植物特征光谱测试系统研制及应用

以植物光合作用的基本原理和一种植物特征光谱实验方法的发明专利为依据,介绍以双驼峰光谱光源为基础,研制出能够产生覆盖光合有效辐射范围的多种单色光发生器,采用多种单色光发生器和光合作用测试仪组合构建植物特征光谱测试系统。阐述如何通过植物特征光谱测试系统获取植物单色光光合响应曲线、对应的饱和点曲线和补偿点曲线,并通过具体案例介绍该系统应用,为植物光照提供技术指导。

基于单色光的植物光合响应曲线及其模型研究

【目的】研究不同植物幼苗在多种单色光条件下的光合响应曲线及其数学模型,为植物工厂作物栽培架等现代农业种植设施的研发提供理论依据。【方法】应用植物特征光谱试验方法及其测试系统,获取10种植物幼苗的22种单色光的光合响应曲线;选择红椎与马褂木两个具有代表性的植物,得出对应单色光光合响应曲线的数学模型;根据渐近线型单色光植物光合响应曲线的特点提出准饱和点光强的概念及计算方法,再依据所测定的植物幼苗22种单色光的饱和点光强,比较理论计算值与实际测定值的偏差程度,并以此为基础绘制植物光合作用饱和点曲线。【结果】植物幼苗的光合响应曲线可分为两类,以红椎为代表的一类植物光合响应曲线呈渐近线型,这类曲线没有极值;以马褂木为代表的一类植物光合响应曲线则有拐点,这类曲线有极值。模型计算得到的准饱和点光强与实际测定的饱和点光强具有较高的拟合度,经过对数据的综合处理,获得对应的饱和点曲线和补偿点曲线。【结论】采用植物特征光谱试验方法及其测试系统可以得到植物在单色光条件下的光合响应曲线,揭示了不同植物光合作用的规律及特点。由此提出的植物光合响应数学模型与实测值具有较高拟合度,可作为研究分析植物光合作用现象的重要参考。

洱海沉水植物的光合特性与分布水深的关系

为研究沉水植物光合特性与其分布水深的关系,选取黑藻(Hydrilla verticillata)、苦草(Vallisneria natans)、水蕴草(Egeria densa)、大茨藻(Najas marina)、微齿眼子菜(Potamogeton maackianus)、光叶眼子菜(Potamogeton lucens)和穿叶眼子菜(Potamogeton perfoliatus)等15种洱海常见沉水植物,测定其光合作用参数。结果表明:光合速率为2.8—18.1μmol O_(2)/(g DW·h)、暗呼吸速率为0.3—2.0μmol O_(2)/(g DW·h)、光补偿点为6.3—63.8μE/(m^(2)·s)、光饱和点为55.6—441.5μE/(m^(2)·s),不同沉水植物间光合作用参数存在显著差异。结合洱海全湖沉水植物分布水深调查结果,沉水植物的光补偿点和光饱和点与分布水深呈显著负相关;苦草与其他物种比较具有更低的光补偿点6.3μE/(m^(2)·s)、光饱和点55.6μE/(m^(2)·s),更适宜在深水或弱光条件下生长,可作为沉水植被修复的先锋物种。

黄土高原常见造林树种光合蒸腾特征

为改善黄土丘陵沟壑区水土流失现状,该区长期以来开展了大量的植被建设,但是,植物的适应性及生长状况如何,还不十分清楚。为探讨造林树种对环境的适应性,从光合、蒸腾和生理生态指标出发,对黄土高原3个主要退耕还林树种:刺槐、沙棘、山杏的适应性进行了研究,并对其适宜性进行了评价。研究结果表明:沙棘不同坡位最大净光合速率Pmax、光补偿点LSP较其它两个树种占明显优势,特别是在上坡位Pmax、LSP分别达到了22.8μmol·m-·2s-1、520μmol·m-·2s-1,具有较高的同化代谢能力,该物种较适应该地区的强光环境,适宜种植于阳坡或坡顶;山杏LSP相对较低,而表观量子效率α明显高于沙棘、刺槐,并在下坡位达到最大值0.069,说明它主要利用弱光进行光合作用,适宜种植于阴坡或坡脚等弱光环境中,但由于山杏水分利用效率WUE较低,可能对环境带来不良影响,山杏叶片含水量为65.1%,明显高于其它两个树种,而叶绿素含量仅为0.94mg/g与刺槐沙棘的2.34mg/g和2.00mg/g相差很大,这可能是导致其WUE较低的一个原因;刺槐在上坡位的光合生理参数与山杏相差不大,但是随坡位下降其α、净光合速率Pn较山杏明显偏低各个坡位受限明显,容易形成老头树。

