光合速率呼吸速率的关系及测定方法含解析

光合速率、呼吸速率的关系及测定方法一、光合速率、呼吸速率的关系1.光合速率与呼吸速率的常用表示方法在黑暗时，植物体只能进行呼吸作用，所以在黑暗条件下测得的数据就是呼吸速率；而在光照条件下，植物体可以同时进行光合作用和呼吸作用，因此，在光下直接测得的数据是净光合速率；总光合速率无法直接测得，只能间接求得：总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。如表列出了部分常见的与总光合速率和净光合速率有关的关键词。总光合速率O2产生速率CO2固定（或消耗）速率有机物产生（或制造、生成）速率净光合速率O2释放速率CO2吸收速率有机物积累速率呼吸速率黑暗中O2吸收速率黑暗中CO2释放速率有机物消耗速率2.光合作用和细胞呼吸曲线解读（1）A点：只进行呼吸作用，不进行光合作用，净光合量小于0，如图甲所示。（2）AB段：真正光合速率小于呼吸速率，净光合量小于0，如图乙所示。（3）B点：真正光合速率等于呼吸速率，净光合量等于0，如图丙所示。（4）B点以后：真正光合速率大于呼吸速率，净光合量大于0，如图丁所示。3.确认净光合速率与植物生长的关系在相对密闭的环境中一昼夜CO2含量的变化曲线图分析（O2变化与CO2相反）：①如果N点低于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加（即植物生长）；②如果N点高于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量减少；③如果N点等于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量不变；④CO2含量最高点为C点（C′点），CO2含量最低点为E点（E′点）。注：①图中光合速率与呼吸速率相等的点有C（C′）、E（E′）点。②图中曲线与横轴围成的面积S2－（S1＋S3）的代数和即为净光合量。若该值＞0，则植物生长；若该值≤0，则植物不生长。【典例1】（2020·晋冀鲁豫名校高三联考）为探究长期高温和增施CO2（采用智能型二氧化碳发生器）对黄瓜叶片净光合速率的影响，某小组进行了相关实验。实验设置了四个组：常温（20～25℃）、高温（35～40℃）、常温（20～25℃）＋CO2（1000～1500mol·L－1）、高温（35～40℃）＋CO2（100～1500mol·L－1），部分实验结果如图所示，回答下列问题：（1）在上述基础上，欲利用所学知识测量高温下黄瓜总光合速率，方法为_______________________________________________________________________________________________________。单纯高温的净光合速率低于单纯常温，可能的原因是____________________________________________________________________________________________________________。（2）一个月之内通过____________________________________组的对比可知增施CO2可直接影响阶段从而提高净光合速率。（3）实验过程中发现，阴天无须额外增施CO2的原因是____________________________________________________________________________________________________________。（4）据图分析，短期来看，条件下增施CO2效果更明显，长期来看，该条件下增施CO2后期净光合速率下降，试从光合作用产物角度分析可能的原因_________________________________________________________________________________。解析：据图分析，该实验的自变量有温度、是否用二氧化碳处理和处理时间，因变量是净光合速率。图中显示高温＋CO2处理的净光合速率较高，且处理36天时最高，而仅用高温处理的净光合速率最低，据此答题。（1）总光合速率等于净光合速率＋呼吸速率，题中已经测出在高温条件下黄瓜的净光合速率，则只需在黑暗条件下测出高温下黄瓜的呼吸速率即可。