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LI-6400光合作用测定系统-原理、性能、基本操作与常见故障的排除


996,13(增刊) 72:72 植物学通报刊 996,13(增刊) 72-76 : Chinese Bulletin of Botany

LI光合作用测定系统:原理、性能、 LI-6400 光合作用测定系统:原理、性能、 基本操作与常见故障的排除
蒋高明 (中国科学院植物研究所,北京 100093) LI-6400 PORTABLE PHOTOS

YNTHESES SYSTEM: : PRINCIPLE,FUNCTION,BASIC OPERATION , , AND MAIN PROBLEMS AND SOLUTIONS DURING MEASUREMENT Jiang Gao-ming (Institute fo Bolany,Academia Sinica,Beijing 100093) LI-6400 光合作用系统(LI-COR,1995)是美国拉哥公司在已有的 LI-6200(LI-COR,1990)光 合作用系统基础上改进而来。LI-6200 为封闭型光合作用测定装置,在测定过程中叶室内的 CO2 浓 度不断减少或升高,仪器根据一定时间内 CO2 浓度的变化以及气体流速、温度、大气压等环境参数 计算光合作用或呼吸作用速率.这种设计的主要缺陷是;在光合作用测定过程中,叶室封闭,CO2、 水分、温度等变化很大,影响植物正常的气体交换。鉴于此,拉哥公司新近推出了 LI-6400 开放型 光合作用系统,于 1995 年 2 月份上市.作者在美国哥伦比亚大学生物圈二号研究中心工作期间, 利用这种仪器在该中心内进行了半年的光合作用测试,取得了一定经验.鉴于我国植物生理生态工 作者可能在不久将接触此仪器,加上该仪器的英文说明书为专业人员所写,涉及仪器工作原理内容 较多,某些操作步骤介绍过繁,而另一些步骤则过简或不提及,可能使初用者感到困惑;另外,我 们在美国使用该仪器过程中发现的问题,可直接与拉哥公司联系解决,这在国内难以做到.因此; 特将该仪器主要原理、性能、基本操作步骤、常见故障分析等问题,总结出来,以期对我国有关科 研人员使用此仪器时有所帮助。

原 理 在 LI-6200 的基础上,LI-6400 光合作用系统在两个方面作了明显的改进:第一,气路为开放 式,即从进气口进入仪器主机的气体经主机内部流速测定计后一分为二,25%进入参考气体红外分 析仪;75%进入样品气体红外分析仪,然后气体各自排出仪器,气路开放.除这种方式 外,仪 器在自动平衡(Automatch,是测定过程中重要的步骤,下面还要介绍) ,从样品气体红外分析仪排 出的气体进入参考气体红外分析仪再排出机外。第二,CO2 与 H2O 的红外分析部位在探头上,与叶室 紧紧相联,这样缩短了气体流动过程中气路过长产生的误差。 在光合作用测定过程中,有两种光源可供选择:一是自然光,用透明叶室;二是自动光源(为 红光) ,此时将叶室的透明部分换成含产生光的部分(用自动光源时需事先设定程序).用自动光源 测定时可测定植物的最大光合作用(Amax,即达到光饱和点时的光合作用)以及光合作用/光照强 度曲线。 测定时,仪器根据参考气体与叶室气体 CO2 浓度差、气体流速、叶面积等参数计算光合作用或 呼吸作用速率;根据参考气体与叶室气体 H2O 浓度差、气体流通、叶面积等参数计算蒸腾速率;根 据参考气体 H2O 与叶室 H2O 浓度与蒸腾速率计算叶面水分总导度;又据此以叶片两面的气孔密度比
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率计算水分气孔导度即气孔导度(其倒数即为气孔阻力) ;根据气孔水分导度、叶片两面气孔密度 比率、叶面边界层阻力计算气孔对 CO2 的导度;最后,据气孔 CO2 导度、蒸腾速率、参考气体 CO2 浓度、光合速率计算间 CO2 浓度(Ci) 。有运算均由内部计算机系统完成,可在仪器的荧光屏上直接 读数.故 LI-6400 能够测定的植物光合与水分生理指标有:净光合(呼吸)速率、蒸腾速率、总气 孔导度、气孔导度或气孔阻力、胞间 CO2 浓度等.另外,叶室内装有温度与湿度探头;外有光照强度 探头.在测定过程中能够自动记录的重要环境参数有:大气 CO2 浓度、大气湿度、叶面温度、大气温 度、光照强度等.上述植物生理指标与环境参数测定可在数秒内完成。仪器自动存储在电脑部位. 除此之外,其他参数如叶面水汽压降、叶面相对湿度、叶面积、叶室 CO2 浓度、叶至 H2O 浓度等, 以及仪器工作状态参数如电池寿命、记录时间、气体脉冲信号等连同上述实测与计算的数据与参数 共有 70 项,一并记录于电脑中,供研究者分析数据时参考。

