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更新时间:2026-10-22
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在农业生产中,作物的光合作用是决定产量的 “核心引擎"—— 它将二氧化碳和水转化为有机物质,直接影响最终的生物量(干物质产量)。但长期以来,科研人员和农户面临一个难题:如何快速、准确地监测光合作用动态,避免传统方法 “耗时、昂贵、参数僵化" 的痛点?
近期发表在《Smart Agricultural Technology》(2025 年,期刊 DOI:10.1016/j.atech.2025.100807)的一项研究给出了答案:通过手持光合表型设备 :MultispeQ 多功能植物测量仪,结合作物模型与遥感技术,成功实现了马铃薯光合能力与生物量的精准估算,18 个试验案例中 16 个显著降低了模拟误差。今天我们就聚焦这款 “田间光合监测利器",结合研究中的具体测量结果,看看它如何为精准农业注入新动能。

一、传统光合监测的痛点:为何需要 MultispeQ?
要理解 MultispeQ 的价值,首先得直面传统光合研究的局限 —— 这些问题在马铃薯种植监测中尤为突出:
1. 设备笨重且昂贵:传统测量依赖大型气体交换仪(如 LI-6800),不仅价格高,还需专业人员操作,难以在田间大规模、高频次使用;
2. 参数 “一刀切":过去常用文献中的 “固定光合参数"(如最大光合能力 Amax=33 kg CO₂ ha⁻¹ hr⁻¹)估算作物生长,但研究发现,马铃薯的 Amax 受土壤、品种、氮素等影响差异显著(如荷兰两个试验田 Amax 均值相差超 10 kg CO₂ ha⁻¹ hr⁻¹),固定参数会导致 25% 的生物量模拟误差;
3. 耗时且破坏性:叶片叶绿素、生物量等关键指标需破坏性采样(如采摘叶片烘干称重),无法持续跟踪同一植株的光合变化,且单次采样需 48 小时以上(70℃烘干)。
而 MultispeQ 的出现,恰好解决了这些痛点 —— 它是一款用户友好的手持便携设备,能非侵入性地快速获取关键光合参数,为动态监测提供可能。
二、MultispeQ:田间光合监测的 “全能小助手"
1. 核心能力:能测什么?实测频率如何?
研究中,MultispeQ 主要采集 5 类关键参数,覆盖光合、光照、叶绿素与温度,为后续建模提供核心数据:
• 光合效率指标:光系统 II 效率(phi2)、电子传递速率(ETR)—— 这两个参数直接反映叶片光合作用的 “活跃程度",phi2 越高,说明光系统 II 利用光能的效率越强;
• 环境与叶片状态:光合有效辐射(PAR,转换为 W/m²)、叶片温度(Tl,℃)—— 记录环境对光合的实时影响;
• 叶绿素信息:相对叶绿素含量(RCps)—— 通过设备自带的光谱检测,间接反映叶片的氮素水平与光合潜力。
更关键的是,这些测量无需破坏叶片:只需将设备 “夹在" 叶片上,按流程操作即可,单次测量耗时短,适合田间批量采样(研究中每块试验田选 5 片wanquan展开的向阳叶,双周测量一次)。
2. 数据可靠性:精度够不够?
研究团队专门验证了 MultispeQ 的测量精度:
其测得的 “相对叶绿素含量" 与实验室破坏性测量的真实叶绿素含量高度相关,线性回归方程为Cab = -18 + 1.1×RCps,相关系数(R²)接近 1,相对均方根误差(RRMSE)仅 0.07—— 意味着用 MultispeQ 测相对叶绿素,能精准反推真实叶绿素水平;

结合 FLUSPECT 模型(叶片光学辐射传输模型),MultispeQ 的 phi2 和 ETR 数据还能反推 “叶片吸收的光合有效辐射比例(fAPAR)",R² 达 0.87,为后续光合速率计算奠定基础。

