CN102288591A - 远程无线监测植物叶绿素荧光的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种远程无线监测植物叶绿素荧光的系统，包括：调制荧光仪，测量植物的叶绿素荧光参数；数据采集器，采集调制荧光仪监测到的数据；无线通讯模块，将数据发送到监测中心；通讯天线，将数据通过无线通讯网络发送；太阳能电池板，采集太阳能转换为电能；蓄电池组，存储由太阳能电池板产生的电能作为备用电能，于太阳能发电不足时补充系统的电力供应；光伏控制器，稳定太阳能发电的电压，并使太阳能电池板对蓄电池组充电；电源板，向调制荧光仪、数据采集器、无线通讯模块提供所需的电力供应。相应地，本发明还提供一种远程无线监测植物叶绿素荧光的方法。本发明能够长期、连续地在野外进行更多参数的生态学监测，同时无线远程传输数据。

Description

远程无线监测植物叶绿素荧光的方法和系统

技术领域

本发明涉及植物叶绿素荧光测量技术领域，具体涉及一种远程无线监测植物叶绿素荧光的方法和系统。

背景技术

光合作用是植物的核心代谢过程，是整个生态系统能量流动和物质循环的基础。在野外现场测量植物的光合作用是植物生理生态学研究的热点。常用的方法是携带仪器到野外人工测量植物光合作用的日变化，难以做到长期连续监测。

植物光合作用的测量主要包括气体交换、调制叶绿素荧光、差示吸收和光合放氧等几种技术。目前只有气体交换和调制叶绿素荧光技术适合野外测量。其中调制叶绿素荧光技术被称为光合作用研究的活体探针，它不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程，而且与电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO₂固定等过程有关。多数光合作用过程变化都可通过调制叶绿素荧光反映出来，而其测定不需破碎细胞、不伤害生物体，因此通过研究叶绿素荧光变化来反映光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法，在国际科研界得到了极为广泛的应用(Papageorgiou GC，Govindjee.Chlorophyll a Fluorescence：aSignature of Photosynthesis.Dordrecht：Springer；2004.)。

调制叶绿素荧光技术中常用的荧光参数包括(韩博平，韩志国，付翔.藻类光合作用机理与模型.2003.科学出版社.P.57-78；Schreiber U.Pulse-Amplitude-Modulation(PAM)fluorometry and saturation pulse method：anoverview.In：Chlorophyll Fluorescence：a Signature of Photosynthesis.Edited byPapageorgiou GC，Govindjee，Springer；2004：279-319；Kramer DM，Johnson G，KiiratsO，Edwards GE.New fuorescence parameters for the determination of QA redox stateand excitation energy fluxes.Photosynthesis Research，2004，79：209-218)：

暗适应后的基础荧光Fo；

暗适应后的最大荧光Fm；

实时荧光F；

光适应后的最大荧光Fm’；

最大光合效率Fv/Fm＝(Fm-Fo)/Fm；

实际光合效率Y(II)＝(Fm’-F)/Fm’；

相对电子传送速率rETR＝PAR*Y(II)*0.84*0.5；

光化学淬灭qP＝(Fm’-F)/Fv’＝1-(F-Fo’)/(Fm’-Fo’)或qL＝(Fm’-F)/(Fm’-Fo’)·Fo’/F＝qP·Fo’/F；

非光化学淬灭qN＝(Fv-Fv’)/Fv＝1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo)或NPQ＝(Fm-Fm’)/Fm’＝Fm/Fm’-1；

调节性能量耗散的量子产量Y(NPQ)＝1-Y(II)-1/(NPQ+l+qL(Fm/Fo-1))；

非调节性能量耗散的量子产量Y(NO)＝1/(NPQ+l+qL(Fm/Fo-1))等。

这些荧光参数都具有典型的生物学意义，有着非常广泛的应用。由于在野外测量Fo’非常不方便，且Fo’的数值与Fo非常接近，因此在生态学研究中计算qP、qL、qN等参数时一般用Fo代替Fo’。

