），10m 线缆（推荐），软件，电脑（标配不含）
注意：MONI-SET3，可接 3 个测量头，MONI-SET4，可接 4 个测量头。水下版配置与陆地版近似，只是探头以及所有线缆接口具备防水功能，但转接盒并不防水。
MONITORING-PAM 应用及测量结果
4 植物光合生理及环境监测系统——PTM-48A
PTM-48A 是一台光合仪， 但它不是一台普通的光合仪 。它专为长期连续监测而设计， 监测时间可长达数周 。特殊的自动开合式叶室，可将叶室关闭对叶片生长的影响降到最低。4 个叶室通道的设计，使研究者可同时监测多个植株或叶片。PTM-48A 是一台光合仪，但它不仅仅是一台光合仪。它还是一台多通道植物生理及环境监测系统。它可以连接多达 8 个传感器通道，实现对环境因子（PAR、空气温湿度、土壤温湿度等）和植物生理指标（叶片温度、茎流速率、茎杆微变化、果实生长量等）的同步监测。
LC-4B 叶室
·可 24h 连续监测叶片 CO2 气体交换· 获得每日 CO2 净同化量（净生产量）· 分析白天和夜晚的 CO2 交换平衡（光合与呼吸）· 细致研究光照、温度、CO2 浓度及其他环境因子对产量的影响可 24h 连续监测叶片 H2O 气体交换、蒸腾速率和气孔导度
·连续监测时间可长达数小时、数天甚至数周具有 4 个叶室，可同时监测多个植株或叶片通过 LC-4B 叶室配合最新的 LC-4D 遮光叶室可细致研究 CO2 交换对光照的响应
·通过外接传感器可同步监测茎流量、茎杆果实微变化、空气温湿度、PAR 等多项环境和生理指标
应用领域
LC-4D 遮光叶室
· 比较不同的种类和处理间的差异
· 适用于阔叶研究
· 在植物生理学、生态学、农学、园艺学、作物栽培学、设施农业、节水农业等诸多领域均可广泛应用在欧洲一些专家将其作为生态环境的长期监测系统，考察地中海沿岸植物环境条件的变化与 CO2 的交换过程在亚洲的韩国和日本，用户利用该系统进行生长箱中作物的长期监测。
测量参数
光合气体交换测量值：CO2 同化速率、蒸腾速率、气孔导度、参比和叶室 CO2 浓度、参比和叶室 H2O 浓度、叶室空气流量、水汽压饱和亏、大气压等外接传感器测量值：植物茎流量、茎杆微变化、树干直径生长量、果实生长量、叶面温度、PAR、空气温湿度、土壤温湿度等
主要技术参数
· 输入叶室数：4
· 叶室面积（可选）：LC-4B 标准 20 cm2；LC-4W 窄叶 10 cm2
· 连接管的标准长度：4 m
· 叶室内空气流速：0.9 ± 0.1 LPM
· CO2 浓度测量范围：0－1000 ppm
· CO2 气体交换测定范围：-40 to 40 µmol CO2 m-2 s-1
· H2O 气体交换测定范围：0 to 50 mg H2O m-2 s-1
· 数字传感器输入通道数：1 PAR、空气温度、空气湿度和叶片湿度 4 in 1 传感器 可附加：土壤温度、含水量和电导率 3 in 1 传感器
· 模拟传感器输入通道数：8
· 模拟信号输入范围：从 0-1 Vdc 到 0-10 Vdc 可编程
· 供电方式（可选）：100-240 VAC 交流电、12 V 可充电电池、太阳能电池板
· 连接串口（可选）：USB 和 GPRS 无线传输
下图是棉花叶片一天的监测结果，这只是一部分传感器的数值对照，该系统可以得到多个传感器数值对照图形，使试验结果更清晰的表现在图上，这样对于研究环境因子变化对植物生理影响更加方便。
PTM-48A 可选传感器探头
6 方案应用展望
这套植物光合生理连续监测的系统解决方案整合了叶绿素荧光连续监测系统MORNITORING-PAM和光合气体交换连续监测系统PTM-48A的强大功能，实现了对植物光合生理及环境因子的全方位立体式连续监测，解决了以往植物研究在时间和空间上的不连续性，能够更为准确迅速地反映环境因子的变化对植物生理特性的影响。系统采集的数据经计算机处理，可实现温室自动控制或农田自动灌溉等功能，这将是高科技农业的重要发展方向。该系统可用于植物生理生态研究、作物栽培、灌溉决策、农业自动化控制、长期定位生态学等多个领域。
上海泽泉科技股份有限公司是一家专注于高端科研设备研发、系统集成、技术推广、销售和服务的高新技术企业。公司注册资金900万元，总部位于上海，在北京设有分公司，在广州、成都分别设有代表处。公司全体员工均具有高等教育背景，其中80%的技术研发、技术支持和销售人员具有硕士和博士学位，参加过很多国家重大科研项目，具有丰富的科研工作经验与一定的学术能力。公司下设泽泉开放实验室，对外进行科研合作和项目研发。
上海泽泉科技股份有限公司是上海市高新技术企业、上海市普陀区科技小巨人企业、上海市科技型企业、中华全国工商业联合会/上海市工商业联合会/上海市商会会员单位，还是上海市专业技术服务平台——生理生态测量与分析平台的依托单位和上海市高新技术成果转化项目承担单位。公司通过了ISO9001:2008质量管理体系认证，并具有AAA级信用资质等级。
上海泽泉科技股份有限公司非常注重自主知识产权的申报和保护，截止2014年8月已获得授权专利和软件著作权30多项，并在国内外发表科研论文20多篇。公司还参与承担了国家自然科学基金重点项目、水利部948项目、上海市技术创新基金和科技小巨人项目等。
上海泽泉科技股份有限公司秉承推进中国生态环境改善、农业兴国的理念，服务涉及植物表型组学和基因组学、植物生理生态、土壤、环境气象、水文水利等领域的科研和技术支持，主要客户为各级科研单位、大学和政府部门。公司先后为科技部“973”项目和“863”项目、国家科技重大专项、国家科技支撑计划、国家“211”工程和“985”工程、中科院知识创新工程、农业部“948”项目、水利部“948”项目、国家海洋局“908”专项等提供技术咨询、仪器设备、系统解决方案和系统集成服务，为项目的顺利完成提供了有力支持。
多年来，上海泽泉科技股份有限公司积极参与相关领域的学术会议，并定期举办相关仪器设备的技术讲座和培训班，在科研和监测领域产生了积极的反响，获得了良好的口碑。截止2014年8月，泽泉科技举办公开技术讲座超过180多场，参会人员超过6600人次；同时在国内外应邀参加学术会议和展会130多次，与相关领域的客户有非常密切的交流合作。
展望未来，上海泽泉科技股份有限公司希望在社会多方资源的支持和关怀下，不断提升自己，为社会提供更多、更优秀的产品和一流的服务！
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