测量群体光合

测量群体光合一、植物群体光合速率测定装置与方法

王修兰徐师华李佑祥（中国农科院农业气象研究所）植物光合作用是指绿色植物在阳光照射下吸收CO2和水，合成碳水化合物并释放O2的过程。依据这一原理，测量光合作用一般有三种途径：即测定叶片干物质积累速率、叶片释放02的速率和叶片吸收CO2的速率。近20多年来，随着红外线CO2气体分析仪的问世和普及，为测定CO2交换速率提供了一种良好的手段。无论国内还是国外，都以采用同化室法测定单叶的光合速率居多，即把叶片置于一透明的同化室（叶室）中，根据叶室进、出口处CO2浓度差和通风量求算光合速率，这种方法称开放式测定，也可以在封闭的叶室中，根据室内CO2浓度的减少量来求算光合速率，称为封闭式测定。然而植物单叶和群体的光合速率，因其受光及其他环境（温、湿度等）条件的不同，而有着明显的差异。小型的同化室无法用于群体测量。国内外也有利用塑料薄膜在田间把植物围成一个简易的同化箱体，下部用土压实、测定自然环境下群体的光合速率的研究。为了探讨CO2浓度倍增对农作物的影响，利用上述简易同化箱由于相互制约的因子较多，难以达到预期目的。其理由是：①采用封闭式系统在田间测量群体光合速率，系统容积大，极难密闭，不宜作高浓度CO2的处理。②若采用开放式同化箱，要保待设定的CO2浓度，使之达到动态平衡需连续供应高浓度CO2不仅成本高，而且又形成了一个CO2排放源。为此，我们设计了一种半封闭式的测量装置，测定群体光合速率。一、装置整个系统主要包括以下几部分：CO2发生源、同化箱、气泵及红外CO2气体分析仪（如图1）。同化箱中的气体经干燥剂去湿，过滤器除尘后，由气泵打入红外仪检测气体CO2浓度变化，再返回同化箱构成一封闭回路。Mi同化箱干燥剂-Mift#^ 6源|II"器I———一 : J — 」,泵__-—一红外仪] 11国iCU.-冲童装置小忘含Fig,1Blockdiagrammeasuringinstallation1-1CO2源CO2源由一个保持一定浓度的CO2气瓶和一个流量计组成供气线路（图1）。在同化箱中不放任何植物，先打开CO2气瓶阀门，保持恒定流量（1L/min），同化箱中CO2浓度随放气时间增加而升高，由红外仪测得CO2浓度一放气时间变化关系，绘制成表格，只要控制放气时间即可为同化箱补给设定的浓度范围。1-2同化箱同化箱为玻璃材料（图2），经铝合金框架固定，为了提高采光率，顶面玻璃向上倾斜以扩大受光面积，玻璃箱体下面为铝合金底座架，架顶（即玻璃箱体的下底面）是活动的铝合金波纹板，其上放置盆栽作物，铝合金底座架一侧有三个小孔；送气孔（补充CO2气）出气孔（抽取气样）和安置各种测量仪器引线备用孔。由CO2源供给的高浓度CO2气体经透明塑料软管，从送气孔进入同化箱，考虑到c02比重大于空气，下沉于地表，必须迫使箱内气流上下交换混合均匀，在箱内北部离地面20cm处安装一蛇形塑胶管，直径16cm，高120cm，管口上方有一排风扇.最小风量3m3/min。不断抽取贴近地面的CO2气体并向上方辐散，同化箱容积为8.6m3，约3min即可混合均匀。出气管置于作物活动面高度，抽取冠层附近的气样，测定群体光合。1,坂璃材料2-铝台-桩您二底♦卑4.波纹板山盆践作物5.进气北。出气孔氏备甩孔9.塑料敦管m•蛇形一软音」1.排风扇困2间化茄结批示意图在封闭式和半封闭式气路测量中，同化箱的密封性能非常重要。尽管我们仔细地用橡皮垫圈等材料密封，尽量减少箱内气体泄漏，然而漏气毕竟难免。因此应事先分别测定各箱体（未放植物）的漏气速率。漏气速率的大小，取决于箱体密封性能的好坏，同时还与箱内的CO2浓度及箱外的风速有关，箱内浓度愈高，漏气愈快，外界风速愈大，漏气也愈快。根据各箱所设定的CO2浓度范围，分别测定由上限浓度降至下限浓度所需要的时间，每隔1min测定一次CO2浓度，绘制成浓度一时间曲线。图3为A箱（设定浓度700±50ppm）在平均风速4.8m/s和9.6m/s条件下的漏气曲线。根据各箱在不同风速条件下的漏气曲线，求得不同风速条件下该箱的漏气速率，进行漏气订正后，才能准确计算植物光合速率。1-3红外CO2分析仪红外CO2分析仪是目前测量光合速率较好的一种仪器，因其可靠、快速、简便而广为应用。本实验选用北京分析仪器厂QGD-07红外仪。它是一个红外光源发射一束红外光，借助斩波器（二组干涉滤光片）转换成4.26um（能被CO2吸收）和3.9um（CO2不吸收）交替变化的红外光，通过气室至锑化锢检测器，根据所接受的红外光的强弱，便得知CO2浓度。QGD-07红外仪输出电流信号uA），仪器于1992年4月由厂方定标，绘制出拼A-ppm定标曲线，测定范围为0〜1000ppm，灵敏度2ppm。

