第6章植物生產(chǎn)與光能利用

1、第6章 植物生產(chǎn)與光能利用教學(xué)目標(biāo)：掌握：光合作用、呼吸作用、光能利用率等基本概念及意義。理解：光合作用、呼吸作用的主要過程及其影響因素；提高光能利用率的途經(jīng)；呼吸作用與農(nóng)產(chǎn)品貯藏的關(guān)系。了解：植物光合性能與產(chǎn)量的關(guān)系。教學(xué)時(shí)數(shù)：14學(xué)時(shí)教學(xué)方法：理論講授12學(xué)時(shí)、技能訓(xùn)練2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 植物的光合作用教學(xué)重點(diǎn)：光合作用的意義及影響光合作用的因素。教學(xué)難點(diǎn)：光合作用的主要過程。一、光合作用的意義（一）光合作用的概念 光合作用是綠色植物利用光能，將二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì)，釋放氧氣，同時(shí)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能貯藏在所形成的有機(jī)物中的過程。常以下面反應(yīng)式表示。 光6CO2 + H2O C6H1

2、2O6 + 6O2 葉綠體（二）光合作用的意義1把無機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物 地球上一年通過光合作用約合成5×1011t有機(jī)物。2蓄積太陽能量 植物通過光合作用每年將3.2×1021J的日光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。3凈化空氣 吸收二氧化碳，釋放氧氣，從而起到凈化空氣作用；大氣中一部分氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧，對(duì)陸地生物也有良好作用。二、光合作用的主要過程光合作用的實(shí)質(zhì)是將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，可將光合作用分為三個(gè)階段：第一步，光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換成電能，主要由原初反應(yīng)完成。第二步，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學(xué)能，由電子傳遞和光合磷酸化完成。第三步，活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能，由碳同化進(jìn)

3、行。 光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況 光反應(yīng)暗反應(yīng)能量轉(zhuǎn)變光能電能電能活躍化學(xué)能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能貯藏能量的物質(zhì)量子 電子ATP、NADPH糖類能量轉(zhuǎn)變過程光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換電子傳遞、光合磷酸化碳同化能量轉(zhuǎn)變部位類囊體片層類囊體片層葉綠體基質(zhì)三、光合作用的產(chǎn)物光合作用的產(chǎn)物有碳水化合物、有機(jī)酸、氨基酸、蛋白質(zhì)等，主要為碳水化合物。光合作用產(chǎn)物與植物種類、葉齡、光質(zhì)及氮素營養(yǎng)等有關(guān)。四、影響光合作用的因素（一）光照強(qiáng)度光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)是植物光合特性的兩個(gè)重要指標(biāo)。為了提高作物對(duì)光能的利用，適當(dāng)增強(qiáng)光照，如合理密植、整枝修剪、去老葉等，以改善田間的光照條件。（二）CO2濃度CO2是光合作用的主

4、要原料，光合速率隨CO2濃度增加而上升。生產(chǎn)上常通過施用有機(jī)肥料、通風(fēng)等措施來增加CO2濃度。（三）水分水分是光合作用的原料之一，土壤水分含量對(duì)植物光合作用影響很大，如土壤干旱光合作用受到抑制。葉片缺水也會(huì)影響光合作用正常進(jìn)行。（四）溫度一般溫帶植物能進(jìn)行光合作用的最低溫度為05。在1035范圍內(nèi)，光合作用能正常進(jìn)行；35以上光合作用受阻，4050以上光合作用完全停止。（五）礦質(zhì)元素N、Mg、Fe、Mn、P、K、B、Zn等元素都會(huì)直接或間接對(duì)光合作用產(chǎn)生影響。如氮和鎂是葉綠體的組成元素，鐵和錳參與葉綠素的形成過程，磷、鉀、硼能促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸，因此，合理施肥才能保證光合作用正常順利地進(jìn)

