植物初級(jí)生產(chǎn)力約占全球碳固定的一半。目前初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)量方法主要為兩種：

衛(wèi)星遙感：

在盡可能廣泛的空間和時(shí)間尺度上運(yùn)作

測(cè)量的PhytoPP誤差較大

14C示蹤法

最廣泛使用的直接評(píng)價(jià)PhytoPP方法

操作的空間和時(shí)間尺度有限，導(dǎo)致極端欠采樣

Chelsea Technologies的LabSTAF系統(tǒng)是在NERC資助的OCEANIDS計(jì)劃（NE/P020844/1）中開發(fā)的。開發(fā)下一代更小、更節(jié)能、可部署的STAF系統(tǒng)在歐盟資助的海洋傳感技術(shù)（TechOceanS）方案內(nèi)仍在繼續(xù)進(jìn)行。我們目標(biāo)是發(fā)展以STAF為基礎(chǔ)的工具和方法來評(píng)估PhytoPP，與使用14C示蹤劑方法相比，可以在更寬的空間和時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)PhytoPP，并具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度和精密度。

本文的目的是概述STAF熒光儀系統(tǒng)作為在空間和時(shí)間尺度上測(cè)量PhytoPP的平臺(tái)，大大緩解了現(xiàn)有的采樣不足問題。

目標(biāo)平臺(tái)包括：

科考船上的實(shí)驗(yàn)室及航行系統(tǒng)（LabSTAF）
大型自動(dòng)駕駛平臺(tái)，包括AutoSub LR和AutoNaut（AutoSTAF）
小型自主平臺(tái)、滑翔機(jī)及Argo浮標(biāo)（下一代STAF測(cè)量系統(tǒng)）

對(duì)于PhytoPP評(píng)估：

所有STAF系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)范圍（從極端寡營(yíng)養(yǎng)到中營(yíng)養(yǎng)）
高度自動(dòng)化，基于STAF的PSII光化學(xué)通量（mol electrons m ^-3-3 s^-1）測(cè)量
通過14C固定驗(yàn)證的STAF方法（mol C m^-3-3 s^-1）

總體目標(biāo)：

盡量減少使用STAF生成 PSII光化學(xué)通量值時(shí)產(chǎn)生的誤差
  增加我們對(duì)決定因素Φ^e,C 的理解

STAF基礎(chǔ)測(cè)量

圖1  所有的STAF儀器都采用了單周轉(zhuǎn)（ST）方法，通常使用100 μs的LED 脈沖來使PSII光合作用達(dá)到飽和。被測(cè)量的樣品體積小于總量的5%（10~20 ml）。被動(dòng)式樣品交換允許高測(cè)量頻率，并在極端寡營(yíng)養(yǎng)條件下提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

在圖1中，F(xiàn) _v 是 “可變”熒光。F_o 和F_m分別是可變熒光的“初始 ”和“最大”熒光水平。σPII是PSII光化學(xué)的吸收橫截面。在光照照射下，分別相當(dāng)于Fq'、F'、Fm'和σPII'。盡管沒有單位，但所有由STAF系統(tǒng)報(bào)告的熒光（F）值都是在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。報(bào)告的σPII值單位為nm    ^-2 PSII^-1。

FLC生成rP-E曲線

熒光光曲線（FLC）包括在黑暗和飽和光之間的幾個(gè)光合輻照度水平上進(jìn)行的一組自動(dòng)STAF測(cè)量。FLC生成的數(shù)據(jù)集可與基于14C示蹤劑的光合作用光子輻照度（P-E）曲線相媲美。

圖2 第一步數(shù)據(jù)處理生成相對(duì)光合作用光子輻照度（rP-E）曲線，其中rP值為入射光子輻照度與PSII光化學(xué)效率（ΦPII'）的乘積。無量綱ΦPII'的值由Fq'/Fmc'算出。這里的報(bào)告rP單位為μmol photons m-2 s-1，表示PSII光化學(xué)通過1 m2σPII'的速率。

Fmc'中的“c”下標(biāo)表示已應(yīng)用基線校正（參見校正要求）。

一系列其他的STAF衍生的參數(shù)是由RunSTAF在FLC層面產(chǎn)生。在這個(gè)例子中，F(xiàn)m'和τt'是由rP繪制。Fm'的下降通常伴隨了PSII光化學(xué)的下調(diào)情況。τt' 時(shí)間常數(shù)跟蹤PSII光化學(xué)的周轉(zhuǎn)時(shí)間，報(bào)告單位為μs。

