本發(fā)明屬于大田作物光合生理測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大田條件下基于生理模型的光合測(cè)定誤差校正方法。

背景技術(shù)：

大田條件下光合測(cè)量被認(rèn)為能夠體現(xiàn)植物在自然生長(zhǎng)條件下的光合生理狀況，因此它的測(cè)量非常重要。但是由于田間條件下光照、溫度、空氣濕度等自然條件時(shí)刻在變化，影響著葉片光合的測(cè)定，因此田間條件下光合生理指標(biāo)測(cè)定難度很大。現(xiàn)有的方法是在較短的時(shí)間內(nèi)完成光合測(cè)定，并保證一定的測(cè)量重復(fù)。這樣的方法會(huì)導(dǎo)致樣品測(cè)量重復(fù)之間誤差較大，可重復(fù)性差。尤其針對(duì)較大樣本時(shí)(≥20)測(cè)量不準(zhǔn)確，試驗(yàn)誤差大。從而限制了田間環(huán)境下光合生理指標(biāo)的測(cè)定。

以水稻葉片為例，在光合測(cè)定過程中，光合值易受溫度與空氣濕度變化的影響，測(cè)量結(jié)果誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)光合生理生態(tài)的最新研究結(jié)果，環(huán)境溫度對(duì)光合系統(tǒng)各種酶參數(shù)的影響系數(shù)已知(如表1所示)；環(huán)境濕度對(duì)葉片氣孔的開度影響已知(公式2)。但是，環(huán)境變化(溫度、濕度)對(duì)光合作用整體的影響還不確定，我們通過整合光合生理模型，大氣水蒸汽壓(空氣濕度)對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響，溫度對(duì)生理生化參數(shù)(V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo,R_d)的影響，建立的公式4，可以準(zhǔn)確校正光合值到同一空氣溫度與濕度條件下，從而去除由環(huán)境條件變化引起的誤差。這個(gè)方法簡(jiǎn)單、機(jī)理性強(qiáng)、適用范圍廣。

本發(fā)明所述的大田條件下基于生理模型的光合測(cè)定誤差校正方法，包括以下步驟：

(1)測(cè)量：選擇晴天天氣進(jìn)行大田光合測(cè)定，測(cè)量時(shí)，利用光合儀同時(shí)記錄光合值A(chǔ)、大氣水蒸氣壓差值D_s、溫度值T_K；

(2)校正：分別將測(cè)量光合時(shí)環(huán)境條件值大氣水蒸氣壓差值D_{s標(biāo)準(zhǔn)}、溫度值T_{K標(biāo)準(zhǔn)}，與需要校準(zhǔn)到的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的條件值大氣水蒸氣壓差值D_{s標(biāo)準(zhǔn)}、溫度值T_{K標(biāo)準(zhǔn)}，分別代入校正公式(6)得到A_Ds,TK與得到A_{Ds標(biāo)準(zhǔn),TK標(biāo)準(zhǔn)}，然后利用公式(7)進(jìn)行校正，

A_{校準(zhǔn)}＝A+(A_{Ds標(biāo)準(zhǔn),TK標(biāo)準(zhǔn)}–A_Ds,TK) (7)

其中，A_{校準(zhǔn)}為校準(zhǔn)后的光合值；A為光合實(shí)測(cè)值；A_{Ds標(biāo)準(zhǔn),TK標(biāo)準(zhǔn)}為需要校準(zhǔn)到的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的光合值

A_Ds,TK與A_{Ds標(biāo)準(zhǔn),TK標(biāo)準(zhǔn)}由公式(6)計(jì)算得到：

其中

a＝a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)][C_s+K_mc(1+O/K_mo)]-1

b＝{C_sa₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]+K_mc(1+O/K_mo)a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]-1}R_d+[C_s+K_mc(1+O/K_mo)]g_o–

{C_sa₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]–Γ_*a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]-1}V_cmax

c＝{[C_s+K_mc(1+O/K_mo)]R_d-(C_s-Γ_*)V_cmax}g_o

其中，O為氧氣濃度為常量210mmol mol^-1，C_s為空氣中二氧化氮濃度為常量400μmolmol^-1；a₁和D_o為公式系數(shù)；V_cmax是Rubisco酶最大羧化效率；Γ_*為不考慮呼吸作用(R_d)下的CO₂濃度平衡點(diǎn)；K_mc和K_mo分別為CO₂和O₂的米式常數(shù)；R_d為葉片呼吸作用；g_o為氣孔導(dǎo)度余數(shù)；Γ為CO₂補(bǔ)償點(diǎn)由如下公式(3)計(jì)算得出；參數(shù)V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo,R_d對(duì)溫度的響應(yīng)由如下公式(4)計(jì)算得出；

x＝x₂₅exp[c–ΔH_a/(RT_K)] 公式(4)

其中R為摩爾氣體常數(shù)，T_K為葉片開氏溫度，c和ΔH_a為公式中系數(shù)，x₂₅為該參數(shù)25攝氏度(開氏298.15K)，其中相關(guān)參數(shù)值參見表1；

表1

表中參數(shù)R_d,V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo的值為25攝氏度下的值，其隨溫度變化規(guī)律遵循公式(4)。

本發(fā)明方法中所述需要校準(zhǔn)到的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定，例如推薦標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的設(shè)定為：D_s為1.5kPa，T_K為25攝氏度；那么A_{Ds標(biāo)準(zhǔn),TK標(biāo)準(zhǔn)}為A_1.5,25。

