野外長(cháng)期使用PAM進(jìn)行葉綠素熒光測量的實(shí)用指南，
使用R包“LongTermPAM”進(jìn)行設置、安裝、數據處理和解釋
葉綠素熒光技術(shù)是研究植物光合作用光反應調控的“利器”，而脈沖振幅調制(PAM)葉綠素熒光測量更是憑借非侵入性?xún)?yōu)勢，為解析光合功能與葉綠素熒光(ChlF)的機制關(guān)聯(lián)、推動(dòng)遙感太陽(yáng)誘導熒光(SIF)數據解讀提供關(guān)鍵支撐。然而，長(cháng)期野外PAM測量因野外環(huán)境干擾、儀器安裝維護復雜、數據處理困難等問(wèn)題，應用一直受限。
2025年9月4日，Photosynthesis Research在線(xiàn)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，文章針對上述痛點(diǎn)給出了系統性解決方案。該研究不僅提供了長(cháng)期野外PAM系統安裝的詳細指南，還開(kāi)發(fā)了專(zhuān)屬R包“LongTermPAM”用于數據處理，并結合北歐針葉林的實(shí)測數據驗證方法有效性，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(cháng)期野外葉綠素熒光測量的難點(diǎn)主要集中在儀器部署、數據處理和結果解讀三方面，研究團隊圍繞這三大核心問(wèn)題展開(kāi)突破：
儀器部署：定制化安裝方案應對野外挑戰
野外環(huán)境中，風(fēng)力、溫度變化、雨雪等都會(huì )影響儀器穩定性和測量準確性。研究團隊針對木本植物(如Scots pine歐洲赤松、Norway spruce挪威云杉)的生長(cháng)特性，設計了專(zhuān)屬的圓柱形熒光計安裝支架(圖1)，可靈活適配不同枝條形態(tài)(垂直頂枝、水平側枝等)，確保測量頭、葉片、枝條間的相對幾何位置穩定。
圖1 MONI-PAM熒光儀測量頭在松樹(shù)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為水平側枝安裝，確保測量系統穩定。
同時(shí)，研究明確了儀器參數設置的關(guān)鍵原則：
測量光(ML)：需保持強度和頻率穩定，避免干擾最小熒光(Fo)估算。建議在植物生長(cháng)旺盛期(Fv/Fm≈0.8)初始化設置，MONI-PAM系統目標信號范圍為300-500 mV，兼顧信號質(zhì)量與避免飽和。
飽和脈沖(SP)：強度需達6000-10000 μmol m-2 s-1 PAR，持續時(shí)間300-800 ms，確保PSII初級電子受體完全還原；同時(shí)需控制脈沖間隔，減少長(cháng)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(zhù)(紅色LED在-20~20℃間輸出變化達25-30%)，需通過(guò)氣候室校準推導校正函數，避免晝夜/季節溫度差異導致的參數偏差。
數據處理：LongTermPAM R包實(shí)現自動(dòng)化質(zhì)控
野外測量易受露水、積雪、昆蟲(chóng)遮擋等干擾，產(chǎn)生異常數據。手動(dòng)篩選不僅耗時(shí)，還存在主觀(guān)偏差。為實(shí)現數據處理的自動(dòng)化質(zhì)控，研究團隊傾力開(kāi)發(fā)的“LongTermPAM” R包(開(kāi)源地址：https://github.com/chaoxzhang/LongTermPAM)，通過(guò)三步流程實(shí)現數據自動(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)數據準備[readPAM ()函數讀取數據]；(2)數據過(guò)濾(filter1~filter6函數剔除異常值，如低F'、Fm異常、Fv/Fm異常等)；(3)參數計算[diurnalParams ()計算日變化參數，seasonalParams ()計算季節變化參數]，并提供可視化工具評估過(guò)濾效果。
數據準備：讀取MONI-PAM等系統的CSV/txt格式數據，整合PAR、溫度、熒光信號(F'、Fm')等信息；
異常篩選：基于熒光參數的物理意義(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；
參數計算：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(表1)。
表1 依據 Porcar-Castell（2011）的方法從MONI-PAM數據中提取的葉綠素熒光參數
經(jīng)測試，該包可有效過(guò)濾雨雪、露水導致的異常數據，使Fm與Fv/Fm的相關(guān)性(R2)從0.48 提升至0.91，相對均方根誤差(RRMSE)從0.21降至0.09(圖4)，大幅提升數據質(zhì)量。