鹅掌柴叶片秋季光合特性

采用LI-6400型便携式光合测定系统对鹅掌柴(Schefflera octophylla(Lour.)Harms)叶片秋季光合特性进行了研究。结果表明:鹅掌柴净光合速率日变化呈双峰曲线,最高峰出现在11:00左右,次峰出现在15:00,存在光合"午休"现象。鹅掌柴日最大净光合速率为3.915μmol·m-2·s-1,光补偿点为10.773μmol.m-2.s-1,光饱和点为338.618μmol·m-2·s-1。其光饱和点和光补偿点均较低,表明它是一种较耐荫的植物。

8个种源黄芩光合特性的比较研究

以8个种源黄芩为研究对象,对其光合特性进行了比较研究。结果表明:8个种源黄芩的净光合速率、光饱和点、光补偿点等光合指标间差异显著,其中渭源种源黄芩对高光强利用能力最强,光饱和点为(1575±68)μmol/(m2.s),赤峰种源黄芩对弱光利用能力显著高于其他种源,光补偿点为(52±17)μmol/(m2.s);净光合速率日变化均呈“双峰”曲线,上下午各有一高峰,午后2:00净光合速率均显著降低,出现光合“午休”现象。

独叶草的光合生理生态特性

应用CI-301PS便携式光合测定仪对独叶草(Kingdoniauniflora)营养叶的光合生理生态特征进行了研究。结果表明:独叶草的净光合速率(Pn)日变化曲线呈双峰型,峰值出现在13:30和16:30左右,具有明显的光合"午休"现象;其叶片的蒸腾速率(Tr),水分利用率(WUE)的变化也呈双峰型。自然条件下,独叶草叶片净光合速率与光合有效辐射(PAR)、蒸腾速率、气孔导度(Gs)之间都具有多项式回归关系,R2分别为0·2082、0·2016和0·0582(n=129,P<0·05),但独叶草叶片净光合速率与空气温度(Ta)相关性不显著(P>0·05)。独叶草叶片的光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)分别为14·93和215·76μmol·m-2·s-1,只能适应较窄的光照环境。

陕北黄土高原丘陵沟壑区沙棘的光合特性研究

利用便携式光合作用测定系统测定了陕北吴旗县沙棘年生长季内叶片净光合速率随光照强度和CO2浓度的变化规律，并测定了沙棘叶片的蒸腾速率（Tr）和水分利用率（WUE）。结果表明：沙棘叶片光补偿点（LCP）在年生长季内的变化范围为15．66～112．31μmol／（m^2·s），光饱和点（LSP）变化范围为1327．39～1638．89μmol／（m^2·s），表观光量子效率（φ）的变化范围为0．0052～0．0122μmol／mol；沙棘叶片的COq补偿点（CCP）在年生长季内的变化范围为120．83～278．29μmol／mol，CO2饱和点（CSP）的变化范围为192．24～775．59μmol／mol。表明沙棘为C3植物，不耐荫，宜栽植在阳光充足的地方。沙棘在年生长季内Tr的变化为：8月、9月高于6月、7月、5月；8月份的蒸腾速率最高，5月份的蒸腾速率最低，WUE高低排序为：9月〉5月〉8月〉7月〉6月。