每PSII或每單位體積光化學(xué)通量

假設(shè)每個(gè)PSII光化學(xué)事件導(dǎo)致一個(gè)電子從氧轉(zhuǎn)移到質(zhì)體醌，rP的SI單位為mol electrons m-2 s-1。STAF系統(tǒng)允許將rP值轉(zhuǎn)換為PSII光化學(xué)通量。每PSII光化學(xué)通量的SI單位為electrons PSII-1s-1，定義為JPII。每單位體積（海洋或其他介質(zhì)）的光化學(xué)反應(yīng)的SI單位為mol electrons m-3 s-1，定義為JVPII。RunSTAF采用Sigma方法生成JPII的報(bào)告值（公式1），采用吸收法生成JVPII報(bào)告值（公式2）。

Sigma方法和吸收法

圖3  Sigma方法可以從STAF數(shù)據(jù)中提供JPII（electrons PSII-1 s-1），不提供JVPII（mol electrons m-3 s-1）。將Sigma衍生的JPII轉(zhuǎn)換為JVPII需要獨(dú)立評(píng)估光化學(xué)活性濃度PSII m-3（圖中以紅色顯示）。雖然吸收方法可以直接從STAF數(shù)據(jù)中提供PSII m-3，但將該值代入Sigma方程使其與吸收方程完全等價(jià)（包含的σPII值抵消了）。

校正要求

生成JPII和JVPII值需要光譜校正。生成JVPII還需要對(duì)包裝效應(yīng)進(jìn)行校正（圖5），并對(duì)基線熒光進(jìn)行評(píng)估（圖6）。譜校正需要精確測(cè)定用于提供ST測(cè)量脈沖和光化光LED的光子通量和光譜輸出，以及樣品的光化學(xué)激發(fā)曲線(PEP)，打包效應(yīng)校正是通過雙波段測(cè)量最大和最小重吸收的熒光發(fā)射（10 nm半帶寬，集中在685 nm和730 nm）來實(shí)現(xiàn)的。基線熒光校正適用于光失活PSII復(fù)合體積累導(dǎo)致的Fv/Fm測(cè)量值較低的情況。

使用PEP進(jìn)行光譜校正

PEP的主要作用是便于對(duì)JPII和JVPII進(jìn)行光譜校正。PEP數(shù)據(jù)是使用LED測(cè)量波段的不同組合產(chǎn)生的。RunSTAF由這些不同組合的ST曲線計(jì)算Fv和σPII值。Fv用于光譜校正。雖然生成PEP在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但該過程是完全自動(dòng)化的，通常不需要超過兩分鐘的測(cè)量。

圖4  一個(gè)PEP曲線包括了416~622 nm的光譜。光譜校正光譜（SCS）的范圍將Fv PEP擴(kuò)展到380~660 nm之間。上部圖中的紅線顯示了天然淡水樣本的擴(kuò)展PEP。LabSTAF內(nèi)的光化LED的發(fā)射光譜顯示為藍(lán)色。圖中還包括了七個(gè)LED測(cè)量波段的發(fā)射光譜。上部圖中黃色虛線顯示的是來自光化光源的一個(gè)發(fā)射光譜。添加此功能是為了方便比較STAF與14C固化平行測(cè)量的數(shù)據(jù)。在下部圖中，來自光化光源的光譜已應(yīng)用于LabSTAF數(shù)據(jù)集（應(yīng)用ESD）。這將觸發(fā)所有受影響參數(shù)值的重新計(jì)算，包括αLHII和Ek。αLHII的變化與JVPII是呈正比的（見公式2）。

打包效應(yīng)修正

圖5  使用STAF測(cè)量，熒光發(fā)射通常在685 nm測(cè)量。這為光化學(xué)活性PSII配合物和其它源的發(fā)射提供了最大的光譜區(qū)分。缺點(diǎn)是PSII對(duì)熒光發(fā)射的重吸收在該波段內(nèi)接近最大值。在這個(gè)波段內(nèi)，實(shí)際的重吸收水平取決于單個(gè)細(xì)胞的光學(xué)特性（封裝效應(yīng)）。在685 nm和730 nm測(cè)量的Fv的比率可以用來校正封裝效應(yīng)。通常，完全自動(dòng)化的包裝效果校正需要不超過30秒。

基線校正

圖6  在此例中，ST脈沖應(yīng)用于暗適應(yīng)樣品產(chǎn)生的Fv /Fm為0.382，這明顯低于從“健康”暗適應(yīng)細(xì)胞中廣泛看到的0.5至0.65范圍。這個(gè)較低的值可能是PSII光化學(xué)被抑制的結(jié)果，或者可能表明除了光化學(xué)活性的PSII復(fù)合體（包括光失活的PSII復(fù)合體）以外的其他來源的高水平熒光與在健康范圍內(nèi)的內(nèi)在PSII光化學(xué)效率相結(jié)合。公式3可用于計(jì)算在假定的本征Fv /Fm（公式中的Fv /Fmc項(xiàng)）上的基線熒光（Fb）。