对植物的光合作用进行长期连续监测一直是科研人员的梦想。德国WALZ公司推出的连续监测荧光仪MONITORING-PAM，可以连续监测F、Fm’、Y(II)和rETR四个荧光指标(Porcar-Castell A，Pfündel E，Korhonen JFJ，Juurola E.A newmonitoring PAM fluorometer(MONI-PAM)to study the short-and long-termacclimation of photosystem II in field conditions Photosynthesis Research，2008，96(2)：173-179.)，但由于在连续监测过程中软件不具备每天重新测量Fo和Fm的功能，因此无法长期监测qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)等参数。同时测量数据不能远程无线传输，只能人工下载。

申请公布号为CN 101865846A的中国发明专利申请中提到一种植物叶绿素荧光在线监测装置，可以在较大的面积上监测植物的光合作用，但其测量用的光源系统会阻挡太阳的直接照射，因此只适合大棚内的测量，不适合野外的长期生态学监测，同时也不能无线远程传输数据。

纪建伟等(纪建伟，解飞，Harbinson J.LED辐照叶绿素荧光参数检测与控制系统.农业网络信息，2007，(9)：34-37；纪建伟，解飞，Harbinson J.LED激发光源叶绿素荧光参数在线监控系统.农业工程学报，2009，25(4)：145-149)将调制叶绿素荧光仪MINI-PAM与上位机PC连接，建立了一套适合于温室内园艺监测的叶绿素荧光参数在线监控系统，但该系统要求直流电供电，要求电脑作为上位机，不能无线远程传输数据，不适合野外的长期生态学监测。同时该系统也无法获得qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)等参数。

也有用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2100进行连续监测的报道(韩志国，雷腊梅，韩博平：利用调制荧光仪在线监测叶绿素荧光.生态科学，2005，24(3)：246-249)，但只适合1天内的连续测量，并不能长期监测和远程无线传输数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种远程无线监测植物叶绿素荧光的方法和系统，能够长期、连续地在野外进行更多参数的生态学监测，同时无线远程传输数据。

为解决上述技术问题，本发明提供一种远程无线监测植物叶绿素荧光的系统，包括：

调制荧光仪，用于测量植物的叶绿素荧光参数；

数据采集器，与所述调制荧光仪相连接，用于采集所述调制荧光仪监测到的数据；

无线通讯模块，与所述数据采集器相连接，用于将所述调制荧光仪监测到的数据发送到监测中心；

通讯天线，与所述无线通讯模块相连接，用于将所述无线通讯模块要发送的数据通过无线通讯网络发送到所述监测中心；

太阳能电池板，用于采集太阳能转换为电能；

蓄电池组，用于存储由所述太阳能电池板产生的电能作为备用电能，于太阳能发电不足时补充所述系统的电力供应；

光伏控制器，分别与所述蓄电池组和所述太阳能电池板相连接，用于稳定太阳能发电的电压，并使所述太阳能电池板对所述蓄电池组充电；以及

电源板，分别与所述调制荧光仪、所述数据采集器、所述无线通讯模块和所述光伏控制器相连接，用于向所述调制荧光仪、所述数据采集器、所述无线通讯模块提供所需的电力供应。

可选地，所述植物的叶绿素荧光参数包括F、Fm’、Fo、Fm、Fv/Fm、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)，以及光合有效辐射(PAR)和叶片温度(T)。

可选地，所述调制荧光仪为德国WALZ公司提供的MINI-PAM调制叶绿素荧光仪。

可选地，所述调制荧光仪采用光纤作为光信号的传输介质。

可选地，所述光纤与植物叶片之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射。

可选地，所述数据采集器将每天凌晨零时测量的F和Fm’认定为当天该植物的Fo和Fm，用于计算该植物当天的Fv/Fm，以及计算当天此后所有测量中的qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种采用上述任一项所述的系统进行远程无线监测植物叶绿素荧光的方法，包括步骤：