干旱胁迫对两种油桐幼苗生长、气体交换及叶绿素荧光参数的影响

为了探究干旱胁迫对两种油桐(三年桐和千年桐)幼苗光合生理特性的变化及响应,采用盆栽试验,研究不同水分处理(正常供水、轻度干旱、中度干旱、重度干旱)对油桐幼苗生长、叶片气体交换及叶绿素荧光参数的影响。结果表明:与对照相比,轻度干旱胁迫对两种油桐生长、气体交换及叶绿素荧光参数无明显影响(P>0.05);中度干旱及重度干旱使两种油桐的叶绿素SPAD值、生长量、净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)、气孔限制值(L_s)、最大净光合速率(P_(nmax))、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY)、暗呼吸速率(R_d)、最大光化学效率(F_v/F_m)、实际光化学量子效率(Φ_(PSⅡ))、电子传递速率(ETR)及光化学猝灭系数(q_P)显著下降(P<0.05),且在重度干旱胁迫下迅速下降,胞间CO_2浓度(C_i)、水分利用效率(WUE)、光补偿点(LCP)、初始荧光(F_o)、非光化学猝灭系数(NPQ)显著升高(P<0.05);中度干旱胁迫下油桐幼苗P_n的降低是由气孔因素及光合机构活性降低的非气孔因素共同引起的,而重度干旱胁迫下光合作用的下降主要是由光合机构活性降低的非气孔因素引起的。三年桐的光合机构活性及光合效率高于千年桐,对干旱胁迫的适应性较千年桐强。

刨花楠不同种源主要光响应指标分析

Net photosynthetic rates(Pn) were measured in 18-month-old seedlings of Machilus pauhoi from two provenances of Suichuan in Jiangxi and Jian’ou in Fujian using a LiCor LI-6400 portable photosynthesis system(LiCor Inc.,Lincoln,NE,USA) with a LED light source. The other photosynthetic parameters,including maximum net photosynthetic rate(Pmax),apparent quantum yield(AQY),light saturation point(LSP) and light compensation point(LCP),were also detected in response to irradiation. The results showed: The average P max,AQY,LSP and LCP of the seedlings from the two provinces were 12.65 μmolCO2.m -2 s -1,0.052 7 μmolCO2.μmol -1 photons,1 120.99 μmol.m -2 s -1 and 18.03 μmol.m -2 s -1 respectively. There were significant differences between the two provenances in the all photosynthetic parameters except for AQY. The provenance of Suichuan performed better than that from Jian’ou with higher P max,AQY and LSP of 30.48%,4.66% and 25.70% respectively,though the LCP of Suichuan provenance was higher and needed stronger illumination. There was more variation in P max,AQY,LSP and LCP between the two provenances than that within the two provenances. There were significant differences between the upper and lower crown layers with higher P max and AQY in the upper crown,while there was no difference in LCP and LSP between the two crown layers due to the integrated influence of the shape of seedling crowns and the photosensitivity of leaves.

显脉金花茶的光合生理特性研究

采用LI-6400便携式光合测定系统(Li-CorInc.,USA)对显脉金花茶光合特性进行研究。结果表明:(1)在夏季,显脉金花茶叶片的Pn日变化呈单峰曲线,最高峰出现在中午11:00。其最大净光合速率(Pmax)为3.81μmol·m-2.s-1、光饱和点(LSP)为459.9μmol·m-2·s-1、光补偿点(LCP)为6.9μmol·m-2·s-1。显脉金花茶的光饱和点和光补偿点都比较低,表明其是一种阴生植物。(2)在控制光照强度和温度的条件下,CO2浓度小于800μmol·mol-1,Pn几乎呈直线上升,升高CO2浓度可使显脉金花茶的净高合速率增大,提高了叶片对光能的利用率。其叶片CO2饱和点(CSP)大约在1200μmol·mol-1左右,CO2的补偿点(Г*)为70.1μmol·mol-1,最大羧化速率(Vcmax)为17.5μmol·m-2·s-1,最大电子传递速率(Jmax)为40μmol·m-2·s-1。

木荷种源间光合作用参数分析

基于直角双曲线修正模型估算3个不同纬度的木荷种源(开平、太平和永丰种源)光补偿点、饱和点、最大净光合速率等参数,以便为评价不同木荷种源对环境的适应能力和优良种源选择等提供科学依据。结果表明:在3个不同纬度种源中,开平种源具有最高的净光合速率、最大净光合速率和较高的表观量子效率,且其生长速率最快;太平种源光饱和点最高,但其净光合速率、表观量子效率和最大净光合速率最低,其生长速率也最低;永丰种源具有较高的净光合速率、最大净光合速率和表观量子效率,其生长速率略高于太平种源。3个不同纬度木荷种源中,南部开平种源对当地环境具有较强的适应能力和生长潜力,具有较高的推广应用价值。