本發(fā)明方法通過光合生理模型可以定量環(huán)境因子(如溫度、濕度)對(duì)光合的影響，從而根據(jù)光合測(cè)定過程中溫度、濕度的變化值做相應(yīng)的校正。大氣水蒸氣壓差值D_s、溫度值T_K對(duì)光合的影響如圖1、圖2所示(由公式6得到)。該方法基于生理學(xué)知識(shí)，適用性廣，機(jī)理性強(qiáng)，計(jì)算方便，結(jié)果精確可靠。

附圖說明

圖1.利用生理校正模型對(duì)大氣水蒸氣壓差值D_s校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。

圖2.利用生理校正模型對(duì)溫度值T_K校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一，校準(zhǔn)模型的建立

本校正方法包括三部分：光合生理生化模型公式，大氣水蒸汽壓(空氣濕度)對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響公式，溫度對(duì)生理生化參數(shù)的影響公式和解方程部分。

(1)光合生理生化模型公式

其中A為光合值；V_cmax是Rubisco酶最大羧化效率；C_i為胞間CO₂濃度；Γ_*為不考慮呼吸作用(R_d)下的CO₂濃度平衡點(diǎn)；K_m為米氏方程參數(shù)，它的值為K_mc(1+O/K_mo)，其中K_mc和K_mo分別為CO₂和O₂的米式常數(shù)，O為氧氣濃度為常量210mmol mol^-1；R_d為葉片呼吸作用。

(2)大氣水蒸汽壓(空氣濕度)對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響公式

g_s＝g_o+Af_vpd公式(2)

該公式反映了空氣濕度對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響，從而影響了光合值。其中g(shù)_s為氣孔導(dǎo)度；g_o為氣孔導(dǎo)度余數(shù)；f_vpd為空氣濕度對(duì)光合的影響項(xiàng)，它的值為a₁/[(C_s–Γ)(1+D_s/D_o)]，其中D_s為大氣水蒸氣壓差值；C_s為空氣中二氧化氮濃度為常量400μmol mol^-1；a₁和D_o為公式系數(shù)。Γ為CO₂補(bǔ)償點(diǎn)可由如下公式算出：

(3)溫度對(duì)生理生化參數(shù)(V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo,R_d)的影響公式

V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo,R_d對(duì)溫度相應(yīng)符合函數(shù)：

x＝x₂₅exp[c–ΔH_a/(RT_K)]公式(4)

其中R為摩爾氣體常數(shù)，T_K為葉片開氏溫度，c和ΔH_a為公式中系數(shù)，x₂₅為該參數(shù)25攝氏度(開氏298.15K)。

(4)解方程

通過解方程組(1)(2)和公式C_i＝C_s–A/g_s公式(5)可以得到：

其中

a＝a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)][C_s+K_mc(1+O/K_mo)]-1

b＝{C_sa₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]+K_mc(1+O/K_mo)a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]-1}R_d+[C_s+K_mc(1+O/K_mo)]go–

{C_sa₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]–Γ_*a₁/[(C_s-Γ)(1+D_s/D_o)]-1}V_cmax

c＝{[C_s+K_mc(1+O/K_mo)]R_d-(C_s-Γ_*)V_cmax}g_o

其中公式(6)中參數(shù)V_cmax,Γ_*,K_mc,K_mo,R_d對(duì)溫度的響應(yīng)利用公式(4)計(jì)算得出。

(5)校準(zhǔn)

分別將測(cè)量光合時(shí)環(huán)境條件值(大氣水蒸氣壓差值D_s、溫度值T_K)與需要校準(zhǔn)到的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的條件值(如D_s為1.5kPa,T_K為25攝氏度)分別代入校正公式(6)得到A_Ds,TK與A_1.5,25，然后公式(7)校正

A_{校準(zhǔn)}＝A+(A_1.5,25–A_Ds,TK)公式(7)

其中，A_{校準(zhǔn)}為校準(zhǔn)后的光合值；A為光合實(shí)測(cè)值；A_1.5,25為將D_s＝1.5kPa,T_K＝25攝氏度代入公式(6)計(jì)算的光合值；A_Ds,TK為將測(cè)量光合時(shí)環(huán)境條件下D_s、T_K代入公式(6)計(jì)算的光合值。

實(shí)施例二，

第一步測(cè)量：選擇晴天天氣進(jìn)行大田光合測(cè)定，首先按照操作手冊(cè)調(diào)試光合儀，待光合儀調(diào)試完畢后機(jī)器預(yù)熱半個(gè)小時(shí)。測(cè)量條件設(shè)置：葉室中光照強(qiáng)度設(shè)為1000或1500μmol m^-2s^-1光量子強(qiáng)度，流速設(shè)為400μmol s^-1。打開葉室，夾好葉片，閉合葉室。等待2-3分鐘，待光合值穩(wěn)定后按下記錄按鈕。

第二步：測(cè)量完畢后用數(shù)據(jù)線連接電腦和光合儀，連接成功后，選擇當(dāng)天測(cè)量數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)街付ㄎ恢?。用Excel打開數(shù)據(jù)文件，找到測(cè)量的光合值A(chǔ)、大氣水蒸氣壓差值D_s、溫度值T_K；設(shè)置需要校準(zhǔn)到的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件是D_s為1.5kPa，T_K為25攝氏度，把以上數(shù)據(jù)代入以上本發(fā)明的校準(zhǔn)公式中，校準(zhǔn)至同一測(cè)量溫度與大氣水蒸氣壓條件下，數(shù)據(jù)如表2。

表2.將自然環(huán)境中(大氣水蒸氣壓差值D_s、溫度值T_K)測(cè)量的光合值校正至標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下(如本例中D_s為1.5kPa，T_K為25攝氏度)