圖4 2014-2015年歐洲赤松數據中，Fm與Fv/Fm的相關(guān)性(過(guò)濾前vs過(guò)濾后)。左列為過(guò)濾前數據，存在大量異常值(R2=0.48，RRMSE=0.21)；右列為過(guò)濾后數據，異常值顯著(zhù)減少(R2=0.91，RRMSE=0.09)。垂直虛線(xiàn)為參考Fv/Fm=0.83，水平虛線(xiàn)為對應參考最大熒光 Fmr。
結果解讀：PQ-NPQ框架揭示光合調控機制
葉綠素熒光信號與光合功能的關(guān)聯(lián)受光化學(xué)淬滅(PQ，反映光反應能量分配)和非光化學(xué)淬滅(NPQ，反映熱耗散)共同調控。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(xiàn)性關(guān)系；PQ僅影響ΦP，不影響ΦFm，表現為沿ΦP軸的左右偏移。
ΦF(熒光產(chǎn)額)與ΦP：關(guān)系復雜，取決于PQ與NPQ的主導作用——NPQ主導時(shí)呈正相關(guān)，PQ主導時(shí)呈負相關(guān)，二者抵消時(shí)呈中性(圖3c)。
圖3 PQ與NPQ調控下，PSII光化學(xué)產(chǎn)額(ΦP)與熒光參數的理論關(guān)系。a. ΦFm(最大熒光產(chǎn)額，對應Fm'或Fm)與ΦP的關(guān)系：藍色線(xiàn)為NPQ增加的響應，綠色線(xiàn)為PQ增加的響應，NPQ升高時(shí)二者均下降；b.ΦF(熒光產(chǎn)額，對應F'或Fo)與ΦP的關(guān)系：受 PQ和NPQ共同調控；c.過(guò)剩光下ΦF與ΦP的三階段關(guān)系：PQ階段(PQ主導，ΦF隨 ΦP 下降而升高)→NPQ 階段(NPQ 主導，二者同步下降)→光抑制階段(NPQ飽和，PQ再次主導)；黃色箭頭表示PARml、A、αII等因素對熒光信號的比例影響。
結合北歐針葉林的實(shí)測數據(2014-2015年、2016-2017年兩期數據集)，研究驗證了該框架的適用性：冬季葉片Fo、Fm顯著(zhù)下降，Fv/Fm降低，NPQs(持續非光化學(xué)淬滅)升高，反映低溫下植物通過(guò)熱耗散保護光合機構；而林冠上層葉片的NPQs顯著(zhù)高于下層，體現光照環(huán)境對光合調控的影響(圖5、圖6)。
圖5 2014-2015年歐洲赤松(Pine7TOP)的季節尺度熒光參數動(dòng)態(tài)。a. Fo、Fm與 Fv/Fm(ΦPmax)的季節變化：冬季Fo、Fm下降，Fv/Fm降低；b. PQs(持續光化學(xué)淬滅)與 NPQs(持續非光化學(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。
該研究的核心貢獻在于：
方法論突破：首次系統整合了長(cháng)期野外PAM 測量的“安裝-參數設置-數據處理-結果解讀” 全流程指南，降低了技術(shù)門(mén)檻；
工具創(chuàng )新：LongTermPAM R包為海量數據質(zhì)控提供標準化工具，可適配不同PAM系統(如MICRO-PAM)；
圖片來(lái)源：PEPG Workshop現場(chǎng)，感謝荷蘭屯特大學(xué)曾亦鍵老師分享
機制深化：明確了葉片光吸收(A)、PSII/PSI能量分配(αII)、PSI熒光貢獻(CPSI)等因素對熒光參數的影響，為遙感 SIF 數據的地面驗證提供關(guān)鍵依據。
同時(shí)，研究也指出了未來(lái)方向：當前對葉片光吸收、PSI熒光貢獻的野外動(dòng)態(tài)監測方法仍有限，需結合光譜成像、氣體交換等技術(shù)，進(jìn)一步完善光合調控的多尺度觀(guān)測體系；此外，飽和脈沖的“完全飽和假設”(PQ=0)在強NPQ條件下的適用性仍需驗證，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(cháng)期野外PAM測量提供了“從理論到實(shí)踐”的完整解決方案，還為遙感SIF數據的地面驗證和機制解讀搭建了橋梁。通過(guò)明確PQ、NPQ對葉綠素熒光信號的調控規律，未來(lái)可更精準地通過(guò)衛星SIF數據反演生態(tài)系統光合動(dòng)態(tài)，為全球碳循環(huán)研究、氣候變化響應評估提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
對于科研人員而言，無(wú)論是開(kāi)展森林、農田生態(tài)系統的長(cháng)期光合監測，還是探索植物抗逆生理機制，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(guò)原文網(wǎng)頁(yè)獲取全文及補充材料，也可直接在GitHub獲取LongTermPAM包進(jìn)行實(shí)踐。
特別注釋?zhuān)?/span>本研究由芬蘭赫爾辛基大學(xué)大氣和地球系統科學(xué)研究所，德國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WALZ公司的應用科學(xué)家Erhard E. Pfündel博士參與了MONITORING-PAM的系統描述并協(xié)助了論文的寫(xiě)作。