黄栌叶片光合特性

采用Li-6400光合测定系统以多年生黄栌(Cotinus coggygria Scop.)为研究对象,测定其光合特性日变化及光响应。结果表明:黄栌光合速率日变化呈双峰型,存在光合"午休"现象。日最大光合速率为8.123μmol·m-2·s-1。光合速率与蒸腾速率、气孔导度之间呈正相关,与胞间CO2体积分数呈负相关;胞间CO2在体积分数为4×10-4时,黄栌光补偿点为30μmol·m-2·s-1,光饱和点为1514μmol·m-2·s-1。黄栌的光合特性表明其为典型的阳性耐荫植物,对光照的适应性较强。

野生与栽培黄花蒿净光合速率对光强和CO_2浓度的响应

比较了相同种源的野生和栽培黄花蒿(Artemisia annua L.)净光合速率对光强和CO2浓度的响应特性。结果表明,野生和栽培黄花蒿的光饱和点(LSP)分别为1 183和1 564μmol m-2s-1,光补偿点(LCP)为17和18μmol m-2s-1,最大净光合速率(Pmax)为18.78和22.38μmol m-2s-1,表观量子效率(AQY)为0.08和0.075μmol m-2s-1,表明黄花蒿的光合能力强,能够利用很高的光强,且对弱光的适应性也较强。栽培黄花蒿的Pmax、LSP和最大羧化速率(Vcmax)显著高于野生黄花蒿,两者的LCP、不包括光下呼吸的CO2补偿点、AQY、光下呼吸速率和最大电子传递速率(Jmax)差异不显著。强光下栽培黄花蒿主要通过提高Vcmax和Jmax等来增强光合能力,强的光合能力有利于黄花蒿的生长,因此在人工栽培黄花蒿的过程中应选择阳光充足的开阔生境。

陕北柠条的光合特性

用Licor-6400便携式光合作用测定系统测定了陕北吴旗县柠条在年生长季内叶片净光合速率随光照度和CO2浓度的变化规律，并测定了柠条叶片的蒸腾速率（Tr）和水分利用率（WUE）随光照度的变化规律。结果表明：在年生长季内，柠条叶片光补偿点（LCP）的变动范围为37．4～70．92μmol／（m^2·s），光饱和点（LSP）为1324．07～1626．04μmol／（m^2·s），表观光量子效率（Ф）为0．00899-0．01476μmol／mol；柠条叶片的C02补偿点（CCP）为56．76～126．80μmol／mol，C02饱和点（CSP）为1154．60～1828．86μmol／mol。说明柠条为C3植物，不耐荫，应栽植在阳光充足的地方。柠条在年生长季内蒸腾速率（Tr）的大小排序为：Tr9月〉Tr8〉Tr6月〉Tr7月〉Tr5月；水分利用率（WUE）高低排序为：WUE5月〉WUE7月〉WUE8月〉WUE6月〉WUE9月。

肥披碱草叶片光合特性研究

以大田生长的肥披碱草为试验材料,利用Li-6400型光合作用测定系统监测其叶片光合生理生态特性及其环境因子日变化,并利用相关分析和逐步回归分析法探讨了净光合速率和蒸腾速率与生理生态因子间的关系.结果表明:(1)肥披碱草叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)的日变化均呈双峰曲线,具有明显的光合午休"现象;叶片水气压亏缺(VPD)和Tr及Gs的峰值出现时间不同步,胞间CO2浓度(Ci)不随气孔的降低而减小,抑制其光合速率的因子为非气孔限制;水分利用率(WUE)的变化呈单峰型,并且其上午WUE明显高于下午.(2)自然条件下,影响肥披碱草叶片Pn的主要因子是Tr和Ca(大气CO2浓度),影响Tr的主要因子是Gs和Ta(气温).(3)在干旱与半干旱自然条件下,肥披碱草的光补偿点(12.45μmol·m-2·s-1)、光饱和点(1 750μmol·m-2·s-1)、最大净光合速率(65.125μmol·m-2·s-1)、表观光量子效率(0.128 9μmol·mol-1)都较高,表现出较强的光环境的适应性和光能利用能力,是典型的阳性植物.

