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植物叶片光合速率与呼吸速率的测定—红外线 CO2 气体分析法

制作人：赵世杰

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● 光合作用是唯一能把太阳能转化为稳定的化学能贮藏在有机物中的一个化学过程，是农作物产量形成的决定性因素。

● 植物生理学、生态学、作物栽培学、作物育种学、林学、植物营养、病理等研究工作中，经常需要测定光合速率，根据实验材料选择一种快速、准确而又简便的光合速率测定方法，以满足科学研究的需要。

概述概述

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CO2 + 2H2O* + 4.69kJ → (CH2O) + O*

2 + H2O

原则上可以测定任一反应物的消耗速率或产物的生成速率来表示光合速率。 测定方法： CO2 的吸收

O2 的释放 有机物的积累

光合作用的总反应式：

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( 一 ) 氧气的释放 氧电极（实验 20 ） 离体测定( 二 ) 干物质的积累 半叶法（实验 21 ） 离体测定 群体光合能力 离体测定

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（三） CO2 的吸收测定光合速率

1. 化学滴定法 主要测定呼吸（实验 22 ） 2. pH 法（已经淘汰） 3. 红外线气体分析仪 (IRGA) 法 联体测定

具有灵敏度高、反应迅速，抗干扰性强，操作方便，可以进行活体的、连续的测定等突出优点，因而被广泛应用于农业测定和科学研究中。

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1 红外线气体分析仪工作原理

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红外线经过 CO2 气体分子时被气体分子吸收，透过的红外线能量减少，被吸收的红外光能量的多少与该气体的吸收系数（ K ），气体浓度（ C ）和气层的厚度（ L ）有关，并服从朗伯 -

比尔定律，可用下式表示：

E=E0eKCL

E0 为入射红外光的能量， E 为透过的红外光的能量

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C DS RA 350

R

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CO2 对红外线的最大吸收峰： 4.26μm

H2O 吸收红外线，同理应用红外线技术测

量气体中水分的含量。

H2O 对红外线的最大吸收峰： 2.19μm

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红外线气体分析仪只能进行 CO2 浓度和 H2

O 浓度的测定，要测定光合速率必须与气路系统相结合。

常用的气路系统主要有：

（ 1 ）开放式气路系统

（ 2 ）密闭式气路系统

2 光合作用测定的气路系统

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公式： Pn=F× C/S△

P

P F

F C

PAR

A AIR △CO2

稳定 CO2 气体

（ 1 ）开放式气路系统

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1. 长时间动态监测2. 恒态测定；维持 CO2稳定值

3. 测定光－光合曲线：测定同一个叶片 不同光强下的光合速率4. 测定 CO2－光合曲线；测定同一个叶片

不同 CO2下的光合速率

开放式气路系统的优点：

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5. 测定光呼吸： R=Pn2-Pn21

低氧气体（ 2 ～ 3 ％ O2 ， 360ppmCO2 ）

与正常空气（ 21 ％ O2 ， 360ppmCO2 ）

测定不同气体下的光合速率之差即为光呼吸。 6. 控制温度下光合速率的测定 7. 湿度曲线： 控制进入叶室中气体的湿度

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公式： Pn= C/ t×V/S△ △

C

PA

R

(2) 密闭式气路系统

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（（一） TPS-1 光合仪的基本配置

主机

叶室

红外仪与供气系统

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连接叶室分析气管 A

连接叶室参比气管 B

操作键盘

连接充电器

电源开关 显示屏连接叶室

连接数据传输线

显示屏亮度调节孔

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光源和遮光片

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（二）（二） TPS-1 光合测定系统测定原理与气路连接 1. 气路系统（开放式）

P

P F

F C

PAR

A AIR

△CO2

△H2O

稳定 CO2 气体稳定 H2O 气体

测定的参数：光合速率： A ；蒸腾速率： E ；气孔导度： G

细胞间隙 CO2 浓度： CI ；呼吸速率： -A

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开放式气路对气路的连接要求非常严格，参比气和分析气口不能反接。 PLC A ：分析气路的出气口，叶室管子上标有“ A” ，连接主机上的“ A” ； PLC R ：叶室参比气供应进气口，叶室管子上标有“ R” ，连接主机上的“ R” 。

2. 气路连接

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干燥剂管 碱石灰管碱石灰管水分平衡器

空气进气口

3.3. 吸收管管 碱石灰管吸收 CO2 ，调零和控制 CO2

干燥剂管吸收水分，调零和控制水分

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4. 键盘功能

0~9 为正常的数字输入键。 Y=Yes ，接受一个数值， 或进入下一菜单。 N=No ，结束一个操作时按此键。 R= 在测量状态下，按此键记录测定结果。 X= 转换，在测量状态时，按此键在测定参数和 计算结果的数据之间交替显示。

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1REC ：测定2CAL ：校正 3DMP ：数据输出 4CLR ：清除内存 5CLK ：时钟校正 6DIAG ：诊断按“ 1” 进入测定模式显示以下菜单：

1REC 2CAL 3DMP 4CLR 5CLK 6DIAG

（三） TPS-1 光合系统操作步骤

开机，显示主菜单：

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SET PLC 1:BROAD 2:UNIVERSAL

SET PLC ：选择叶室

1:BROAD ：标准叶室 2:UNIVERSAL ：通用型叶室 按“ 2” 选择通用型叶室

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1 REC:M/A 2 INT:001 FLO:300

选择叶室后显示设置菜单 1 ：

1REC ：记录类型； A:自动记录 ; M:手动记录 按“ 1” 键在“ A” 和“ M” 间转换2INT ：自动记录的时间间隔； M记录时为“ 0”

