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。

澳洲坚果光合-光响应曲线模型拟合比较

为深入研究澳洲坚果的光合特性及其环境适应性,筛选出澳洲坚果光合-光响应曲线的最佳拟合模型。以6个澳洲坚果品种为试材,采用LI-6400XT便携式光合仪测定其光合-光响应曲线,利用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、直角双曲线修正模型和指数模型分别对不同品种的光合-光响应曲线进行拟合,比较分析拟合效果。结果表明,直角双曲线修正模型拟合的表观量子效率(AQE)、最大净光合速率(P_(nmax))、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)与实测值最为接近,且决定系数(R^(2))在6个品种的拟合中最大,均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和赤池信息量准则(AIC)最小,直角双曲线修正模型可作为澳洲坚果光合-光响应曲线的最佳拟合模型。由直角双曲线修正模型拟合的6个澳洲坚果品种AQE在0.03~0.05,LSP在1092.83~1522.572μmol·m^(-2)·s^(-1),LCP在14.39~34.97μmol·m^(-2)·s^(-1),P_(nmax)在4.41~8.91μmol·m^(-2)·s^(-1)。其中,品种HAES904具有较强的光能适应能力。

祁连山中段5种典型植物光合光响应曲线拟合模型比较

测定祁连山中段5种典型植物的光响应参数,并用4种光响应模型进行拟合。结果表明:青海云杉(Picea crassifolia Kom.)、祁连圆柏(Juniperus przewalskii Kom.)、金露梅[Dasiphora fruticosa(Linn.)Rydb.]和垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)的光合光响应曲线属于饱和趋近型,蕨麻[Argentina anserina(Linn.)Rydb.]的光合光响应曲线属于强度抑制型。4种模型均能较好地拟合供试5种植物的光合光响应曲线,但仅直角双曲线修正模型可以较好地拟合强度抑制型光合光响应曲线的光抑制阶段。直角双曲线修正模型除了对饱和趋近型光合光响应曲线光饱和点的拟合值偏高外,可以较好地拟合其他光响应参数。综上所述,直角双曲线修正模型为祁连山中段典型植物光合光响应曲线的最优拟合模型。

不同花生品种苗期农艺性状、光合特性、光响应曲线及拟合模型比较

温室条件下研究5个不同生长特性花生品种(豫花9326、豫花9327、漯花4087、漯花4016和新百花16)苗期农艺性状、光合特性和光响应曲线差异及不同光响应曲线拟合模型的拟合效果。结果表明,豫花9326株高显著高于其它品种;漯花4087、漯花4016植株鲜重和豫花9326无显著差异,但显著高于其它品种;漯花4016植株干重最大,显著高于豫花9327和新百花16。漯河4016叶片叶绿素(Chl)指数显著高于其它品种,但各品种间类黄酮化合物(Flav)指数和氮平衡指数(NBI)无显著差异。豫花9327苗期叶片Pn与WUE呈显著正相关,其它4个品种呈极显著正相关;5个品种苗期叶片Pn、WUE与Ci均呈极显著负相关,Tr与Gs均呈极显著正相关;新百花16叶片Pn与Gs呈极显著正相关。4种光响应曲线拟合模型对5个花生品种Pn-PAR曲线及特征参数的拟合比较得出,直角双曲线修正模型拟合值与实测值偏差最小,相关系数均大于0.96,拟合效果最好。该模型拟合曲线相应特征参数中,漯花4087暗呼吸速率(R_(d))和光补偿点(LCP)最高;漯花4016暗呼吸速率(R_(d))和光补偿点(LCP)最低,光饱和点(LSP)和最大净光合速率(A_(max))最高;豫花9326的表观量子效率(AQE)最高。综上,花生干物质积累不仅取决于高的净光合速率,还取决于低的暗呼吸速率。