5、行。（六）植物內(nèi)在因素主要有葉齡、葉的結(jié)構(gòu)和光合產(chǎn)物的輸出等。光合速率隨葉齡增長出現(xiàn)“低高低”規(guī)律。C4植物的光合速率大于C3植物，這與葉的結(jié)構(gòu)有關(guān)。光合產(chǎn)物（蔗糖）從葉片中輸出速率也會(huì)影響光合作用。復(fù)習(xí)思考：1. 什么叫光合作用？反應(yīng)式如何表示？有何重要意義？2. 植物光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)分別是在細(xì)胞的哪個(gè)位置進(jìn)行的？3. 光合作用可分哪三個(gè)階段？各階段中能量是如何轉(zhuǎn)化的？4. 光合作用的O2是怎樣產(chǎn)生的？5. 光合作用C3途徑、C4途徑CO2的接受體分別是什么物質(zhì)？形成的第一個(gè)產(chǎn)物又分別是什么？第二節(jié) 植物的呼吸作用教學(xué)重點(diǎn)：呼吸作用的概念、類型及意義。呼吸作用的主要過程。呼吸作用在植

6、物生產(chǎn)上的應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：呼吸作用的主要過程。一、呼吸作用的意義（一）呼吸作用的概念呼吸作用是指生活細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)在一系列酶的作用下，逐步氧化分解，同時(shí)放出能量的過程。呼吸作用可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩類。（二）呼吸作用的意義呼吸作用對(duì)植物生命活動(dòng)具有十分重要的意義，主要表現(xiàn)在三方面：1為植物生命活動(dòng)提供能量 呼吸作用將有機(jī)物質(zhì)生物氧化，使其中的化學(xué)能以ATP形式貯存起來。2中間產(chǎn)物是合成植物體內(nèi)重要有機(jī)物質(zhì)的原料 如丙酮酸、a酮戊二酸、蘋果酸等都是進(jìn)一步合成植物體內(nèi)新的有機(jī)物質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。3在植物抗病免疫方面有重要作用 在植物和病原微生物的相互作用中，植物依靠呼吸作用氧化分解病原微生物所分

7、泌的毒素，以消除毒害。二、呼吸作用的主要過程植物的呼吸作用有多種途徑，當(dāng)其中一條途徑受阻，可以通過其他途徑來維持正常的呼吸作用，這是植物在長期的進(jìn)化中形成的適應(yīng)現(xiàn)象。這里主要介紹糖酵解三羧酸循環(huán)過程。（一）糖酵解糖酵解是指葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)經(jīng)過一系列酶的催化作用，脫氫氧化，逐步轉(zhuǎn)化為丙酮酸的過程。在無氧條件下，丙酮酸進(jìn)行酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵；在有氧條件下，丙酮酸則進(jìn)入三羧酸循環(huán)。（二）三羧酸循環(huán)在有氧條件下，丙酮酸在酶和輔助因素作用下，首先經(jīng)過一次脫氫和脫羧，并和輔酶A結(jié)合形成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A和草酰乙酸作用形成檸檬酸（含有一個(gè)羥基、三個(gè)羧基），這樣反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。三、呼吸作用的影響因素呼吸作用

8、的強(qiáng)弱常用呼吸強(qiáng)度來表示，影響呼吸強(qiáng)度的因素主要有：（一）溫度溫度主要是影響呼吸酶的活性。大多數(shù)植物呼吸作用的最低溫度在-10，最適溫度為2535，最高溫度為3545。（二）水分細(xì)胞含水量對(duì)呼吸作用影響很大。禾谷類種子在風(fēng)干狀態(tài)（含水量為11%12%），呼吸微弱，當(dāng)超過15%，呼吸作用加強(qiáng)（三）O2和CO2濃度大氣含氧量通常在21%左右，當(dāng)減少至5%8%時(shí)，呼吸顯著減弱。 CO2是呼吸作用的產(chǎn)物，空氣中CO2濃度增高時(shí)，呼吸作用減弱。某些種皮厚的種子，常因種皮內(nèi)CO2積累過多，即使在潮濕的土壤中保存多年也不發(fā)芽。四、呼吸作用在植物生產(chǎn)上的應(yīng)用（一）呼吸作用與糧油種子貯藏貯藏糧油種子的原則是保持