单纯高温与单纯低温相比，温度较高，抑制了光合作用有关的酶的活性，从而使单纯高温的净光合速率较低。（2）由图分析可知，高温＋CO2与单独高温相比，净光合速率较高，常温＋CO2与常温相比，净光合速率高，说明增施CO2能提高净光合速率，主要原因可能是CO2可直接影响暗反应阶段从而提高净光合速率。（3）阴天条件下，光照强度低，影响光合作用强度的因素主要是光照强度，所以即使增施CO2浓度，对光合作用的影响也不大。（4）据图分析，短期内高温条件下，增施CO2净光合速率增加明显，随着处理天数的延长，净光合速率反而下降，很可能的原因是暗反应阶段产生的淀粉（有机物）积累在叶片中，发生反馈抑制而使光合速率下降。答案：（1）在高温、黑暗条件下，测量黄瓜呼吸速率，将呼吸速率与净光合速率的值相加即可高温条件下与光合作用相关的酶活性降低（或高温下叶绿素被破坏等，合理即可）（2）高温与高温＋CO2（或常温与常温＋CO2）暗反应（3）阴天光照不足导致光合速率低，而呼吸速率影响不大，因此CO2足够暗反应所需（合理即可）（4）高温淀粉（有机物）积累在叶片中，发生反馈抑制而使光合速率下降（1）总光合速率与呼吸速率曲线交点处表示此时光合速率＝呼吸速率，不要认为净光合速率曲线与呼吸速率曲线交点处也表示光合速率＝呼吸速率，此时总光合速率恰恰是呼吸速率的2倍。（2）在光下，植物净光合速率与实际光合速率的计算。①植物黑暗条件下的耗O2量即为植物的呼吸强度。②光合作用（实际）产O2量＝实测的O2释放量＋呼吸耗O2量。③光合作用CO2消耗量＝实测的CO2消耗量＋呼吸CO2释放量。④光合作用葡萄糖净生产量＝光合作用（实际）葡萄糖生产量－呼吸作用葡萄糖消耗量。（3）CO2（光）补偿点移动方向的判断方法。植物的光（CO2）补偿点和光（CO2）饱和点受外界环境影响，当外界环境变化时，光（CO2）补偿点和饱和点都会发生相应变化，规律如下：①呼吸速率增加，CO2（光）补偿点B应右移。②呼吸速率减小，CO2（光）补偿点B应左移。③呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降时，CO2（光）补偿点B右移；条件的改变使光合速率上升时，CO2（光）补偿点B左移。1.（2020·益阳调研）图甲中试管A与试管B敞口培养相同数量的小球藻，研究光照强度对小球藻氧气产生量的影响，试管A的结果如图乙所示。据图分析，下列叙述正确的是（）A.Q点的O2净释放量为零，是因为此点光合作用强度为零B.P点为负值的原因是细胞呼吸消耗氧气；适当降低温度，P点将下降C.在图乙上绘制装置B的曲线，Q点应右移D.降低CO2浓度时，在图乙上绘制装置A的曲线，R点应右移解析：Q点时净光合速率为0，光合作用强度不为0，A错误；P点对应的数值的绝对值代表呼吸速率，若适当降低温度，呼吸速率会下降，则P点会上移，B错误；装置B中缺镁影响叶绿素的合成，小球藻光合速率低，Q点应右移，C正确；CO2浓度降低，光合速率下降，R点应向左下移动，D错误。答案：C2.（2020·贵州长顺月考）植物的光补偿点是指由于受光照强度的限制，光合速率与呼吸速率相等时环境中的光照强度。已知甲植物的光补偿点大于乙植物，回答下列问题：（1）实验过程中，给甲植物浇灌Heq\o\al(18,2)O，发现叶肉细胞中出现了（CHeq\o\al(18,2)O），分析其最可能的转化途径是（用文字和箭头表示）。乙植物净光合速率为0时，甲植物净光合速率（填“大于0”“等于0”或“小于0”）。（2）若将乙植物密闭在无O2但其他条件适宜的小室中，置于甲光补偿点的光强条件下培养一段时间后，发现乙植物有氧呼吸增加，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：光补偿点是指植物在一定光强范围内，光合速率与呼吸速率相等时的光照强度。根据题意分析，甲植物的光补偿点大于乙植物，由于不清楚两者的呼吸速率的大小，因此无法比较两者的光合速率大小关系。（1）根据光合作用和呼吸作用过程分析，给甲植物浇灌Heq\o\al(18,2)O，Heq\o\al(18,2)O先进行有氧呼吸（第二阶段）生成二氧化碳（C18O2），二氧化碳（C18O2）再参与暗反应（光合作用）生成有机物（CHeq\o\al(18,2)O）；由于甲植物的光补偿点大于乙植物，因此乙植物净光合速率为0时，甲植物净光合速率小于0。