測(cè)量群體光合

測(cè)量群體光合一、植物群體光合速率測(cè)定裝置與方法

王修蘭徐師華李佑祥（中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)氣象研究所）植物光合作用是指綠色植物在陽(yáng)光照射下吸收CO2和水，合成碳水化合物并釋放O2的過(guò)程。依據(jù)這一原理，測(cè)量光合作用一般有三種途徑：即測(cè)定葉片干物質(zhì)積累速率、葉片釋放02的速率和葉片吸收CO2的速率。近20多年來(lái)，隨著紅外線CO2氣體分析儀的問(wèn)世和普及，為測(cè)定CO2交換速率提供了一種良好的手段。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都以采用同化室法測(cè)定單葉的光合速率居多，即把葉片置于一透明的同化室（葉室）中，根據(jù)葉室進(jìn)、出口處CO2濃度差和通風(fēng)量求算光合速率，這種方法稱開放式測(cè)定，也可以在封閉的葉室中，根據(jù)室內(nèi)CO2濃度的減少量來(lái)求算光合速率，稱為封閉式測(cè)定。然而植物單葉和群體的光合速率，因其受光及其他環(huán)境（溫、濕度等）條件的不同，而有著明顯的差異。小型的同化室無(wú)法用于群體測(cè)量。國(guó)內(nèi)外也有利用塑料薄膜在田間把植物圍成一個(gè)簡(jiǎn)易的同化箱體，下部用土壓實(shí)、測(cè)定自然環(huán)境下群體的光合速率的研究。為了探討CO2濃度倍增對(duì)農(nóng)作物的影響，利用上述簡(jiǎn)易同化箱由于相互制約的因子較多，難以達(dá)到預(yù)期目的。其理由是：①采用封閉式系統(tǒng)在田間測(cè)量群體光合速率，系統(tǒng)容積大，極難密閉，不宜作高濃度CO2的處理。②若采用開放式同化箱，要保待設(shè)定的CO2濃度，使之達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡需連續(xù)供應(yīng)高濃度CO2不僅成本高，而且又形成了一個(gè)CO2排放源。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種半封閉式的測(cè)量裝置，測(cè)定群體光合速率。一、裝置整個(gè)系統(tǒng)主要包括以下幾部分：CO2發(fā)生源、同化箱、氣泵及紅外CO2氣體分析儀（如圖1）。同化箱中的氣體經(jīng)干燥劑去濕，過(guò)濾器除塵后，由氣泵打入紅外儀檢測(cè)氣體CO2濃度變化，再返回同化箱構(gòu)成一封閉回路。Mi同化箱干燥劑-Mift#^ 6源|II"器I———一 : J — 」,泵__-—一紅外儀] 11國(guó)iCU.-沖童裝置小忘含F(xiàn)ig,1Blockdiagrammeasuringinstallation1-1CO2源CO2源由一個(gè)保持一定濃度的CO2氣瓶和一個(gè)流量計(jì)組成供氣線路（圖1）。在同化箱中不放任何植物，先打開CO2氣瓶閥門，保持恒定流量（1L/min），同化箱中CO2濃度隨放氣時(shí)間增加而升高，由紅外儀測(cè)得CO2濃度一放氣時(shí)間變化關(guān)系，繪制成表格，只要控制放氣時(shí)間即可為同化箱補(bǔ)給設(shè)定的濃度范圍。1-2同化箱同化箱為玻璃材料（圖2），經(jīng)鋁合金框架固定，為了提高采光率，頂面玻璃向上傾斜以擴(kuò)大受光面積，玻璃箱體下面為鋁合金底座架，架頂（即玻璃箱體的下底面）是活動(dòng)的鋁合金波紋板，其上放置盆栽作物，鋁合金底座架一側(cè)有三個(gè)小孔；送氣孔（補(bǔ)充CO2氣）出氣孔（抽取氣樣）和安置各種測(cè)量?jī)x器引線備用孔。由CO2源供給的高濃度CO2氣體經(jīng)透明塑料軟管，從送氣孔進(jìn)入同化箱，考慮到c02比重大于空氣，下沉于地表，必須迫使箱內(nèi)氣流上下交換混合均勻，在箱內(nèi)北部離地面20cm處安裝一蛇形塑膠管，直徑16cm，高120cm，管口上方有一排風(fēng)扇.最小風(fēng)量3m3/min。不斷抽取貼近地面的CO2氣體并向上方輻散，同化箱容積為8.6m3，約3min即可混合均勻。出氣管置于作物活動(dòng)面高度，抽取冠層附近的氣樣，測(cè)定群體光合。1,坂璃材料2-鋁臺(tái)-樁您二底?卑4.波紋板山盆踐作物5.進(jìn)氣北。出氣孔氏備甩孔9.塑料敦管m?蛇形一軟音」1.排風(fēng)扇困2間化茄結(jié)批示意圖在封閉式和半封閉式氣路測(cè)量中，同化箱的密封性能非常重要。