不同水分条件下胡杨光响应曲线拟合模型比较

本研究通过测量不同水分条件下胡杨(Populus euphratica Oliv.)叶片的光响应曲线,并采用4种光响应模型对其光合特征参数拟合值与实测值进行比较,分析了不同水分条件下光响应曲线模型对胡杨适用性的影响机制。结果表明,当水分供应充足时,胡杨非直角双曲线模型对暗呼吸速率(Rd)的拟合效果最优,直角双曲线修正模型拟合光饱和点(LSP)、最大净光合速率(P_(nmax))、光补偿点(LCP)的结果与实测值较接近;但当胡杨受到水分亏缺后,直角双曲线修正模型对P_(nmax)和光饱和点(LSP)的拟合效果最优,直角双曲线模型对Rd和LCP的拟合效果最佳。因此,水分条件有利时胡杨应用直角双曲线修正模型、非直角双曲线模型较好;水分亏缺条件下采用直角双曲线修正模型、直角双曲线模型更为适合。

遮阴条件下金边瑞香不同光响应曲线拟合模型的比较

为利用数学模型拟合金边瑞香光响应曲线来探究金边瑞香光合特性,比较分析了指数函数模型、直角双曲线模型、直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型模拟金边瑞香的光响应曲线的拟合度,同时比较了不同遮阴条件下金边瑞香的光响应曲线和光合特性。结果表明,4种典型的光响应模型中直角双曲线修正模型适用于金边瑞香光响应曲线模拟,且决定系数在0.99以上。综合分析比较数据,直角双曲线修正模型对金边瑞香光响应曲线拟合效果最好,在高强光条件下,结果更加准确,可作为拟合金边瑞香的光响应曲线。此外,一定的遮阴有利于金边瑞香光合利用。

不同光处理对玉米叶片光响应曲线和二氧化碳响应曲线的影响

以杂交玉米先玉335为供试材料,用三种不同的红光干扰处理并加上白光为对照,探究不同光质下玉米叶片的光量子利用能力和二氧化碳利用能力。实验结果显示,B+R光下处理的玉米叶片光量子效率最高,G+R光下处理的玉米品种最低,B+R光下处理的玉米品种羧化效率最低,G+R光下处理的玉米品种羧化效率最高。结果表明,经过红光干扰后玉米叶片的光量子利用能力与二氧化碳利用能力有很明显的变化,其中B+R光下处理的玉米叶片和B+R光下处理的玉米叶片差别最明显。

不同品系黄连叶片光强和CO_2响应曲线的研究

利用LI-6400XT便携式光合作用测定仪,采用开放式气路分别测定了在不同光照强度和CO2浓度下4品系黄连叶片的净光合速率(Pn),气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等相关指标。结果表明:4品系黄连叶片的光饱和点在400～700 mol/m2.s之间;光补偿点在3.71～9.31μmol/m2.s之间;表观光量子效率都在0.014 2～0.020 6之间;CO2饱和点在1 000～1 400μmol/mol之间;其中有光叶的光饱和点最低,约为400 mol/m2.s,无光叶的光饱和点最高,约为700 mol/m2.s;当达到光饱和点之后,大花叶的最大净光合速率最低,约为3.24μmol/m2.s,无光叶的最大净光合速率最高,4.60μmol/m2.s;当达到CO2饱和点之后,有光叶的最大净光合速率最大,约为21.14μmol/m2.s;当环境中CO2浓度相对较低(<400μmol/mol)时,小花叶的光合速率最低,而大花叶等的光合速率相对较高。

转苜蓿MsOr基因烟草光合-光响应和光合-CO2响应曲线特征研究

为明确苜蓿(Medicago sativa)Orange基因的表达对植物光合作用的影响,以转Orange(MsOr)基因型烟草(TOR1与TOR2)和野生型烟草(WT)为研究材料,采用盆栽控制试验,比较研究了WT,TOR1和TOR2叶片光响应曲线和CO 2响应曲线,并测定其叶片类胡萝卜素含量。结果表明:直角双曲线修正模型可较好地拟合烟草光响应曲线和CO 2响应曲线;在一定光合有效辐射强度和CO 2浓度范围内,随光强和CO 2浓度增加,TOR1和TOR2的净光合速率均显著高于WT(P<0.05);TOR1和TOR2的最大净光合速率、光饱和点、CO 2饱和点、羧化效率、暗呼吸速率和光呼吸速率显著高于WT,而CO 2补偿点显著低于WT(P<0.05);TOR1和TOR2的叶片总类胡萝卜素含量约为WT的2倍。研究表明:苜蓿MsOr基因的表达促进了烟草植株叶片类胡萝卜素的积累,同时提高了其光能和CO 2利用能力,增强了植株对高光强、高CO 2浓度环境的适应能力。

