在生態(tài)學(xué)與農(nóng)林科學(xué)研究領(lǐng)域, 測量植物光合速率是揭示生態(tài)系統(tǒng)功能和植物生長機理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它不僅反映了植物的健康狀況,還是評估大氣碳循環(huán)與全球氣候變化的重要指標(biāo)。然而,如何精準獲取一個可靠的光合速率值并非易事,涉及到眾多細節(jié)和變量的影響。本文將詳細探討選擇合適的研究對象、創(chuàng)建理想實驗環(huán)境以及有效執(zhí)行實驗策略等方面的內(nèi)容,幫助讀者深入了解這一復(fù)雜的科學(xué)領(lǐng)域。
選擇適宜的研究對象
1.1 選定目標(biāo)物種:選擇具有代表性的植物種類是關(guān)鍵的第一步。為了獲取有普遍意義的數(shù)據(jù),在實際應(yīng)用時,可以考慮使用一些廣泛分布且具有生態(tài)學(xué)重要性(例如固氮作用)的植物種類。不建議用常見的室內(nèi)觀葉植物,如萬年青、綠蘿、發(fā)財樹、吊蘭等做試驗材料,因為這些植物葉片在白天光照下往往測出的Pn值大多在0附近波動。
1.2 考慮植物生理特性:不同類型的植物(如C3/C4植物或CAM植物)在光合作用機制上存在差異,這會影響其對光照強度和二氧化碳濃度反應(yīng)的能力,因此需要針對所選的特定類型調(diào)整相應(yīng)的實驗條件。C3植物通常在高CO?濃度下表現(xiàn)出更高光合效率;C4植物能在較強光照條件下維持較高光合成率;CAM植物則傾向于夜間開放氣孔減少水分損失。
1.3 選擇健康的植物:確保植物沒有受到病蟲害或其他脅迫的影響,通常選擇全部展開、健康的葉片進行測量,因為這些葉片的光合能力相對穩(wěn)定。
1.4 選擇合適的生長階段:不同生長階段的植物光合能力可能有所不同,因此需要根據(jù)研究目的選擇合適的生長階段進行測量。例如,苗期的植物可能還在適應(yīng)外界環(huán)境和內(nèi)部變化的階段,一般情況下,成熟的葉片光合速率較高,而幼葉或老葉的光合速率可能較低,因此需要選擇合適的時間窗口進行測量。
1.5 考慮葉片位置:葉片在植物上的位置也會影響光合速率,通常來說,向陽的葉片光合速率會高于背陰的葉片。因此,在選擇測量材料時,可以考慮選擇植物上不同位置的葉片進行測量,以獲得更全面的數(shù)據(jù)。
創(chuàng)造合適的環(huán)境條件
2.1 光照強度:充足的光照對于啟動光合作用至關(guān)重要,需確保研究對象受到足夠的日照輻射量。晴天中午的光強常超過植物的光飽和點,很多C3植物,如水稻、小麥、棉花、大豆、毛竹、茶花等都會出現(xiàn)光抑制,輕者使植物光合速率暫時降低,重者葉片變黃,光合活性喪失。
光照時間:對放置于暗中一段時間的植物照光,起初光合速率很低或為負值,要光照一段時間后,光合速率才逐漸上升并趨與穩(wěn)定。從照光開始至光合速率達到穩(wěn)定水平的這段時間,稱為“光合滯后期”(lag phase of photosynthesis)或稱光合誘導(dǎo)期。一般整體葉片的光合滯后期約30~60min,因此如光照強度不足時,需要對植物進行一段時間的紅藍光誘導(dǎo):20-30min。
2.2 溫度:光合作用有一定的溫度范圍和三基點,三基點包括光合作用的溫度min、溫度max和最適溫度。光合作用的溫度min和溫度max是指該溫度下表觀光合速率為零,而能使光合速率達到最高的溫度被稱為光合最適溫度。從表4-6中可以看出,光合作用的溫度三基點因植物種類不同而有很大的差異,C4植物的熱限較高,可達50~60℃,而C3植物較低,一般在40~50℃。耐低溫的萵苣在5℃就能明顯地測出光合速率,而喜溫的黃瓜則要到20℃時才能測到;耐寒植物的光合作用冷限與細胞結(jié)冰溫度相近;而起源于熱帶的植物,如玉米、高粱、橡膠樹等在溫度降至10~5℃時,光合作用已受到抑制。光合作用的最高溫度會造成:一是由于膜脂與酶蛋白的熱變性,使光合器官損傷,葉綠體中的酶鈍化;二是由于高溫刺激了光暗呼吸,使表觀光合速率迅速下降。
2.3 水分:水為光合作用的原料,沒有水不能進行光合作用,但是用于光合作用的水不到蒸騰失水的1%,因此缺水影響光合作用主要是間接的原因。
在相同光強時,通常下午的光合速率要低于上午的光合速率,這是由于經(jīng)上午光合后,葉片中的光合產(chǎn)物有積累而發(fā)生反饋抑制的緣故。當(dāng)光照強烈、氣溫過高時,光合速率日變化呈雙峰曲線,大峰在上午,小峰在下午,中午前后,光合速率下降,呈現(xiàn)“午睡”現(xiàn)象(midday depression of photo-synthesis),且這種現(xiàn)象隨土壤含水量的降低而加劇。引起光合“午睡”的主要因素是大氣干旱和土壤干旱。在干熱的中午,葉片蒸騰失水加劇,如此時土壤水分也虧缺,那么植株的失水大于吸水,就會引起萎蔫與氣孔導(dǎo)度降低,進而使 CO2吸收減少。另外,中午及午后的強光、高溫、低. CO2濃度等條件都會使光呼吸激增,光抑制產(chǎn)生,這些也都會使光合速率在中午或午后降低。
FS-3080H儀器測量功能
測量功能
進氣、出氣CO2濃度;進氣、出氣濕度、空氣溫度、氣體流量、葉片溫度、葉室內(nèi)光合有效輻射強度(PARin)、環(huán)境光合有效輻射(PARout)、大氣壓力。
計算功能
光合速率、蒸騰速率、氣孔水汽導(dǎo)度,氣孔阻抗、胞間CO2濃度、瞬時水分利用率、蒸騰比、基于葉室溫度的VPD、CO2差值、RH差值等參數(shù)
控制功能
流量的自動控制
測量時間的控制
開路光合測量方式的選擇
閉路光合測量方式的選擇
曲線功能
光合曲線、蒸騰曲線
界面功能
參數(shù)、測量值、計算值、系統(tǒng)信息實時顯示
參數(shù)輸入
試驗名稱可輸入或自動生成,氣孔比、測量時間、數(shù)據(jù)記錄次數(shù)、氣泵流量可手動輸入。
輸出導(dǎo)出
通過USB線連接電腦導(dǎo)出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以excel格式顯示。
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