野外長(zhǎng)期使用PAM進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的實(shí)用指南，
使用R包“LongTermPAM”進(jìn)行設(shè)置、安裝、數(shù)據(jù)處理和解釋
葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是研究植物光合作用光反應(yīng)調(diào)控的“利器”，而脈沖振幅調(diào)制(PAM)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量更是憑借非侵入性優(yōu)勢(shì)，為解析光合功能與葉綠素?zé)晒?/span>(ChlF)的機(jī)制關(guān)聯(lián)、推動(dòng)遙感太陽(yáng)誘導(dǎo)熒光(SIF)數(shù)據(jù)解讀提供關(guān)鍵支撐。然而，長(zhǎng)期野外PAM測(cè)量因野外環(huán)境干擾、儀器安裝維護(hù)復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理困難等問題，應(yīng)用一直受限。
2025年9月4日，Photosynthesis Research在線發(fā)表題為“A practical guide to long-term field PAM chlorophyll fluorescence measurements: setup, installation, data processing with R package ‘LongTermPAM’ and interpretation”的研究論文，文章針對(duì)上述痛點(diǎn)給出了系統(tǒng)性解決方案。該研究不僅提供了長(zhǎng)期野外PAM系統(tǒng)安裝的詳細(xì)指南，還開發(fā)了專屬R包“LongTermPAM”用于數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合北歐針葉林的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法有效性，為相關(guān)領(lǐng)域研究提供了重要參考。
使用PAM熒光儀進(jìn)行長(zhǎng)期野外葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的難點(diǎn)主要集中在儀器部署、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果解讀三方面，研究團(tuán)隊(duì)圍繞這三大核心問題展開突破：
儀器部署：定制化安裝方案應(yīng)對(duì)野外挑戰(zhàn)
野外環(huán)境中，風(fēng)力、溫度變化、雨雪等都會(huì)影響儀器穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)木本植物(如Scots pine歐洲赤松、Norway spruce挪威云杉)的生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)了專屬的圓柱形熒光計(jì)安裝支架(圖1)，可靈活適配不同枝條形態(tài)(垂直頂枝、水平側(cè)枝等)，確保測(cè)量頭、葉片、枝條間的相對(duì)幾何位置穩(wěn)定。
圖1 MONI-PAM熒光儀測(cè)量頭在松樹上的安裝實(shí)例。展示定制支架的靈活性，可適配不同枝條形態(tài)：例1-3為垂直頂枝安裝，例4-5為水平側(cè)枝安裝，確保測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定。
同時(shí)，研究明確了儀器參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵原則：
測(cè)量光(ML)：需保持強(qiáng)度和頻率穩(wěn)定，避免干擾最小熒光(Fo)估算。建議在植物生長(zhǎng)旺盛期(Fv/Fm≈0.8)初始化設(shè)置，MONI-PAM系統(tǒng)目標(biāo)信號(hào)范圍為300-500 mV，兼顧信號(hào)質(zhì)量與避免飽和。
飽和脈沖(SP)：強(qiáng)度需達(dá)6000-10000 μmol m-2 s-1 PAR，持續(xù)時(shí)間300-800 ms，確保PSII初級(jí)電子受體完全還原；同時(shí)需控制脈沖間隔，減少長(zhǎng)期光損傷(研究采用30分鐘間隔，日均 PAR劑量可忽略)。
溫度校正：LED光源輸出受溫度影響顯著(紅色LED在-20~20℃間輸出變化達(dá)25-30%)，需通過氣候室校準(zhǔn)推導(dǎo)校正函數(shù)，避免晝夜/季節(jié)溫度差異導(dǎo)致的參數(shù)偏差。
數(shù)據(jù)處理：LongTermPAM R包實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化質(zhì)控