基于遗传算法的番茄幼苗光合作用优化调控模型

由于光合速率优劣直接影响番茄的产量与品质,而其光合速率主要受温度和光子通量密度影响,因此如何实现不同温度条件下的光饱和点信息动态获取,是光环境调控技术发展亟需解决的重要问题。针对上述问题,该文提出了基于遗传算法的番茄幼苗光合作用优化调控模型。其利用光合速率双因素嵌套试验获取多维数据,构建温度、光子通量密度耦合的光合速率多元非线性回归模型,设计了基于遗传算法的光合速率模型寻优方法,得到不同温度条件下的光饱和点,继而建立以光饱和点为目标值的番茄幼苗光合优化调控模型。模型验证试验结果表明,提出的方法可动态获取不同温度条件下光饱和点,光饱和点实测值与计算值决定系数为0.920,最大相对误差小于6%,具有较高精度,对提高设施光环境调控效率具有重要的意义。

栓皮栎林光合特性的研究

用Licor 6400便携式光合作用测定系统研究了50年生天然次生栓皮栎林在不同季节的光合特性。结果表明:栓皮栎光补偿点变动范围为40.0～42.21μmol/(m2·s),光饱和点(LSP)的变动范围为1000～1600μmol/(m2·s),表观光量子效率的变化范围为0.014～0.06μmol/mo1;栓皮叶片的CO2补偿点的范围为57.54～72μmol/mo1;栓皮栎叶片在生长末期光呼吸速率为0.952μmol/(m2·s)。

16个柑桔品种的光合特性

试验研究了 16个柑桔品种的光合速率、光饱和点、光补偿点及光合速率的日变化规律。结果表明 ,供试的 16个柑桔品种的光合速率、光饱和点和光补偿点存在差异 ,其大小顺序为 :清见橘橙 >清家脐橙 >红肉脐橙 >丰脐 >姊良 3号脐橙>德尔塔夏橙 >卡特 >大三岛脐橙 >纽荷尔脐橙 >梦脐橙 >白柳脐橙 >红夏橙 >铃木脐橙 >福罗斯特脐橙 >Fallago橘>朋娜脐橙。大三岛脐橙、红夏橙的光饱和点最高 ,红肉脐橙、姊良 3号脐橙、梦脐橙、朋娜脐橙、白柳脐橙、德尔塔夏橙、卡特夏橙、清见橘橙、福罗斯特脐橙次之 ,纽荷尔脐橙、丰脐、铃木脐橙、Fallago橘较低 ;16个柑桔品种光补偿点在 8.4～6 6 .5μmol m- 2 s- 1 之间 ,福罗斯特脐橙的光补偿点最高 ,姊良 3号脐橙、朋娜脐橙、大三岛脐橙、德尔塔夏橙次之 ,其它柑桔品种光补偿点较低。供试柑桔品种在晴天光合速率的日变化均呈双峰曲线 ,中午有明显的“午休”现象。

几种野生银莲花生殖生长期的光合作用特性初探

采用LI-6400便携式光合仪对室外栽培的几种野生银莲花光合作用特性进行了研究.结果表明,净光合速率 Pn 和蒸腾速率 Tr 日变化均呈单峰曲线,前者的峰值出现在10:00～11:00时,后者的峰值出现在13:00时前后.在光强0～2000μmol·m-2·s-1条件下,Pn呈S曲线,光补偿点为60～80μmol·m-2·s-1,光饱和点为800μmol·m-2·s-1左右,但光强继续增加到1800μmol·m-2·s-1,Pn仍有少许提高;Tr随PAR的增加而缓慢增加.在环境CO2浓度为0～350μmol·mol-1条件下,Pn直线上升,草玉梅、秋牡丹和野棉花的光合CO2补偿点均为50μmol·mol-1左右;Tr在环境CO2浓度25～350μmol·mol-1范围内几乎呈水平线.野生银莲花的Pn和Tr表现出较明显的种间差异.