（2）根据题意分析，将乙植物密闭在无O2但其他条件适宜的小室中，置于甲光补偿点的光强条件下培养一段时间后，即光照条件大于其补偿点，则乙植物的净光合速率大于0，释放的O2使密闭小室中O2增加，而O2参与了有氧呼吸第三阶段的反应，所以其有氧呼吸增强。答案：（1）Heq\o\al(18,2)Oeq\o(→,\s\up17(有氧呼吸),\s\do20(第二阶段))C18O2eq\o(→,\s\up17(光合作用),\s\do20(暗反应阶段))（CHeq\o\al(18,2)O）小于0（2）乙植物在该光照强度下，净光合速率大于0，释放的O2使密闭小室中O2增加，而O2参与了有氧呼吸第三阶段的反应二、测定光合速率的常用方法1.利用液滴移动测定光合速率（1）实验装置。（2）测定原理。①在黑暗条件下，甲装置中的植物只进行细胞呼吸。由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。②在光照条件下，乙装置中的植物进行光合作用和细胞呼吸。由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。③真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。（3）测定方法。①将植物（甲装置）置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。②将同一植物（乙装置）置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。③根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真光合速率。（4）物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素引起误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。【典例2】为探究CO2浓度和光照强度对植物光合作用的影响，某兴趣小组设计了如图所示的实验装置若干组，利用CO2缓冲液维持密闭小室内CO2浓度的相对恒定，在室温25℃时进行了一系列的实验，对相应装置准确测量的结果如下表所示。下列说法错误的是（）组别实验条件液滴移动/（mL·h－1）光照强度/lxCO2浓度/%100.05左移2.2428000.03右移6.00310000.03右移9.00410000.05右移11.20515000.05右移11.20615000.03右移9.00A.1组中液滴左移的原因是植物有氧呼吸消耗了氧气B.6组中液滴右移的原因是植物光合作用产生氧气量小于有氧呼吸消耗氧气量C.与3组比较可知，限制2组液滴移动的主要环境因素是光照强度D.与4组比较可知，限制3组液滴右移的主要环境因素是CO2浓度解析：1组中没有光照，液滴向左移2.24mL/h，说明植物呼吸作用消耗了密闭小室内的氧气，A正确；6组在光照强度为1500lx，CO2浓度为0.03%时，既进行光合作用又进行呼吸作用，液滴向右移动9.00mL/h，说明植物光合作用产生氧气量大于有氧呼吸消耗氧气量，B错误；2组和3组相比，CO2浓度都为0.03%，光照强度分别是800lx和1000lx，故限制2组液滴移动的主要环境因素是光照强度，C正确；3组和4组相比，光照强度都为1000lx，CO2浓度分别是0.03%和0.05%，故限制3组液滴移动的主要环境因素是CO2浓度，D正确。答案：B2.利用黑白瓶法测定水生植物的光合速率（1）测定原理：黑瓶不透光，瓶中生物仅能进行呼吸作用；白瓶透光，瓶中生物可进行光合作用和呼吸作用。因此，光合作用产生氧气量＝白瓶中氧气增加量＋黑瓶中氧气减少量。（2）测定方法：取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c，将a先包以黑胶布，再包以锡箔。用a、b、c三瓶从待测水体深度相同位置取水，测定c瓶中的氧气含量。将a瓶、b瓶密封后再沉入取水处，24小时后取出，测定两瓶中的氧气含量。（3）计算规律规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量为净光合作用量；两者之和为总光合作用量。规律2：在没初始值的情况下，白瓶中测得的氧气现有量与黑瓶中测得的氧气现有量之差即为总光合作用量。