如何成功測量植物光合速率——材料與環境因素的重要性

發布時間： 2024-12-16　　點擊次數： 1143次

在生態學與農林科學研究領域, 測量植物光合速率是揭示生態系統功能和植物生長機理的關鍵環節。它不僅反映了植物的健康狀況，還是評估大氣碳循環與全球氣候變化的重要指標。然而，如何精準獲取一個可靠的光合速率值并非易事，涉及到眾多細節和變量的影響。本文將詳細探討選擇合適的研究對象、創建理想實驗環境以及有效執行實驗策略等方面的內容，幫助讀者深入了解這一復雜的科學領域。

選擇適宜的研究對象
1.1 選定目標物種：選擇具有代表性的植物種類是關鍵的第一步。為了獲取有普遍意義的數據，在實際應用時，可以考慮使用一些廣泛分布且具有生態學重要性（例如固氮作用）的植物種類。不建議用常見的室內觀葉植物，如萬年青、綠蘿、發財樹、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的能力，因此需要針對所選的特定類型調整相應的實驗條件。C3植物通常在高CO?濃度下表現出更高光合效率;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外界環境和內部變化的階段，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，以獲得更全面的數據。
創造合適的環境條件
2.1 光照強度：充足的光照對于啟動光合作用至關重要，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定。從照光開始至光合速率達到穩定水平的這段時間，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：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。

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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，這是由于經上午光合后，葉片中的光合產物有積累而發生反饋抑制的緣故。當光照強烈、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“午睡"現象(midday depression of photo-synthesis)，且這種現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，光抑制產生，這些也都會使光合速率在中午或午后降低。

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