野外測(cè)量易受露水、積雪、昆蟲遮擋等干擾，產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。手動(dòng)篩選不僅耗時(shí)，還存在主觀偏差。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化質(zhì)控，研究團(tuán)隊(duì)傾力開發(fā)的“LongTermPAM” R包(開源地址：https://github.com/chaoxzhang/LongTermPAM)，通過三步流程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理(圖2)。
圖2 LongTermPAM R包的工作流程。包含三個(gè)核心步驟：(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[readPAM ()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)]；(2)數(shù)據(jù)過濾(filter1~filter6函數(shù)剔除異常值，如低F'、Fm異常、Fv/Fm異常等)；(3)參數(shù)計(jì)算[diurnalParams ()計(jì)算日變化參數(shù)，seasonalParams ()計(jì)算季節(jié)變化參數(shù)]，并提供可視化工具評(píng)估過濾效果。
數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：讀取MONI-PAM等系統(tǒng)的CSV/txt格式數(shù)據(jù)，整合PAR、溫度、熒光信號(hào)(F'、Fm')等信息；
異常篩選：基于熒光參數(shù)的物理意義(如F'與Fm' 的比例關(guān)系、量子產(chǎn)額ΦP的合理性)和變化速率(夜間Fm驟變可能為雨雪干擾)，自動(dòng)剔除異常值；
參數(shù)計(jì)算：批量生成光化學(xué)淬滅(PQ)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)及其相關(guān)量子產(chǎn)額(如ΦP光化學(xué)產(chǎn)額、ΦNPQ熱耗散產(chǎn)額)等核心參數(shù)(表1)。
表1 依據(jù) Porcar-Castell（2011）的方法從MONI-PAM數(shù)據(jù)中提取的葉綠素?zé)晒鈪?shù)
經(jīng)測(cè)試，該包可有效過濾雨雪、露水導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)，使Fm與Fv/Fm的相關(guān)性(R2)從0.48 提升至0.91，相對(duì)均方根誤差(RRMSE)從0.21降至0.09(圖4)，大幅提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。
圖4 2014-2015年歐洲赤松數(shù)據(jù)中，Fm與Fv/Fm的相關(guān)性(過濾前vs過濾后)。左列為過濾前數(shù)據(jù)，存在大量異常值(R2=0.48，RRMSE=0.21)；右列為過濾后數(shù)據(jù)，異常值顯著減少(R2=0.91，RRMSE=0.09)。垂直虛線為參考Fv/Fm=0.83，水平虛線為對(duì)應(yīng)參考最大熒光 Fmr。
結(jié)果解讀：PQ-NPQ框架揭示光合調(diào)控機(jī)制
葉綠素?zé)晒庑盘?hào)與光合功能的關(guān)聯(lián)受光化學(xué)淬滅(PQ，反映光反應(yīng)能量分配)和非光化學(xué)淬滅(NPQ，反映熱耗散)共同調(diào)控。研究建立了理論框架(圖3)，明確三者的動(dòng)態(tài)關(guān)系：
ΦFm(最大熒光產(chǎn)額)與ΦP(光化學(xué)產(chǎn)額)：NPQ增加時(shí)，二者均下降，呈非線性關(guān)系；PQ僅影響ΦP，不影響ΦFm，表現(xiàn)為沿ΦP軸的左右偏移。
ΦF(熒光產(chǎn)額)與ΦP：關(guān)系復(fù)雜，取決于PQ與NPQ的主導(dǎo)作用——NPQ主導(dǎo)時(shí)呈正相關(guān)，PQ主導(dǎo)時(shí)呈負(fù)相關(guān)，二者抵消時(shí)呈中性(圖3c)。
圖3 PQ與NPQ調(diào)控下，PSII光化學(xué)產(chǎn)額(ΦP)與熒光參數(shù)的理論關(guān)系。a. ΦFm(最大熒光產(chǎn)額，對(duì)應(yīng)Fm'或Fm)與ΦP的關(guān)系：藍(lán)色線為NPQ增加的響應(yīng)，綠色線為PQ增加的響應(yīng)，NPQ升高時(shí)二者均下降；b.ΦF(熒光產(chǎn)額，對(duì)應(yīng)F'或Fo)與ΦP的關(guān)系：受 PQ和NPQ共同調(diào)控；c.過剩光下ΦF與ΦP的三階段關(guān)系：PQ階段(PQ主導(dǎo)，ΦF隨 ΦP 下降而升高)→NPQ 階段(NPQ 主導(dǎo)，二者同步下降)→光抑制階段(NPQ飽和，PQ再次主導(dǎo))；黃色箭頭表示PARml、A、αII等因素對(duì)熒光信號(hào)的比例影響。