【典例3】某同学为研究某池塘（溶氧充足）中2米深处生物的光合作用和有氧呼吸，设计了黑白瓶实验：取三个大小相同、体积适宜的透明玻璃瓶，标号1、2、3，其中1号瓶用黑胶布和锡箔纸包住遮光。用三个瓶子在池塘2米深的相同位置取满水，测3号瓶的溶氧量，记为a。然后将1、2号瓶放回取水处，24h后取出，测1、2号瓶的溶氧量，记作b、c。下列表述不正确的是（）A.c－a可用来表示该处生物24h的光合作用净值B.c－b可用来表示该处生物24h的光合作用总值C.如果没有3号瓶，则不能测出该处生物24h内呼吸作用氧气的消耗量D.如果没有3号瓶，也可以计算出该处生物24h内光合作用产生的氧气量解析：由题意可知，a－b为该处生物24h呼吸作用消耗氧气量，c－a为该处生物24h净光合作用的氧气积累量，则总光合作用值＝净光合作用值＋呼吸作用值＝c－a＋a－b＝c－b，因此A、B正确；如果没有3号瓶，也可以测出该处生物24h内光合作用产生的氧气量和呼吸作用消耗的氧气量，方法是先测量1、2号瓶刚取出时的溶氧量，然后再测量24h后1、2号瓶中的溶氧量，那么1号瓶溶氧量的差值就是呼吸作用消耗的氧气量，2号瓶溶氧量的差值是光合作用净产氧量，两者相加为该处生物总光合作用产生的氧气量，因此C错误，D正确。答案：C3.“半叶法”测定光合作用有机物的产生量（1）使用范围：检测单位时间、单位叶面积干物质产生总量，常用于大田农作物的光合速率测定。（2）测定方法：在测定时，将植物对称叶片的一部分遮光或取下置于暗处，另一部分则留在光下进行光合作用，过一定时间后，在这两部分的对应部位取同等面积的叶片，分别烘干称重。因为对称叶片的两对应部位的等面积的干重，开始时被视为相等，照光后的叶片重量超过黑暗中的叶重，超过部分即为光合作用产物的产量，并通过一定的计算可得到光合作用强度。【典例4】采用“半叶法”对番茄叶片的光合作用强度进行测定，其原理是将对称叶片的一部分A遮光，另一部分B不做处理（如图所示），并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取相等面积的叶片（图中虚线所示），烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合作用强度，其单位是mg/（dm2·h）。若M＝MB－MA，则M表示（）A.B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量B.B叶片被截取部分在6小时内呼吸作用消耗的有机物总量C.B叶片被截取部分在6小时内有机物净积累量D.A叶片被截取部分在6小时内呼吸作用消耗的有机物总量解析：设在A、B的对应部位截取相等面积的叶片的初始重量为E，由题意可知，MA＝E－A叶片被截取部分6小时呼吸作用消耗的有机物总量，MB＝E－A叶片被截取部分6小时呼吸作用消耗的有机物总量＋B叶片被截取部分6小时光合作用制造的有机物总量，所以M＝MB－MA＝（E－A叶片被截取部分6小时呼吸作用消耗的有机物总量＋B叶片被截取部分6小时光合作用合成的有机物总量）－（E－A叶片被截取部分6小时呼吸作用消耗的有机物总量）＝B叶片被截取部分6小时光合作用合成的有机物总量，A正确，B、C、D错误。答案：A有关植物生长的计算公式（1）光照条件下，净光合速率>0，植物因积累有机物而生长；净光合速率＝0，植物不能生长；净光合速率<0，植物不能生长，长时间处于此种状态，植物将死亡。（2）一昼夜，光照时间×净光合速率>黑暗时间×呼吸速率，植物生长。1.如图所示，图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为A、B、C、D时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示蓝藻光合速率与光照强度的关系。下列说法正确的是（）A.图甲中，光照强度为B时，细胞光合速率等于呼吸速率B.图甲中，光照强度为D时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2C.图乙中，当光照强度为X时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体D.图乙中，限制E、F、G点光合作用速率的因素主要是光照强度解析：分析图甲可知