桫椤对光照和CO_2的响应曲线及其模型拟合研究

以濒危植物桫椤为研究材料,使用Li-6400便携式光合测定系统测定光合-光响应曲线,应用直角双曲线模型、非直角双曲线模型和修正的直角双曲线模型3种模型进行模拟研究,并探讨不同模型对桫椤光响应及CO_2响应中的适用性。结果表明:采用修正直角双曲线模型拟合的桫椤光响应参数为0.077,Pnmax、Iisat、Ic、Rd分别为8.162、917.96、16.021、-0.975μmol/m2·s,CO_2响应参数为0.035,Cisat、Pmax、Γ、RP分别为1577.624、14.170、61.666、-2.028μmol/m2·s。修正直角双曲线模型能很好地拟合桫椤的光响应及CO_2响应数据,并能较准确地直接计算出光合参数,同时能很好地处理桫椤产生光抑制部分的光响应数据,高光强下直角双曲线模型和非直角双曲线模型不能处理光抑制问题。修正直角双曲线模型下光饱和点和CO_2饱和点高于直角双曲线模型和非直角双曲线模型,最大净光合速率表现相反。光补偿点、暗呼吸速率、光呼吸速率和CO_2补偿点介于直角双曲线和非直角双曲线模型之间,修正直角双曲线模型模拟值与实测值最接近。桫椤具有一定的耐阴性,能适应一定低光照的环境条件,对CO_2的适应范围较宽。修正直角双曲线模型是拟合桫椤光合-光响应曲线的理想模型,该模型能较好地对桫椤植物光能利用效率进行模拟,为桫椤植物的有效保护提供参考。

库尔勒香梨不同整形方式的光响应和CO_2响应曲线差异分析（英文）

[目的]对比库尔勒香梨3种整形方式光响应曲线和CO_2响应曲线特征参数,评价不同整形方式优劣差异,为库尔勒香梨整形修剪技术提供理论依据。[方法]采用LI-6400XT型便携式光合作用测定系统对库尔勒香梨3种整形方式的光响应曲线和CO_2响应曲线进行测定,并测定叶绿素值及比叶重,分析比较其差异,评判几种整形方式的优劣。[结果]库尔勒香梨3种整形方式光响应曲线和CO_2响应曲线规律基本一致,但其特征参数存在差异。水平棚架形最大净光合速率、表观量子效率和光饱和点均最高,但其光补偿点最低。疏散分层形和开心形CO_2饱和点分别为1 752、1 665μmol/mol,其值远高于水平棚架形。水平棚架形羧化效率和光呼吸速率均高于疏散分层形和开心形,而其CO_2补偿点最低。叶片的SPAD值大小排序为水平棚架形>开心形>疏散分层形。水平棚架形叶面积和比叶重均最高,开心形次之。[结论]库尔勒香梨3种整形方式中,水平棚架形具有较强的光能捕获能力和光合生产力且对光环境的适应能力最强,开心形次之,而疏散分层形对光环境的适应能力最弱,但其能适应更高浓度的CO_2环境。因此,水平棚架形最优,理论上丰产潜力高于其它两种整形方式,而疏散分层形最差。

Cd^(2+)胁迫对银芽柳PSⅡ叶绿素荧光光响应曲线的影响

以盆栽银芽柳为材料,利用MINI-IMAGING-PAM荧光成像测定系统,研究了Cd2+胁迫下叶片叶绿素荧光参数的变化及其光响应曲线。结果表明,初始荧光Fo与最大荧光Fm随着Cd2+浓度的增大而呈现先升后降的趋势,Fo与Fm在200 mg/LCd2+处理4周时达到最高值,400 mg/LCd2+处理则显著下降;PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)与PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo)显著受Cd2+胁迫抑制,但随Cd2+浓度的增加呈先降后升的变化趋势。Cd2+胁迫下各叶绿素荧光参数的光响应结果表明,PSⅡ实际光量子效率Y(Ⅱ)、荧光淬灭系数(qP)随光化光强度的增加呈下降趋势,而同光强下高浓度Cd2+使Y(Ⅱ)与(qP)显著降低;PSⅡ调节性能量耗散的量子产额Y(NPQ)、非光化学淬灭系数(qN)与表观电子传递速率(ETR)则随着光强增加呈上升趋势,同光强下高浓度Cd2+处理显著提高Y(NPQ)、qN与ETR。Cd2+胁迫下,PSⅡ非调节性能量耗散的量子产额Y(NO)稳定在较低水平,同光强下Y(NO)随Cd2+浓度增加略有提高。说明,银芽柳通过调节PSⅡ反应中心开放程度与活性,对Cd2+胁迫表现出较强的耐性,高浓度Cd2+胁迫导致PSⅡ反应中心关闭或不可逆失活,表现出光抑制。