0 1。 20 ~30 仙50时间/顽图3A箱尚气曲线Fig.3ThecurveofleakageCQainchamberA2测量测量步骤如下：①预热：红外仪预热1〜2h；②调零：依图4接通气路1,管中气样经干燥管（内装CaCl2）吸收水汽，过滤器除尘，CO2吸收管（内装碱石灰）吸收全部CO2气体后，由气泵（流量1L/min）抽入红外仪，此时将红外仪指针调至0点（0pA即0ppm）:③定标：根据测量范围，选定合适的CO2标准气（本实验采用由国家标准物质研究中心配置的700ppm±1%的CO2标气），接通气路2,将红外仪指针根据M-ppm定标曲线调至相当于700PPm的电流值。④测量：切断标气，转接同化箱出气管，抽取气样，按图1分别测定各个同化箱内CO2浓度。接通气路后经3min可得到稳定的数值。一旦发现CO2浓度低于设定范围，立即启动CO2发生源，固定流量（1L/min），根据预先绘制的浓度一放气时间表，补给适量的CO2气体，关闭CO2源，保持稳定后（3min），测定该时刻箱内浓度，根据前后二次测定的时间差和浓度差计算出光合速率。困4红外仗调零和调满度示意图Fig.4Tht?dtagramforadjusting四qandfullsealsofinTraredgasanalyzer3、 计算同化箱内群体净光合速率为：&=亨〔『XWX60）祭法X扁X27Fh*"） ⑴式中已一净光合速率,mgCO?/（dm^心 「一同化情内空气的容积・L；帛一两次测定的时间间隔,Tninf At-在血诃隔内浓匿下降虬ppm；T一箱内气温，C; P一大尤依上日；&一群体叶面湘,叫气必魏指击,在小时段内箱中CO2浓度的降低，除齿群体光合作用的吸收外，还有-部分因箱体密封成严-而泄漏所致，因此对公式中^7At需进行蒲气速率订正后方可汁算已.由U）式为r获得光合速率，在测定Cd浓度的同时，还得河戢箱内温度、大气压、『面积及群体所占的体根（从箱体总容殂中扣除而程「）*另外.为了研究群体比合速率和外境生态因子的关系，本试验还测定r光置子通量密度、空气温、湿度，叶面温度，土壤限度及生物量■利用上述装置，我们分别测定了玉米、小麦，大豆.白菜等植物在不同8.浓度水平下的光合速率，取得了较好的结果（另文介绍）.4、 小结实验表明，本系统具有如下特点：（1）可以连续测定植物群体（2X2X2m）的光合速率，对于研究温室气体（CO2浓度倍增）引起全球气候变化对农业的影响等重大课题，测定群体光合速率比用叶室测定单叶光合速率更具代表性；（2）可以调控同化箱中CO2浓度，使植物处于设定的CO2浓度水平下生长，这是封闭式回路无法实现的；（3）与开放式回路相比，本系统节省能源、资金和大功率动力设备，并避免产生新的CO2排放源；（4）本系统在控制CO2浓度的条件下，尚未进行温湿度调控（成本太高），为了解决箱内高温的不利因素，可采用调节植物生育期的办法，使箱内温湿度条件尽量接近正常生育环境，这一点在本实验中已经得到实现。二、种植密度和行距配置对夏玉米群体光合特性及产量的影响宁硕瀛薛吉全教授西北农林科技大学2012届硕士学位研究生学位(毕业)论文2.5试验仪器LP-6400冠层分析仪(美国生产)，SPAD叶绿素测定仪(日本生产)，烘箱，感量电子天平(0.01g)。2.6测定项目与测定方法生育期记载：叶面积、叶绿素SPAD值测定；干物质积累量，透光率计算;收获前田间调查和拷种结果参照薛吉全、马国胜、路海东的方法。生育期：记载玉米的苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后25天和成熟期。叶面积：在各生育时期选典型株取样测定单株叶面积。采用人工测量，用直尺测量每片叶片的长和宽，每试验处理连续测量10株玉米，以长宽系数法计算植株叶面积：叶面积(cm2)=叶长(cm)X叶宽(cm)X0.75。干物质积累量：分别于玉米各生育期测定试点各试验处理的玉米干物质积累量，选择具有代表性植株5株，将地上部分取下，按各器官进行分解，于干燥箱105°C杀青15min，然后于干燥箱80°C连续烘干至恒重称其质量，计算干物质积累量。透光率：于各生育期用LP-80作物冠层分析仪调查不同群体不同部位的光强，每个处理同一部位调查10个点，取其平均值。叶绿素SPAD值：用日本生产的SPAD叶绿素测定仪在代表叶片上选取5个不同的点进行测定，取平均值。收获前田间调查与拷种计产：收获前调查记录空秆率、倒伏率、实收株数；每个品种按梅花型取样，收取20个果穗进行室内拷种，收获计产，每个品种收取小区中间3行的全部果穗，称其鲜重，根据20个果穗的折干率计算其实际产量，再转换成单位面积的产量。产量(kg/hm2)=收获果穗鲜重(kg)X20穗干重/20穗鲜重/收获面积(hm2)。叶绿素含量：于各个生育时期，选取代表植株叶片上均匀分布的5个点，用SPAD叶绿素测定仪