A.将光信号的传输介质对准待测植物叶片，调节所述传输介质与叶片之间的距离，使得初始Ft值在200-500之间；

B.遮住植物叶片，使其暗适应第一时间，打开一个饱和脉冲测量初始Fo和Fm，然后设置每隔一段第二时间打开一个饱和脉冲重复测量F、Fm’、光合有效辐射和叶片温度，直到整个监测周期结束；

C.利用初始Fo和Fm以及上述参数计算第一天的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

D.从第2天开始，设置每天凌晨零时的F和Fm’值为当天该植物的Fo和Fm，用于计算该植物当天的Fv/Fm，并结合当天此后其它时刻的F、Fm’和PAR，计算当天此后所有测量中的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

E.将所有测量数据实时远程传输到监测中心，在客户端软件上显示Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T参数随时间的变化。

可选地，使所述植物叶片暗适应的第一时间为30分钟。

可选地，打开一个饱和脉冲重复测量的第二时间为5分钟至1小时。

可选地，所述光信号的传输介质与植物叶片之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明克服了调制叶绿素荧光监测中无法监测qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数的缺点，用每天凌晨零时测量的F和Fm’认定为当天该植物的Fo和Fm，既可以得出该植物当天的Fv/Fm，又可以计算当天此后所有测量中的qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数。每天凌晨零时测量的F和Fm’都是经过几小时的暗适应后测量的，因此设置软件认定它们为Fo和Fm是合理的。本发明连续监测的参数多，能够更加深入的反映环境因子的改变对植物光合机构内在调节机制的影响。

本发明采用无线通讯，可以将实时测量的数据通过无线通讯网络传送到监测中心，并在客户端软件上实时显示相关荧光参数的动态变化，有助于实验人员实时了解植物光合作用的变化趋势，为科研和生产及时提供监测指标。

本发明采用太阳能供电的工作方式，可以在野外无人值守的情况下长期、连续、在线监测植物的调制叶绿素荧光参数，大大提高了监测频率，获得的数据能够更加理想的反映植物的光合作用随着环境条件改变引起的变化。

本发明采用光纤作为光信号的传输介质，光纤与植物叶片之间呈60度角，完全不会阻挡太阳光的照射，能够更加理想的反映自然光照对植物光合作用的影响。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的远程无线监测植物叶绿素荧光的系统的模块结构图；

图2为本发明一个实施例的远程无线监测植物叶绿素荧光的方法流程图；

图3为本发明一个实施例的远程无线监测人参榕叶绿素荧光参数的变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1为本发明一个实施例的远程无线监测植物叶绿素荧光的系统的模块结构图。该系统100可以安装在野外环境中，实时监测植物的叶绿素荧光参数的变化，并实时远程无线传输数据到监测中心300。如图1所示，该远程无线监测植物叶绿素荧光的系统100可以包括：调制荧光仪101、数据采集器102、无线通讯模块103、通讯天线104、蓄电池组105、光伏控制器106、太阳能电池板107以及电源板108。

在本实施例中，调制荧光仪101可以是一台德国WALZ公司提供的MINI-PAM调制叶绿素荧光仪，其采用光纤作为光信号的传输介质。光纤与植物叶片之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射，用于测量植物的叶绿素荧光参数。其中，该植物的叶绿素荧光参数可以包括F、Fm’、Fo、Fm、Fv/Fm、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T等参数。

另外，数据采集器102与调制荧光仪101相连接，用于采集调制荧光仪101监测到的数据。无线通讯模块103与数据采集器102相连接，用于将调制荧光仪101监测到的数据发送到监测中心300。通讯天线104与无线通讯模块103相连接，用于将无线通讯模块103要发送的数据通过无线通讯网络200发送到监测中心300。太阳能电池板107用于采集太阳能转换为电能。蓄电池组105用于存储由太阳能电池板107产生的电能作为备用电能，于太阳能发电不足时补充系统100的电力供应。光伏控制器106分别与蓄电池组105和太阳能电池板107相连接，用于稳定太阳能发电的电压，并使太阳能电池板107对蓄电池组105充电。电源板108分别与调制荧光仪101、数据采集器102、无线通讯模块103和光伏控制器106相连接，用于向调制荧光仪101、数据采集器102、无线通讯模块103提供所需的电力供应。