盡管我們仔細(xì)地用橡皮墊圈等材料密封，盡量減少箱內(nèi)氣體泄漏，然而漏氣畢竟難免。因此應(yīng)事先分別測(cè)定各箱體（未放植物）的漏氣速率。漏氣速率的大小，取決于箱體密封性能的好壞，同時(shí)還與箱內(nèi)的CO2濃度及箱外的風(fēng)速有關(guān)，箱內(nèi)濃度愈高，漏氣愈快，外界風(fēng)速愈大，漏氣也愈快。根據(jù)各箱所設(shè)定的CO2濃度范圍，分別測(cè)定由上限濃度降至下限濃度所需要的時(shí)間，每隔1min測(cè)定一次CO2濃度，繪制成濃度一時(shí)間曲線。圖3為A箱（設(shè)定濃度700±50ppm）在平均風(fēng)速4.8m/s和9.6m/s條件下的漏氣曲線。根據(jù)各箱在不同風(fēng)速條件下的漏氣曲線，求得不同風(fēng)速條件下該箱的漏氣速率，進(jìn)行漏氣訂正后，才能準(zhǔn)確計(jì)算植物光合速率。1-3紅外CO2分析儀紅外CO2分析儀是目前測(cè)量光合速率較好的一種儀器，因其可靠、快速、簡(jiǎn)便而廣為應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)選用北京分析儀器廠QGD-07紅外儀。它是一個(gè)紅外光源發(fā)射一束紅外光，借助斬波器（二組干涉濾光片）轉(zhuǎn)換成4.26um（能被CO2吸收）和3.9um（CO2不吸收）交替變化的紅外光，通過(guò)氣室至銻化錮檢測(cè)器，根據(jù)所接受的紅外光的強(qiáng)弱，便得知CO2濃度。QGD-07紅外儀輸出電流信號(hào)uA），儀器于1992年4月由廠方定標(biāo)，繪制出拼A-ppm定標(biāo)曲線，測(cè)定范圍為0?1000ppm，靈敏度2ppm。

0 1。 20 ~30 仙50時(shí)間/頑圖3A箱尚氣曲線Fig.3ThecurveofleakageCQainchamberA2測(cè)量測(cè)量步驟如下：①預(yù)熱：紅外儀預(yù)熱1?2h；②調(diào)零：依圖4接通氣路1,管中氣樣經(jīng)干燥管（內(nèi)裝CaCl2）吸收水汽，過(guò)濾器除塵，CO2吸收管（內(nèi)裝堿石灰）吸收全部CO2氣體后，由氣泵（流量1L/min）抽入紅外儀，此時(shí)將紅外儀指針調(diào)至0點(diǎn)（0pA即0ppm）:③定標(biāo)：根據(jù)測(cè)量范圍，選定合適的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣（本實(shí)驗(yàn)采用由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心配置的700ppm±1%的CO2標(biāo)氣），接通氣路2,將紅外儀指針根據(jù)M-ppm定標(biāo)曲線調(diào)至相當(dāng)于700PPm的電流值。④測(cè)量：切斷標(biāo)氣，轉(zhuǎn)接同化箱出氣管，抽取氣樣，按圖1分別測(cè)定各個(gè)同化箱內(nèi)CO2濃度。接通氣路后經(jīng)3min可得到穩(wěn)定的數(shù)值。一旦發(fā)現(xiàn)CO2濃度低于設(shè)定范圍，立即啟動(dòng)CO2發(fā)生源，固定流量（1L/min），根據(jù)預(yù)先繪制的濃度一放氣時(shí)間表，補(bǔ)給適量的CO2氣體，關(guān)閉CO2源，保持穩(wěn)定后（3min），測(cè)定該時(shí)刻箱內(nèi)濃度，根據(jù)前后二次測(cè)定的時(shí)間差和濃度差計(jì)算出光合速率。困4紅外仗調(diào)零和調(diào)滿度示意圖Fig.4Tht?dtagramforadjusting四qandfullsealsofinTraredgasanalyzer3、 計(jì)算同化箱內(nèi)群體凈光合速率為：&=亨〔『XWX60）祭法X扁X27Fh*"） ⑴式中已一凈光合速率,mgCO?/（dm^心 「一同化情內(nèi)空氣的容積?L；帛一兩次測(cè)定的時(shí)間間隔,Tninf At-在血訶隔內(nèi)濃匿下降虬ppm；T一箱內(nèi)氣溫，C; P一大尤依上日；&一群體葉面湘,叫氣必魏指擊,在小時(shí)段內(nèi)箱中CO2濃度的降低，除齒群體光合作用的吸收外，還有-部分因箱體密封成嚴(yán)-而泄漏所致，因此對(duì)公式中^7At需進(jìn)行蒲氣速率訂正后方可汁算已.由U）式為r獲得光合速率，在測(cè)定Cd濃度的同時(shí)，還得河戢箱內(nèi)溫度、大氣壓、『面積及群體所占的體根（從箱體總?cè)蓍阒锌鄢獭福?