FLO ：气体流量，固定值，不需要设定。 按“ 1” 键选择 M

按“ Y” 键，然后显示：

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1 LIGHT=SUN(or LAMP)2 LEAF AREA=05.0

1LIGHT ：设置光源类型； SUN 为自然光， LAMP 为人工光源。2LEAF AREA ：夹入叶室内的实际叶面积 5.4cm2

按“ 1” 键选择光源类型；按“ 2” 键输入叶面积；按“ Y” 键，然后显示：

设置菜单 2 ：

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不同类型叶室夹叶片的方法：

PAR5.4cm5.4cm22

PAR

4.5cm4.5cm22

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1 P:01 R:01 FREE RECORDS nnn

1 P ：小区号，用户输入，用于识别不同处理；R ： 记录号，如改变小区号，记录号重新设置为 01 ；FREE RECORDS nnn ：存储器剩余存储数量。按“ 1” 键可以改变小区号，输入区号范围 01-89 。按“ Y” 键，然后仪器进入预热状态，屏幕显示 :

WARM UP DELAY TEMP.= 40

设置菜单 3 ：

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C nnnn +/-nnn Q nnnn H nn.n +/-nn.n T nn.n

C ：参比 CO2 浓度，以 ppm 为单位；+/-nnn ：分析气与参比气 CO2 浓度差值，单位 ppm

Q ：光量子通量密度，单位 μmol·m-2·s-1 ；H ：参比水蒸气压，以毫巴为单位（ 0.0~75.0 ）； +nn.n ：分析气与参比气水蒸气压之间的差值， 以毫巴为单位；T ：叶室温度，以℃为单位。

当完成预热后（ 55 ），显示测定菜单：

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按转换键（ X ）可以交替显示测定数据和计算结果：

E nn.nn G nnnn T nnA +/-nn.n CI nnnn

E ：蒸腾速率，以 mmol·m-2·s-1 为单位；G ：气孔导度，以 mmol·m-2·s-1 为单位；T ：叶片温度，以℃为单位；A ：光合 / 呼吸速率，单位： μmol·m-2·s-1 ； 正 值为光合速率，负值为呼吸速率。

CI ：细胞间隙 CO2 浓度，以 ppm 为单位。

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1REC 2CAL 3DMP4CLR 5CLK 6DIAG

1 REC:A/M 2 INT:001 FLO:300

1

Y

1: LIGHT = SUN (or LAMP) 2: LEAF AREA = 05.0

1 P:01 R:01 nnnFREE RECORDS nnn

Y

N

C nnnn +/-nnn Q nnnnH nn.n +/-nn.n T nn.n

Enn.nn Gnnnn TnnA+/-nn.n CInnn

X Y Y

1: CO CONTROL2: H O CONTROL.

CO2 STEP n (MAX=6)N=CHANGE Y=OK

H2O STEP n (MAX=4)N=CHANGE Y=OK

1 2Y Y

Y 3

Y

Y

1

2 Y

N

N

CO2 CONC = nnnnKEY0 WHEN STEADY

Y2

1: SCREEN DISPLAY2: DATA DUMP 1/2?

PLOT 01 REC 0109/03 12:19

3 N

12

清除内存

1:SEE DATA INPUT2:INITIALISE

654

CR: nnnnn A:nnnnn Z:nnnnn

DISPLAY 1

1

HUMIDITY REF: nnn ANALYSIS: nnn

Y DISPLAY 2

N Menu

N Menu

LCT nnn PAR nnnn

DISPLAY 3

DISPLAY 4

Y

RHT nnn ANT nnnATP nnnn AUX nnn

YN Menu

N Menu

进行初始化0462测试代码

2

CO 输入标准 浓度2

CO H O,无标准 不能进行该步骤操作2

Y显示下一个结果

N返回主菜单

PC传输

诊断仪器性能

时钟校正2

2

TPS-1 光合作用测定系统操作步骤图

N

SET PLC 1:BROAD2:UNIVERSAL

1/2

11 CO CAL2 H O CAL2

2

2C nnnn -nnn QnnnnH nn.n +nn.n T nn.n

Enn.n Gnnnn T nnA+nn.n CInnn

7

7

7

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选择待测叶片夹入同化室，给以适当的光照，观察△ CO2 值和水分差值变化，待△ CO2 值稳定后 (40

秒 ~1min)按“ X” 转换键观察结果，记录测定结果。

一个叶片的测定结束，进行另一叶片的测定。

（四） 光合速率的测定

E 02.01 G 0120 T 25.A +18.3 CI 0098

C 0385 -035 Q 0600H 09.2 05.8 T 26.6

X测定菜单 结果

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实验材料：

　　玉米叶片 （ C4 植物）

　　杂交酸模叶片（ C3 植物）

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1 、不同叶片的光合速率：

试验材料 衰老1

衰老2

幼叶 3 幼叶 4功能5

功能６

CO2 浓度 C

光强度 Q

温度 T

蒸腾速率 E

气孔导度 G

叶片温度 TL

光合速率 A

细胞间隙 CO2

浓度 CI

植物材料名称：

呼吸速率：

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如何测定？　测定 3-5 个叶片

2 、呼吸速率的测定

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当 TPS处于测量状态时，按“ N” 键返回到主菜单，然后再关机。 光合速率的测定都采用成套的光合作用测定系统，测定速度很快。但是，环境中的光、温度、 CO2 浓度、空气湿度对测定结果都有影响。

注 意