长白山阔叶红松林主要树种光合作用的光响应曲线

以叶片光合作用观测资料为基础,利用直角双曲线与非直角双曲线两种方法对长白山阔叶红松林的主要建群树种红松(Pinuskoraiensis)、紫椴(Tiliaamurensis)、蒙古栎(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)光合作用的光响应曲线进行了拟合.结果表明,两种方法拟合结果不同,直角双曲线方法简单,但非直角双曲线的拟合结果更符合生理意义.由直角双曲线拟合得出4个树种的初始量子效率α、最大净光合作用速率Pmax以及暗呼吸Rd大于非直角双曲线的拟合结果,而光补偿点Lcp随树种不同而有差异.两种方法得出4个树种的α、Rd大小顺序相同,分别是α为水曲柳>紫椴>蒙古栎>红松;Rd为水曲柳>蒙古栎>紫椴>红松,但由两种方法得出的Pmax、Lcp值大小顺序有差异.

施氮量对超高产冬小麦灌浆期旗叶光响应曲线的影响

为冬小麦超高产栽培的氮肥管理提供技术支撑,在大田条件下研究了施氮量对超高产冬小麦灌浆期旗叶光响应曲线的影响。采用开放式气路测定了小麦旗叶的净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率等相关指标,并运用"米式方程"对旗叶净光合速率进行了模拟,计算了光响应曲线的特征参数。结果表明,在0～300kg/hm2施氮范围内,随着光照强度的增加,各处理的旗叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均随之增加,而胞间二氧化碳浓度却随之降低,但是在375kg/hm2施氮水平下旗叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率的增加和胞间二氧化碳浓度的降低反而低于300kg/hm2施氮水平,表明合理的氮素水平对超高产小麦灌浆期旗叶的光响应曲线有明显的调节作用。在合理的施氮范围内,增施氮肥小麦旗叶在整个灌浆期内的最大净光合速率随之增加。在本试验条件下,超高产麦田的适宜施氮量为300kg/hm2。

野生小蓬竹的光合光响应曲线及其模型拟合

应用5种典型的光响应模型对野生小蓬竹叶片光响应曲线进行了拟合,并探讨了几种模型在光响应研究中的适用性。结果表明:①直角双曲线、非直角双曲线及指数函数模型无法求取植物最大净光合速率(Pnmax)和光饱和点(Isat)的解析解,而结合其它方法拟合的相应值却与实测值相差很大,同时也不能处理光抑制部分的光响应数据;②二次多项式模型能够一定程度地处理光抑制部分的光响应数据,但其拟合得到的各项光合参数与实测值相差较大,甚至会出现逻辑错误;③修正的直角双曲线模型拟合的各项光合参数均比较准确,同时也能很好地处理发生光抑制部分的光响应数据;④采用修正的直角双曲线模型拟合的野生小蓬竹Pnmax、Isat、光补偿点(Ic)、暗呼吸速率(Rd)和初始量子效率(α)分别为8.53μmol.m-2s-1、1 750.75μmol.m-2s-1、21.40μmol.m-2s-1、1.06μmol.m-2s-1、0.054。

不同水肥条件下白羊草光合生理生态特征研究Ⅱ.光响应曲线

为揭示黄土丘陵区乡土草种白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng.)在不同水肥供应条件下的光合生理特征,本研究采用盆栽控制实验,比较研究了白羊草在2种水分水平(HW-80%FC和LW-40FC%)和3种养分(CK,P和NP)处理下的光合光响应曲线特征。结果表明:非直角双曲线模型能很好的拟合白羊草光响应曲线。充分供水条件下(HW),土壤NP营养提高了白羊草最大净光合速率(P′max),降低了暗呼吸消耗(Rd)并且保持较低的光合补偿点(LCP)和较高的光饱和点(LSP),表明NP营养有利于提高白羊草对光照的广幅适应能力和光合潜力。水分胁迫条件下(LW),P处理显著提高了白羊草P′max,其表观量子效率(a)和LCP也相对较高,表明施磷将有利于提高干旱条件下白羊草的光合能力。