图2为本发明一个实施例的远程无线监测植物叶绿素荧光的方法流程图。如图2所示，该远程无线监测植物叶绿素荧光的方法可以包括步骤：

执行步骤S201，操作人员携带仪器到野外实验地点，将光信号的传输介质(例如MINI-PAM光纤)对准待测植物叶片，调节光信号的传输介质与植物叶片之间的距离，使两者之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射，使得初始Ft值在200-500之间；

执行步骤S202，遮住植物叶片，使其暗适应第一时间，例如30分钟，再打开一个饱和脉冲测量初始Fo和Fm，然后设置每隔一段第二时间，例如5分钟至1小时，打开一个饱和脉冲重复测量F、Fm’、PAR和T，直到整个监测周期结束；

执行步骤S203，利用初始Fo和Fm以及上述参数计算第一天的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

执行步骤S204，从第2天开始，设置每天凌晨零时的F和Fm’值为当天该植物的Fo和Fm，用于计算该植物当天的Fv/Fm，并结合当天此后其它时刻的F、Fm’和PAR，计算当天此后所有测量中的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

执行步骤S205，将所有测量数据实时远程传输到监测中心，在客户端软件上显示Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T参数随时间的变化。

图3为本发明一个实施例的远程无线监测人参榕(Ficus microcarpa)叶绿素荧光参数的变化示意图。该盆栽人参榕按常规方式培养，于2011年5月16日开始监测。监测过程详细描述如下：

将MINI-PAM光纤对准人参榕叶片，调节光纤与叶片之间的距离，使得初始Ft值在200-500之间；

用黑布遮住植物叶片暗适应30min，打开一个饱和脉冲测量初始Fo和Fm，然后设置每隔15min打开一个饱和脉冲重复测量F、Fm’、PAR和T，直到2011年6月3日整个监测周期结束；

利用初始Fo和Fm以及F和Fm’参数计算5月16日的Fv/Fm、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数；

从第5月17日天开始，设置每天凌晨零时的F和Fm’值为当天人参榕的Fo和Fm，用于计算人参榕当天的Fv/Fm，并结合本天此后其它时刻的F、Fm’和PAR，计算当天此后所有测量中的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数；

所有测量数据实时远程传输到监测中心，在客户端软件上显示Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T等参数随时间的变化。

从图3可以看出，环境光强PAR呈典型的单峰型变化，叶片温度T随PAR的增强而升高，随PAR的减弱而降低。叶绿素荧光各参数也随PAR的变化而发生明显的日变化波动。其中Fm’、Y(II)、qP和qL表现出白天低，夜晚高的变化规律，F、rETR、qN、NPQ、Y(NO)和Y(NPQ)表现出夜晚低，白天高的变化规律。从5月16日到6月3日的连续监测结果来看，5月25日前后白天叶片温度T最高，此时F和Y(NO)明显降低，Fv/Fm、rETR、Y(II)、qP和qL显著升高，而Fm、Fo、qN、NPQ和Y(NPQ)没有明显变化。表明白天叶片温度升高后，人参榕叶片受强光胁迫的压力减小，但这并不是热耗散保护能力增加的结果，而主要归因于叶片光能利用效率的提高。综上可得出结论，适当提高叶片温度，有利于提高人参榕叶片的光能利用效率，并可降低其受强光胁迫的可能。

本发明克服了调制叶绿素荧光监测中无法监测qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数的确定，用每天凌晨零时测量的F和Fm’认定为当天该植物的Fo和Fm，既可以得出该植物当天的Fv/Fm，又可以计算当天此后所有测量中的qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)等参数。每天凌晨零时测量的F和Fm’都是经过几小时的暗适应后测量的，因此设置软件认定它们为Fo和Fm是合理的。本发明连续监测的参数多，能够更加深入的反映环境因子的改变对植物光合机构内在机制的影响。