結(jié)合北歐針葉林的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(2014-2015年、2016-2017年兩期數(shù)據(jù)集)，研究驗(yàn)證了該框架的適用性：冬季葉片Fo、Fm顯著下降，Fv/Fm降低，NPQs(持續(xù)非光化學(xué)淬滅)升高，反映低溫下植物通過熱耗散保護(hù)光合機(jī)構(gòu)；而林冠上層葉片的NPQs顯著高于下層，體現(xiàn)光照環(huán)境對(duì)光合調(diào)控的影響(圖5、圖6)。
圖5 2014-2015年歐洲赤松(Pine7TOP)的季節(jié)尺度熒光參數(shù)動(dòng)態(tài)。a. Fo、Fm與 Fv/Fm(ΦPmax)的季節(jié)變化：冬季Fo、Fm下降，Fv/Fm降低；b. PQs(持續(xù)光化學(xué)淬滅)與 NPQs(持續(xù)非光化學(xué)淬滅)：冬季NPQs升高；c. ΦPmax、ΦNPQs、ΦF+D(熒光+組成型熱耗散產(chǎn)額)的動(dòng)態(tài)；d-f. ΦF、NPQ_T、PQ_T 與ΦP的關(guān)系(GAM模型擬合)，符合圖3的理論框架。
圖6 歐洲赤松(Pine7TOP)不同環(huán)境條件下的日尺度熒光參數(shù)動(dòng)態(tài)。a,e,i：冬季低溫低光條件(2015-01-20)，NPQ弱，ΦP波動(dòng)??；b,f,j：早春低溫高光條件(2015-03-18)，NPQ升高，ΦP午間下降；c,g,k：夏季高光條件(2015-06-13)，PQ-NPQ階段明顯；d,h,l：夏季多云低光條件(2015-06-14)，NPQ弱，主要為PQ階段。
該研究的核心貢獻(xiàn)在于：
方法論突破：首次系統(tǒng)整合了長(zhǎng)期野外PAM 測(cè)量的“安裝-參數(shù)設(shè)置-數(shù)據(jù)處理-結(jié)果解讀” 全流程指南，降低了技術(shù)門檻；
工具創(chuàng)新：LongTermPAM R包為海量數(shù)據(jù)質(zhì)控提供標(biāo)準(zhǔn)化工具，可適配不同PAM系統(tǒng)(如MICRO-PAM)；
圖片來(lái)源：PEPG Workshop現(xiàn)場(chǎng)，感謝荷蘭屯特大學(xué)曾亦鍵老師分享
機(jī)制深化：明確了葉片光吸收(A)、PSII/PSI能量分配(αII)、PSI熒光貢獻(xiàn)(CPSI)等因素對(duì)熒光參數(shù)的影響，為遙感 SIF 數(shù)據(jù)的地面驗(yàn)證提供關(guān)鍵依據(jù)。
同時(shí)，研究也指出了未來(lái)方向：當(dāng)前對(duì)葉片光吸收、PSI熒光貢獻(xiàn)的野外動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法仍有限，需結(jié)合光譜成像、氣體交換等技術(shù)，進(jìn)一步完善光合調(diào)控的多尺度觀測(cè)體系；此外，飽和脈沖的“完全飽和假設(shè)”(PQ=0)在強(qiáng)NPQ條件下的適用性仍需驗(yàn)證，需推動(dòng)儀器技術(shù)與理論模型的協(xié)同創(chuàng)新。
該研究不僅為長(zhǎng)期野外PAM測(cè)量提供了“從理論到實(shí)踐”的完整解決方案，還為遙感SIF數(shù)據(jù)的地面驗(yàn)證和機(jī)制解讀搭建了橋梁。通過明確PQ、NPQ對(duì)葉綠素?zé)晒庑盘?hào)的調(diào)控規(guī)律，未來(lái)可更精準(zhǔn)地通過衛(wèi)星SIF數(shù)據(jù)反演生態(tài)系統(tǒng)光合動(dòng)態(tài)，為全球碳循環(huán)研究、氣候變化響應(yīng)評(píng)估提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
對(duì)于科研人員而言，無(wú)論是開展森林、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期光合監(jiān)測(cè)，還是探索植物抗逆生理機(jī)制，這份指南和工具包都將成為重要助力。感興趣的讀者可通過原文網(wǎng)頁(yè)獲取全文及補(bǔ)充材料，也可直接在GitHub獲取LongTermPAM包進(jìn)行實(shí)踐。
特別注釋：本研究由芬蘭赫爾辛基大學(xué)大氣和地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，德國(guó)WALZ公司，Hyyti?l? 森林站，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院共同合作完成，德國(guó)WALZ公司的應(yīng)用科學(xué)家Erhard E. Pfündel博士參與了MONITORING-PAM的系統(tǒng)描述并協(xié)助了論文的寫作。