性 能 从上述的介绍可以看出, LI-6400 功能非常完备,且测定迅速.但是,所获数据尤其是计算数 据的可靠性完全有赖于操作者对仪器性能的了解、测定前仪器的标定、仪器工作状态,更重要的是 使用者的经验及其植物生理生态学基础.在数秒内测定的 70 种数据与参数在什么时候贮存, 要求操 作者有非常好的经验.否则,仪器记录的数据可能是错误的。 但是,只要仪器标定好并进入工作状态后,仪器测定的数据是非常精确的.另外,该仪器在光 合作用生理研究方面具有两种独特的程序是 LI-6200 或一般光合作用测定系统所不具备的.即光合 作用/光照强度曲线和光合作用/胞间 CO2 曲线.前一条曲线的测定要求自动光源、 充气塑料袋 (约 20L)和气泵,在恒定的 CO2 浓度、气温和相对湿度下测定.后一条曲线的测定要求辅助的 CO2 混合 ,由拉哥公司研制,于 1996 年 2 月上市,能够产生一系列的 CO2 浓度.从光合作用/ 器(CO2Mixer) 光照强度曲线上可以得知植物的光补偿点和光饱和点以及光能利用效率等;从光合作用/胞间 CO2 浓度曲线上可以得知植物的 CO2 补偿点和饱和点、羧化效率与 RuBP(l,5-二磷酸核酮糖)核化酶 活性等.这两条曲线的研究是当今全球变化生态学研究中的植物生理生态学的重要内容.可直接在 屏幕上显示曲线并存储数据。而用其他光合作用仪器测定时则费时费力,另外数据的变异性大。 LI-6400 主要性能指标有:工作温度 0-50C,相对湿度 10-90%(>92%时仪器拒绝工作或停机) ; -1 -1 -1 CO2 红外分析仪测定范围 0-3000?mol mol ,分辨率 0.1?mol mol ,在 0-1500?mol mol 之间误差为 -1 -1 ±5?mol mol ,1500-3000 之间为±10?mol mol ;2O 红外分析仪测定范围为 0-7kPa 或露点温度 H (Dew –2 -1 point)40C,分辨率 0.001kPa,误差<0.006kPa;光感应器测定范围为 0-3000?mol S ,分辨率 -2 -1 <l?mol m pm。 lm”s ,误差±.7%。 2 该仪器的特点也是缺陷之一是能够测定的叶面积很小,标准仅为 6cm ,因而当测定的数据放大 2 (即用每平方米每秒表示光合速率或呼吸速率)时,对叶面积的要求很严.优点是对叶面积<6cm 的叶如针叶、鳞叶或小型条状叶等也可测定,只要采集叶标本,用叶面积仪测定出叶面积后即可再 次对数据计算(仪器记录当时的一切参数,输入新的叶面积后可得确切的数据;同理,因海拔高度 改变引起的大气压等参数变化也可改变后重新计算) 。

基本操作要点 (一)仪器标定 LI-6400 在使用前必须标定,约需 1 小时完成.如一天内连续测定,早晨标定一次即可。标定 (浓度高于被测环境 CO2 浓度) 和湿度发生器.湿度发生器可与 LI-6400 同时购置, 需用标准 CO2 气体