本发明采用无线通讯，可以将实时测量的数据通过无线通讯网络传送到监测中心，并在客户端软件上实时显示相关荧光参数的动态变化，有助于实验人员实时了解植物光合作用的变化趋势，为科研和生产及时提供监测指标。

本发明采用太阳能供电的工作方式，可以在野外无人值守的情况下长期、连续、在线监测植物的调制叶绿素荧光参数，大大提高了监测频率，获得的数据能够更加理想的反映植物的光合作用随着环境条件改变引起的变化。

本发明采用光纤作为光信号的传输介质，光纤与植物叶片之间呈60度角，完全不会阻挡太阳光的照射，能够更加理想的反映自然光照对植物光合作用的影响。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种远程无线监测植物叶绿素荧光的系统，包括：

调制荧光仪(101)，用于测量植物的叶绿素荧光参数；

数据采集器(102)，与所述调制荧光仪(101)相连接，用于采集所述调制荧光仪(101)监测到的数据；

无线通讯模块(103)，与所述数据采集器(102)相连接，用于将所述调制荧光仪(101)监测到的数据发送到监测中心(300)；

通讯天线(104)，与所述无线通讯模块(103)相连接，用于将所述无线通讯模块(103)要发送的数据通过无线通讯网络(200)发送到所述监测中心(300)；

太阳能电池板(107)，用于采集太阳能转换为电能；

蓄电池组(105)，用于存储由所述太阳能电池板(107)产生的电能作为备用电能，于太阳能发电不足时补充所述系统(100)的电力供应；

光伏控制器(106)，分别与所述蓄电池组(105)和所述太阳能电池板(107)相连接，用于稳定太阳能发电的电压，并使所述太阳能电池板(107)对所述蓄电池组(105)充电；以及

电源板(108)，分别与所述调制荧光仪(101)、所述数据采集器(102)、所述无线通讯模块(103)和所述光伏控制器(106)相连接，用于向所述调制荧光仪(101)、所述数据采集器(102)、所述无线通讯模块(103)提供所需的电力供应。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植物的叶绿素荧光参数包括F、Fm’、Fo、Fm、Fv/Fm、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制荧光仪(101)为德国WALZ公司提供的MINI-PAM调制叶绿素荧光仪。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制荧光仪(101)采用光纤作为光信号的传输介质。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光纤与植物叶片之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集器(102)将每天凌晨零时测量的F和Fm’认定为当天该植物的Fo和Fm，用于计算该植物当天的Fv/Fm，以及计算当天此后所有测量中的qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)。

7.一种采用上述权利要求1至6中任一项所述的系统进行远程无线监测植物叶绿素荧光的方法，包括步骤：

A.将光信号的传输介质对准待测植物叶片，调节所述传输介质与叶片之间的距离，使得初始Ft值在200-500之间；

B.遮住植物叶片，使其暗适应第一时间，打开一个饱和脉冲测量初始Fo和Fm，然后设置每隔一段第二时间打开一个饱和脉冲重复测量F、Fm’、PAR和T，直到整个监测周期结束；

C.利用初始Fo和Fm以及上述参数计算第一天的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

D.从第2天开始，设置每天凌晨零时的F和Fm’值为当天该植物的Fo和Fm，用于计算该植物当天的Fv/Fm，并结合当天此后其它时刻的F、Fm’和PAR，计算当天此后所有测量中的Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)参数；

E.将所有测量数据实时远程传输到监测中心，在客户端软件上显示Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、rETR、qP、qL、qN、NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)、PAR和T参数随时间的变化。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述植物叶片暗适应的第一时间为30分钟。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，打开一个饱和脉冲重复测量的第二时间为5分钟至1小时。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光信号的传输介质与植物叶片之间呈60度角，不遮挡太阳光的照射。

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