不同刺槐品种光合光响应曲线的温度效应研究

采用Li-6400便携式光合测定仪分别测定了25、30、35℃等3个温度条件下3个刺槐品种的光合光响应特征曲线,并选用直角双曲线修正式对光响应曲线进行拟合。结果表明:1)温度对不同刺槐品种光合光响应曲线变化规律具有显著影响,普通刺槐和红花刺槐在25℃时光饱和点高,而四倍体刺槐在35℃时光饱和点高,说明四倍体刺槐对高温的适应能力相对较强;2)总体上,不同刺槐品种的最大净光合速率、光能利用效率及初始量子效率随着温度梯度的升高,均有所下降,光补偿点及暗呼吸速率随温度的变化规律不明显。

冬小麦光合作用的光响应曲线的拟合

测定了田间冬小麦叶片光合作用速率及其相应的气象要素 ,分别用直角双曲线和非直角双曲线方程拟合了光合作用对光强的响应。指出在田间条件下 ,用直角双曲线拟合得到的初始量子效率 ( α)偏高。由于非直角双曲线中引入了反映光合曲线弯曲程度的参数 (凸度 ) ,使得 α值正常 ,在高光强下光合作用趋于光饱和 。

种植密度对春玉米灌浆期光合特性日变化和光响应曲线及产量的影响

为明确不同种植密度对春玉米灌浆期光合性能日变化以及产量影响的差异性,阐明春玉米灌浆中后期籽粒干物质积累、转运及籽粒产量的形成机制,为春玉米适宜种植密度的选择提供理论依据和实践指导。以春玉米品种广德5为研究对象,分析了不同密度处理对春玉米灌浆期穗位叶光合特性日变化、光响应曲线以及籽粒产量的影响。结果表明,随着密度的增加,各处理的净光合速率日变化、气孔导度日变化以及蒸腾速率日变化均呈单峰曲线变化趋势,只是达到峰值的时间存在一定差异;而各密度处理的胞间CO2浓度日变化则呈先降低后升高的“V”字形曲线变化趋势。不同种植密度的光响应曲线拟合较好,在P<0.05水平下均达到显著,最大净光合速率以M50处理最大,分别比M40、M45、M55和M60处理提高了24.28%,15.41%,18.41%,3.13%。籽粒产量以M50处理最大,分别比M40、M45、M55和M60处理高出21.60%,1.24%,0.84%,4.10%。综合各密度处理下的净光合速率、气孔导度、模拟的最大净光合速率和籽粒产量可看出,广德5适宜种植密度为M50处理(75000株/hm^2)。

不同供氮水平对栓皮栎播种苗光响应曲线的影响

为科学制定栓皮栎播种苗氮肥管理措施,在砂培条件下,采用指数施肥的试验方法,设置4个供氮水平(0、120.6、216.4和329.2mg/(株·a)),探求不同的供氮水平对栓皮栎播种苗光响应特征曲线的影响。结果表明,在苗木生长的不同阶段,供氮量的差异对叶片光响应曲线的影响有所差别。生长初期,氮素对栓皮栎播种苗光响应特征曲线参数的影响不显著。速生期,缺氮(0mg/(株·a))严重影响苗木的光合性能,导致栓皮栎播种苗的光饱和点(LSP)、最大净光合速率(Pmax)、表观量子效率(α)偏低,而光补偿点(LCP)偏高;当供氮量从120.6mg/(株·a)增大到216.4mg/(株·a)时,苗木Pmax并没有明显变化,但苗木的LCP降低,LSP升高;过量供氮(329.2mg/(株·a))反而导致叶片的光合性能下降。生长末期,在其他处理苗木叶片光合性能均有不同程度下降的情况下,216.4mg/(株·a)水平的苗木仍然保持着相对较高的光合能力。