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拉哥公司具 LI-610 露点湿度发生器(LI-COR,1993).该仪器为仪器标定过程所必需,缺乏则无法 完成仪器标定,故购置 LI-6400 时宜同时购买 LI-610 露点湿度发生器.标定要点如下: l.开机预热 20 分钟。同时打开 LI-610 露点湿度发生器预热。 2.进入 Open(开机)状态,按 f3 键,进入 Calibration(标定)状态。 3.将 CO2 去除剂(碱石灰) 和水分干燥剂 (均在主机左侧)上方的开关彻底打开(逆时针方向) , 这样气流经 CO2 去除剂和水分干燥剂后,变成无 CO2 和 H2O 的空气进入红外分析部位。 -1 4.选择 Flow Rate Zero(流速调零) ,调气体流速为 0,以电信号±1mVmin 为准.用荧屏左右 的上下红色箭头键调节(下同) 。 5.选择 IRGA Zero(红外气体分析仪调零).首先调 C O。为零,再调 H2 O 为零,用 f1,f2, -1 -1 f3 功能键调之.要求 CO2 达到±0.15?mol mol ,H2O±0.01mmol mol 。 6.完成上述步骤后,将 CO2 去除剂和 H2O 干燥剂开关彻底关闭(顺时针方向,说明书上未提及 此步骤).然后将探头上进入样品分析室的塑料管(带黑色环者)打开,并与标准 CO2 钢瓶塑料管连 接。 7.选择 IRGA Span(红外气体分析仪调跨度),然后分别调 CO2-A 和 CO2-B(参考气体和样品气体 -1 CO2 红外分析仪,下同) ,用上下箭头调节,直至与标准气体 CO2 浓度相差±1?mol mol 以内。 8.将上述打开处与 LI-610 露点湿度发生器连接.在 LI-610 随带的室温、相对湿度与露点温度 关系图上查出在标定工作环境温度下希望得到的相对湿度(应以测定地点的环境湿度为准) ,并在 职 LI-610 上设置该温度.在 IRGA Span 状态下,选择 H2O-A 和 H2O-B(参考气体和样品红外 H2O 红外 分析仪,下同) ,并以 LI-610 标定之,以露点温度相差外 0.01C 为准。 9.完成上述标定后, 选择 STORE flow Rate 流速调零存盘) Sore Zero & Span Information(红 ( 和 外分析仪调零、调跨度存盘)存储标定参数,这样仪器即可在标定的状态下工作。 (二)测定 10.在 Open 状态下,按 f4 键,进入 New Measurement(测定)状态。 11.打开叶室,夹住被测植物叶片,使叶在叶室内的方向与其着生方向一致(用自动光源时不 2 必作此要求).若被测叶片面积<6cm ,则应准备塑料袋采集新鲜标本,待野外测定完成后回室内 测定叶面积,或来不及测定时可暂存冰箱内待测。 12.待荧屏上 CO2-A、CO2-B、H2O-A、H2O-B、光合作用、蒸腾作用等显示的数据基本稳定后(约 需 3 分钟) ,按数字 6,进入 Autolog(自动存储)状态.测定过程中,LI-6400 有三种数据存储命令, 另两种为 Log(存储)和 Std File Dialog(以文件形式的数据存储) ,三种方式比较起来以 Autolog 易操作。 13.在 Autolog 状态,给定文件名,输入测定次数(3-4 次即可) 、时间间隔(8-10 秒即可) 、 仪器自动平衡(Automatch)的次数(2 次即可),Automatch 非常重要,LI-6400 在此命令下能够自 动调整 CO2-A、CO2-B 或 H2O-A、H。0-B,使它们对同一气体浓度读数一致。因为 LI-6400 根据两套 红外分析仪的 CO2 和 H2O 浓度差计算光合作用和蒸腾作用,若它们对同一气体的浓度读数不一致, 难以保证数据质量。 14.按数字 1,观察仪器测定和存储数据的次数,待完成给定的次数后,按 f3 关闭文件,进行 下次测定. 15.如在同一天内进行多次测定,可连续使用同一文件名,只是在 Remark(标志)时,以不同 的植物名称或地点或样品号区别之。 (三)数据转存计算机和文件删除 LI-16400 内存空间较小,约存 20 个左右的文件(相当于连续 20 天的观测数据文件)后,空 间即满,必须将数据转存计算机井删除文件腾出空间后仪器才能继续工作. LI-6400 自备与 PC 微

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机兼容的软件,将其装入计算机后可通过电缆将数据转入计算机。 16.在 Open 状态下,按 f3 进入 Utility(应用)状态。 17.在要转移的文件前标志(按回车键即可,再次按动则标志消失).联机后用 Prnit 命令将 数据转移。 18.文件删除时,首先标志待删文件,按 Disk(或 k) ,然后再按 Space(或 s),最后按任意键 可删除标志文件。 以上是 LI-6400 操作中的一些关键步骤,具体操作很复杂.应仔细弄懂仪器原理后,依照说明 书(LI-COR,1995)步骤操作。