JVPII與14C固定的直接比較

需要對(duì)JVPII和14C固定進(jìn)行平行測(cè)量，以了解控制它們之間可變比例的因素。迄今為止，方法上的不一致，包括孵育長(zhǎng)度和光質(zhì)量的差異，極大地抑制了電子碳比的實(shí)際評(píng)估（Φe,C值）。圖7中的圖像顯示了LabSTAF單元用于運(yùn)行JVPII和14C固定的“雙重孵育”測(cè)量。LabSTAF內(nèi)置的相對(duì)較大的樣品室（25mm內(nèi)徑和56mm高度）便于進(jìn)行此測(cè)量。14C加標(biāo)樣品包含在閃爍瓶（23毫米外徑）。除了為兩個(gè)測(cè)量提供單一的光化光源外，這種安排還允許在整個(gè)14C 的孵育期內(nèi)進(jìn)行STAF測(cè)量。

圖7 LabSTAF內(nèi)的大樣品室允許使用閃爍小瓶，以方便使用單個(gè)光化光源（雙孵化）平行測(cè)量JVPII和14C固定。左邊的圖是在北大西洋用天然浮游植物組合進(jìn)行的一組雙重孵化。 在這個(gè)示例中，Φe,C的范圍從大約5到略高于7。這個(gè)范圍比在以前的實(shí)驗(yàn)中觀察到的要小得多，在以前的實(shí)驗(yàn)中，STAF評(píng)估率和14C評(píng)估率是并行測(cè)量的，而不是同時(shí)測(cè)量的。JVPII值包括RunSTAF軟件中用于運(yùn)行系統(tǒng)和處理數(shù)據(jù)的自動(dòng)光譜和打包效應(yīng)校正。

光化學(xué)激發(fā)光譜（PEP）

如上所述，PEP的應(yīng)用是為了促進(jìn)JPII和JVPII的光譜校正。RunSTAF計(jì)算Fv和σPII的波段特定值。雖然Fv PEP值在很大程度上不受樣品內(nèi)光譜異質(zhì)性的影響，但σPII PEP值則不是。因此只有Fv PEP值用于校正JPII和JVPII。

圖8  PEP是通過平均用戶設(shè)置的ST曲線數(shù)的每個(gè)組合波段來構(gòu)建的。LabSTAF或AutoSTAF單元循環(huán)Steps列表，直到獲得所需數(shù)量的曲線為止。使用LED的最佳組合可確保在ST脈沖期間關(guān)閉足夠高比例的功能PSII復(fù)合體，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的Fv和σPII。

圖9  10種浮游植物的代表性PEP + ST脈沖曲線。提供了一些Fv和σPII PEP示例。例子E和J顯示了兩種PEP之間最大的差異，并且可能包括藍(lán)藻污染。

基線熒光

不來自于光化學(xué)活性PSII復(fù)合體的Fo部分被稱為基線熒光，并被量化為Fb。基線熒光在包括JVPII在內(nèi)的許多熒光參數(shù)的計(jì)算中引入了誤差。圖10中的數(shù)據(jù)圖說明了基線校正對(duì)STAF衍生的PSII光化學(xué)評(píng)估與Clark型電極測(cè)量的總氧釋放之間匹配的影響。

圖10  氧光曲線（OLC）和熒光光曲線（FLC）同時(shí)測(cè)量一系列浮游植物物種。在~ 20 °C和30 μmol photons m?2 s?1的培養(yǎng)物上進(jìn)行測(cè)量。FLC數(shù)據(jù)被標(biāo)準(zhǔn)化為O2的等效單位，OLC和FLC數(shù)據(jù)歸一化為衍生的功能PSII復(fù)合體的濃度（O2 PSII?1s?1）。FLC數(shù)據(jù)使用KaFO（11800 m?1）或樣品樣本特異性（KaS）值獲得。實(shí)線表示P-E曲線擬合。KaS值是通過對(duì)所有物種應(yīng)用內(nèi)在的Fv/Fm（Fv/Fmc）0.518生成的（公式4）。這些數(shù)據(jù)原發(fā)表于Boatman et al. 2019。

雙ST脈沖測(cè)量

雙ST脈沖（DSP）方法結(jié)合在這里描述的STAF系統(tǒng)中，跟蹤序列第一個(gè)ST脈沖中關(guān)閉的PSII復(fù)合體的重新開放。ST脈沖通常具有相同的持續(xù)時(shí)間，它們之間的間隔是可變的（圖11）。