另外.為了研究群體比合速率和外境生態(tài)因子的關(guān)系，本試驗(yàn)還測(cè)定r光置子通量密度、空氣溫、濕度，葉面溫度，土壤限度及生物量■利用上述裝置，我們分別測(cè)定了玉米、小麥，大豆.白菜等植物在不同8.濃度水平下的光合速率，取得了較好的結(jié)果（另文介紹）.4、 小結(jié)實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）可以連續(xù)測(cè)定植物群體（2X2X2m）的光合速率，對(duì)于研究溫室氣體（CO2濃度倍增）引起全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響等重大課題，測(cè)定群體光合速率比用葉室測(cè)定單葉光合速率更具代表性；（2）可以調(diào)控同化箱中CO2濃度，使植物處于設(shè)定的CO2濃度水平下生長(zhǎng)，這是封閉式回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；（3）與開放式回路相比，本系統(tǒng)節(jié)省能源、資金和大功率動(dòng)力設(shè)備，并避免產(chǎn)生新的CO2排放源；（4）本系統(tǒng)在控制CO2濃度的條件下，尚未進(jìn)行溫濕度調(diào)控（成本太高），為了解決箱內(nèi)高溫的不利因素，可采用調(diào)節(jié)植物生育期的辦法，使箱內(nèi)溫濕度條件盡量接近正常生育環(huán)境，這一點(diǎn)在本實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。二、種植密度和行距配置對(duì)夏玉米群體光合特性及產(chǎn)量的影響寧碩瀛薛吉全教授西北農(nóng)林科技大學(xué)2012屆碩士學(xué)位研究生學(xué)位(畢業(yè))論文2.5試驗(yàn)儀器LP-6400冠層分析儀(美國(guó)生產(chǎn))，SPAD葉綠素測(cè)定儀(日本生產(chǎn))，烘箱，感量電子天平(0.01g)。2.6測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法生育期記載：葉面積、葉綠素SPAD值測(cè)定；干物質(zhì)積累量，透光率計(jì)算;收獲前田間調(diào)查和拷種結(jié)果參照薛吉全、馬國(guó)勝、路海東的方法。生育期：記載玉米的苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后25天和成熟期。葉面積：在各生育時(shí)期選典型株取樣測(cè)定單株葉面積。采用人工測(cè)量，用直尺測(cè)量每片葉片的長(zhǎng)和寬，每試驗(yàn)處理連續(xù)測(cè)量10株玉米，以長(zhǎng)寬系數(shù)法計(jì)算植株葉面積：葉面積(cm2)=葉長(zhǎng)(cm)X葉寬(cm)X0.75。干物質(zhì)積累量：分別于玉米各生育期測(cè)定試點(diǎn)各試驗(yàn)處理的玉米干物質(zhì)積累量，選擇具有代表性植株5株，將地上部分取下，按各器官進(jìn)行分解，于干燥箱105°C殺青15min，然后于干燥箱80°C連續(xù)烘干至恒重稱其質(zhì)量，計(jì)算干物質(zhì)積累量。透光率：于各生育期用LP-80作物冠層分析儀調(diào)查不同群體不同部位的光強(qiáng)，每個(gè)處理同一部位調(diào)查10個(gè)點(diǎn)，取其平均值。葉綠素SPAD值：用日本生產(chǎn)的SPAD葉綠素測(cè)定儀在代表葉片上選取5個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，取平均值。收獲前田間調(diào)查與拷種計(jì)產(chǎn)：收獲前調(diào)查記錄空稈率、倒伏率、實(shí)收株數(shù)；每個(gè)品種按梅花型取樣，收取20個(gè)果穗進(jìn)行室內(nèi)拷種，收獲計(jì)產(chǎn)，每個(gè)品種收取小區(qū)中間3行的全部果穗，稱其鮮重，根據(jù)20個(gè)果穗的折干率計(jì)算其實(shí)際產(chǎn)量，再轉(zhuǎn)換成單位面積的產(chǎn)量。產(chǎn)量(kg/hm2)=收獲果穗鮮重(kg)X20穗干重/20穗鮮重/收獲面積(hm2)。葉綠素含量：于各個(gè)生育時(shí)期，選取代表植株葉片上均勻分布的5個(gè)點(diǎn)，用SPAD葉綠素測(cè)定儀