常见故障及其排除 下述现象在仪器使用过程中可能会发生,有些并非仪器出毛病,只是仪器未进入工作状态 而已.但即使非常小的问题仪器也会拒绝工作或数据不准,所以操作过程中发现问题后应及时 纠正。 l.开机后荧光屏不显示.需要更换电池.仪器使用过程中,至少需要 4 个 LI-6400 特制电池(每 次两节,与 LI-6200 通用).一般<11。5V 时仪器提出警告,留 1-2 分钟更换电池,如来不及更换 时仪器自动关机,这样易丢失数据.故最好提前更换,两节新充好电的电池最多连续使用 4 小时。 -1 即 H 2.仪器标定时 CO2 和 H2O 无法调零, CO2 零点达不到±0.01?mol mol , 2O 达不到±0.01mmol -1 mol .这时需要更换碱石灰和水分干燥剂。 3.荧屏出现 High Humidity Alert(高湿度警告).这种情况出现有两种可能原因:其一,仪 器从低湿度移到高湿度的地方,如从相对湿度<50%处移到>90%处,而温度差异不大;其二,仪器 从低温度(如<15C=移到高温度(如>30C)且湿度较高(>70%但<90%=的地方,这时水汽在冷 的叶室内凝结.出现第一种情况时,可将水分干燥剂开关打开少许,使干燥空气吹向叶室,待警告 消失后关闭干燥剂;第二种情况下,只要不打开叶室,使其温度升高,适应新的温度后警告可自动 消失。 4.荧屏出现 IRGA(s)Not Readyy(红外分析仪未就绪).这种现象的出现也有两种情形:一 是将仪器设在 Sleep(即仪器”睡眠’ ,人离开 l-2 小时以上时,为保证仪器正常工作状态,且又 为节省电池用此命令)后,重新“弄醒”它时会出现这种信号,过 2-3 分钟后自动消失,故不必 理会它;二是探头与主机之间的连接插口松动,此时警告一直消失不了.应检查一下插口或拧紧固 定螺丝,即可恢复工作状态(这一故障的出现令初使用者很难发现原因,因说明书上没有提及) 。 5.荧屏出现 Out of Disk Space(内存空间已满).此时需要将主机存入的数据转移到计算机, 并删除文件,腾出空间.每次开机后,仪器自动显示硬盘空间,若发现可用空间<90%时,最好清 理文件后再行测定。 6.CO2-A 与 CO2-B 或 H2O-A 与 H2O-B 在叶室无叶片时读数不一致(可关闭叶室检验).在无叶片 -1 时两套分析仪的读数应一致,即 CO2 和 H2O 理论上应为零,实际上只要达到 CO2<0.5?mol mol 和 -1 H2O<0.05 ?mol mol 即可正常使用.出现读数不一致时需要重新标定仪器。 7.测定过程中光合作用或蒸腾作用的数据跳动很大,尤其 CO2 读数不稳.此时可能叶室密封膜 漏气,换上新的专用软膜(LI-6400 附件)后即可恢复正常。 8.为防止人呼吸引起仪器进气口 CO2 浓度不稳定,测定时要在进气口处接一长塑料软管 (1-1.5m),使参考气体进入仪器的部位远离操作者.但务必注意此管不能落地,否则易吸进尘土, 使读数降低,严重时损坏红外分析仪.在标定时,出现不能调零和调跨度,也可能与机器吸入尘土 有关.打开机器清理尘土后,仪器可恢复工作状态。 9.在用自动光源的情况下,光合作用读数过低或植物间光合作用无差异.此时应检查叶室

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内是否有光缆产生,若无光,可能是忘记设置光强度;若设置后仍无反应,则可能是光源与探头之 间的连接口松动,将其拧紧可获得光线.另外,在测定夜间呼吸时,若测得的呼吸作用为正值,则 是忘记关闭光源,植物仍在有光线的情况下进行光合作用.可在 New Measurement 状态下,连续按 Lable 键,找到 Lamp(灯光) ,输入 0 值,即关闭自动光源。

参考文献 参考文献 LI-COR.1995.LI-6400 Portable Photosynthesis System Primer.Lincoling.Nebraska.U.S.A. LI-COR.1990.The LI-6200 Primer An Introduction to Operating the LI-6200 Portable Photosynthesis System.Lincolin.Ne-braska.U.S.A.

LI-COR.1993.LI-610 Portable Dewpoint Generator Primer.Lincolin.Nebraska.U.S.A.
本文作者在美国哥伦比亚大学生物圈二号研究中心访问研究期间完成,主要经费来自世界银行款中国生态系统研究网络(CERN)项 目,部分资助来自生物圈二号研究中心,特致谢.

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