荷兰植物生态表型中心采用Apogee温室研究解决方案进行植物表型研究

荷兰植物生态表型中心（NPEC）由瓦赫宁根大学及研究中心与乌得勒支大学联合发起，荷兰科学研究组织共同资助建设。其核心研究方向是探索基因型与表型的关联机制，进而培育 “气候适应性作物”，为未来高质量、可持续的粮食生产提供保障。在 NPEC，研究人员始终深耕农业表型分析领域前沿，吸引着全球各地的科学家前来参观设施、汲取研究灵感。此外，NPEC 还打造了自动化温室监测集成模式，为行业提供了可借鉴的标杆方案。

NPEC 是一项涵盖多单元、高通量的综合性研究计划，其设施网络包括：无人机监控试验田、专用种植室及高科技温室群。该中心的核心目标是尽可能覆盖更多物种，对更多植株开展测量研究。自 2023 年温室正式启用以来，研究团队已推进多项课题，具体包括：

• 土壤中黄萎病菌对马铃薯生长的影响

• 干旱与盐分胁迫对西红柿、小麦及藜麦的作用

• 野生生菜与栽培生菜品种杂交育种，培育抗逆性强、可食用性优的新品种

• 豌豆、草莓、观赏花卉等多种作物的表型特性研究

NPEC 温室采用自动化技术：一方面实时跟踪植株生长指标，另一方面准确调控光照、温度、湿度等气候变量，同时支持对单株植物进行 “个性化” 浇水与称重管理。团队自主研发的成像系统可捕获多维度植物数据，包括 3D 形态、光合作用效率、叶绿素指数、花青素指数及生物量。在四个温室隔间中，两个隔间配备了高精度传送带系统，能将盆栽植物自动输送至成像室；另外两个隔间则将摄像头安装在高架龙门架上，尽量避免对脆弱植株造成物理干扰。

传送带上整齐摆放着草莓植株，正准备通过成像技术完成数据采集

测量环境的挑战

NPEC 前瞻性的设施架构，为环境监测工作带来了多项独特挑战：

• 传感器安装需适配传送带与高架龙门架的动态运行 —— 既要避免干扰机械设备正常运转，又要确保采集的数据能反映整个温室的植株生长环境；

• 温室的先进配置中包含反光钢结构与移动部件，这些元素会破坏光线的均匀分布。尽管研究团队采用了 “已知光谱灯具” 与 “日射计” 来测量入射太阳辐射，但复杂的光梯度仍导致难以准确估算植株实际接收的光照强度；

• 除物理层面的限制外，NPEC 的科研目标对数据质量提出了很高要求：需实现气候变量数据的 “可靠连续、高分辨率、实时采集”。

NPEC 现任研究员蒂姆・范达伦（Tim van Daalen）解释道：“温度与光合有效辐射（PAR）是植物生长的关键驱动因素，因此也常作为生长模拟模型的核心基础参数。这些参数对于揭示作物在多方面的表型差异至关重要，例如抗旱性、产量、果实口感、产品品质、基于茎秆形态的收获便利性、面向工业效率的垂直生长特性等。每种环境变量都会触发不同植物基因型的独特反应，因此，准确的环境监测是开展科研工作的核心前提。”

定制化监测解决方案

NPEC 亟需满足以下要求的监测工具：体积紧凑、测量精度高、且易于集成到现有自动化数据工作流程中。植物表型分析项目负责人瑞克・范德泽德（Rick van de Zedde）表示，在其科研领域，特定光测量系统已获得广泛认可，而 Apogee 的传感器正是行业内值得信赖的解决方案之一。通过双方深度合作，Apogee 的工程师针对性开发了适配方案，成功解决了 NPEC 面临的各项特殊挑战。

1. 温湿度监测：Guardian 一体化监测仪

Guardian 监测仪悬挂在传送带间的立柱上，安装位置略高于植株冠层，以便实时监测生长环境。这款一体化农业环境监测仪可同时测量多项关键参数：光合有效辐射（PAR）、气温、相对湿度、蒸气压亏缺、露点、二氧化碳浓度、气压、每日光积分及光周期。仪器内置风扇通过维持气流稳定，确保数据采集的准确性。