3. 核心作用:串联 “荧光 - 光合 - 生物量" 的桥梁
MultispeQ 的价值不止于 “测数据",更在于它能串联起从叶片荧光到冠层生物量的完整链条,具体分 3 步:
👉算叶片光合速率:将 MultispeQ 的 phi2、ETR、PAR 数据代入经典的 FvCB 光合模型(Farquhar-von Caemmerer-Berry 模型),计算单叶的 gross 光合速率(A);
👉估最大光合能力(Amax):通过 “曲线拟合",将计算出的光合速率与光强(PAR)匹配为 “光响应曲线",从而反推叶片在光饱和条件下的最大光合能力 Amax—— 这一步替代了传统的 “固定 Amax",实现了参数的动态更新;
👉** upscale 到冠层生物量 **:结合遥感反演的叶面积指数(LAI,通过 SCOPE 模型从高光谱数据获取)和 WOFOST 作物生长模型,将叶片尺度的光合速率 “放大" 到冠层水平,再扣除呼吸消耗,最终模拟整个生长季的干物质产量(DMP)。

三、实战效果:MultispeQ 让生物量估算误差降了多少?
研究在荷兰两个试验田(Lelystad 和 Vredepeel)开展,涉及 6 个马铃薯品种、3 种氮素处理(N0:0% 推荐氮,N1:30%,N2:130%),用 MultispeQ 的动态数据与传统 “固定 Amax" 方法做了对比:


整体差异:Lelystad 田\(A_\)均值≈29 kg CO₂ ha⁻¹ hr⁻¹(标准差 4.7),Vredepeel 田≈39.7 kg CO₂ ha⁻¹ hr⁻¹(标准差 4.2);
品种差异:Lelystad 田 Markies\(A_\)最高,Vredepeel 田 Fontane V 最高;
氮素影响:多数品种 N2(高氮)\(A_\)高于 N0,但存在例外(如 Lelystad 田 Markies N0>N1)。

Lelystad 田:所有品种呈 “早期低 - 中期升 - 后期降",Innovator 趋势平稳,Markies/Fontane L 波动大;
Vredepeel 田:所有品种 “早期高、后期降",Fontane V 后期回升,Premiere 持续降,Festien 中期骤降后微恢复;
氮素处理无显著时间趋势差异。



Lelystad 田:按 “测量日期" 分组zuiyou(6/9 组合差值最小);
Vredepeel 田:按 “季节固定" 更优(4/9 组合差值最小);
• 其他分组:“最大 LAI 时期" 优于传统固定值,但仅 1/9 组合zuiyou;“中期" 效果最差,核心结论为分组需结合田间特性。
四、不止于马铃薯:MultispeQ 对精准农业的深远意义
这项研究的价值,远不止优化马铃薯的生物量估算,更为整个精准农业提供了 “低成本、高时效" 的监测方案:
降低技术门槛:MultispeQ 无需专业操作,农户或基层农技人员也能使用,为田间 “实时光合诊断" 提供可能(如快速判断作物是否缺氮、是否受光胁迫);
减少对文献参数的依赖:动态 Amax 比固定参数更贴合实际,未来可推广到小麦、玉米等其他 C3 作物(WOFOST 模型已适配多种作物);
衔接卫星遥感:研究提到,未来可结合 Sentinel-2(哨兵 2 号)、FLEX(荧光探测卫星)等卫星数据,将 MultispeQ 的 “点尺度" 测量扩展到 “区域尺度",实现大面积作物光合与产量的实时监测。

从实验室的大型仪器到田间的手持设备,MultispeQ 的出现让 “光合监测" 从 “小众科研" 走向 “大众应用"。它不仅能精准捕捉叶片的 “光合呼吸",更通过与模型、遥感的结合,为作物生长模拟提供了 “动态内核"—— 这或许就是未来精准农业的方向:用便携设备获取 “接地气" 的数据,用智能模型挖掘 “有价值" 的规律,最终实现资源(氮、水)高效利用与产量稳定提升。