Guardian 的紧凑设计使其可灵活安装在传送带间的支架上 —— 既处于移动植株的上方，又位于高架龙门架的下方。相比在温室各处为单一测量参数安装独立仪器，这种集成式方案大幅简化了部署流程。在分享一项 “揭示豌豆植株生长差异” 的在研实验时，蒂姆对 Guardian 的可移动性赞不绝口：“有了 Guardian，我们只需移动一个传感器，就能分析目标区域的气候条件，省去了大量时间与精力。”

此外，团队还发现，Guardian 的低维护湿度探头相比此前使用的湿球传感器有显著改进：传统湿球传感器需频繁加水才能维持测量精度，而 Guardian 的探头可直接投入使用，无需额外干预。这一优势带来双重价值：一方面减少了维护工作的时间与人力投入；另一方面，监测仪可安装在温室冠层深处，采集更贴近植株真实生长条件的数据，且无需定期操作干扰植物。

瑞克透露，过去曾因传感器问题导致研究论文被拒 —— 例如传感器电池无预警耗尽，或数据采集出现不一致，造成数据缺失。而 Guardian 通过三项核心设计解决了这一痛点：高质量传感器、稳定的蓝牙或 Modbus 连接、以及可选装的 “连接状态指示灯”。瑞克表示：“我们每天都在使用 Guardian，至今没有错过任何一天的数据…… 简单来说，它是一款可靠且实用的设备，已成为我们采集环境特征数据的核心工具。”

2. 光照监测：线性光量子传感器

Apogee 的线性光量子传感器安装在传送带行间距的立柱上，在草莓种植专属隔间中，负责测量植株接收的光照强度。

蒂姆指出：“植物对照明的反应远比想象中复杂 —— 光的颜色、强度及累积量，都会对植物产生不同影响。因此，获取能反映植株全天实际光照接收量的数据至关重要；我们的生长建模师在将模拟模型与实际植株进行对比分析时，参考这些数据。但问题在于，” 他进一步解释道，“由于传送带及其他移动部件需要大量钢材支撑，外部光照强度与隔间内光照强度的关联性难以准确匹配。仅通过单个传感器探头测量的光照数据，很可能无法准确代表整体情况。”

为解决这一问题，NPEC 引入了 Apogee 的线性光量子传感器。该传感器采用 “10 个光电二极管呈直线排列” 的设计，二极管间距约 5 厘米。这种结构可测量特定区域的平均光照强度，为温室提供具有普适性的光照数据。

3. 数据上传：自动化数据采集流程

Apogee 传感器提供多样化的连接与通信选项，可轻松集成到现有系统中。NPEC 为线性光量子传感器搭配了紧凑型 μCache 数据记录仪，以实现蓝牙连接与连续数据采集。μCache 通常采用电池供电，但 Apogee 的工程师为 NPEC 定制了有线供电方案 —— 既减少了维护频率，又避免因更换电池中断实验。而 Guardian 监测仪本身已内置蓝牙功能，可直接接入数据网络。

为实现 “数据自动采集传输至在线数据库”，Apogee 开发了一款名为 “Apogee Connect for Raspberry Pi” 的软件，所有 Apogee 用户均可免费使用。该软件支持将所有蓝牙传感器连接至数据采集器，再由数据采集器自动将数据上传至 NPEC 的服务器。

为提升实验质量，实时传感器数据会同步显示在设施内的电视屏幕上 —— 这一设计不仅能激发科研人员的创新思路，还能提高他们对环境变化的敏感度。此外，稳定可靠的数据采集流程让温室管理者可放心扩大项目规模，同时无需担心研究质量受影响。

数据采集器

近期的草莓研究项目，聚焦于能为种植者带来实际价值的表型性状，例如：培育 “更易收获” 的草莓品种以提升生产效率，增强草莓的抗旱性以减少减产损失；同时，团队还在探索 “株型更紧凑” 的草莓品种 —— 在保证果实产量的前提下，缩小植株占用空间，从而在有限种植面积内容纳更多植株，提升单位面积产量。

通过将植物遗传学与环境反应机制相结合，NPEC 的研究正为 “气候适应性强、高产优质作物” 的培育奠定基础。而先进自动化技术、准确环境控制与 Apogee 传感器数据的深度融合，不仅推动了表型分析领域的突破，更将深刻塑造农业发展与全球粮食系统的未来。