9、“三低”，即降低種子的含水量、溫度和空氣中的含氧量。（二）呼吸作用與多汁果實(shí)和蔬菜的貯藏、保鮮多汁果實(shí)和蔬菜的貯藏、保鮮的原則是在盡量避免機(jī)械損傷的基礎(chǔ)上，控制溫度、濕度和空氣成分三個(gè)條件，降低呼吸消耗，使果實(shí)蔬菜保持新鮮狀態(tài)。（三）呼吸作用與作物栽培許多栽培措施都是為了保證作物呼吸作用正常進(jìn)行，如水稻浸種催芽時(shí)用溫水淋種和時(shí)常翻種；水稻育秧采用濕潤育種；作物的中耕松土等。五、光合作用和呼吸作用的關(guān)系光合作用和呼吸作用即相互對(duì)立，又相互依賴，二者共同存在于統(tǒng)一的有機(jī)體中。光合作用與呼吸作用的區(qū)別見表。光合作用和呼吸作用的區(qū)別光合作用呼吸作用原料CO2、H2OO2、淀粉、已糖等有機(jī)物產(chǎn)物淀粉、已

10、糖等有機(jī)物、O2CO2、H2O等能量轉(zhuǎn)換貯藏能量的過程光能電能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能釋放能量的過程穩(wěn)定化學(xué)能活躍化學(xué)能物質(zhì)代謝類型有機(jī)物質(zhì)合成作用有機(jī)物質(zhì)降解作用氧化還原反應(yīng)H2O被光解、CO2被還原有機(jī)物被氧化，生成H2O發(fā)生部位綠色細(xì)胞、葉綠體、細(xì)胞質(zhì)生活細(xì)胞、線粒體、細(xì)胞質(zhì)發(fā)生條件光照下才可發(fā)生光下、暗處均可發(fā)生光合作用和呼吸作用又有相互依賴、緊密相連的關(guān)系，二者互為原料與產(chǎn)物，光合作用釋放O2可供呼吸作用利用，而呼吸作用釋放CO2也可被光合作用所同化。它們的許多中間產(chǎn)物是相同的，催化諸糖之間相互轉(zhuǎn)化酶也是類同的。在能量代謝方面，光合作用中供光合磷酸化產(chǎn)生ATP所需的ADP和供產(chǎn)生NADP

11、H所需NADP，與呼吸作用所需的ADP和NADP是相同的，它們可以通用。復(fù)習(xí)思考：1. 什么叫呼吸作用？有何重要意義？2. 比較有氧呼吸和無氧呼吸的異同點(diǎn)，并說明二者在呼吸作用中的地位？3. 糧油種子和果蔬貯藏條件有何不同？其生理依據(jù)是什么？4. 解釋下列現(xiàn)象或措施的生理原因：（1）小麥、水稻、玉米、高粱等糧食貯藏之前要曬干；（2）給作物中耕松土；（3）新鮮果品貯藏要保持低溫和較高濕度。第三節(jié) 提高植物光能利用率的途徑教學(xué)重點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、葉面積系數(shù)、光能利用率等基本概念。光能利用率不高的原因及提高光能利用率的途徑。教學(xué)難點(diǎn)：提高光能利用率的途徑。一、植物的光合性能與產(chǎn)量（一）作物的產(chǎn)量構(gòu)成因素

12、決定作物產(chǎn)量的因素是：葉面積、光合強(qiáng)度、光合時(shí)間、呼吸消耗和經(jīng)濟(jì)系數(shù)。1光合面積 光合面積是指植物的綠色面積，通常以葉面積系數(shù)來表示葉面積的大小。在一定范圍內(nèi)，葉面積越大，光合作用積累的有機(jī)物質(zhì)越多，產(chǎn)量也就越高。2光合時(shí)間 適當(dāng)延長光合作用的時(shí)間，可以提高作物產(chǎn)量。當(dāng)前主要是采取選用中晚熟品種、間作套種、育苗移栽、地膜覆蓋等措施，使作物能更有效地利用生長季節(jié)，達(dá)到延長光光時(shí)間的目的。（二）作物光能利用率目前作物的光能利用率普遍不高。據(jù)測(cè)算，只有0.5%1%的輻射能用于光合作用。低產(chǎn)田作物對(duì)光能利用率只有0.1%0.2%，而豐產(chǎn)田對(duì)光能的利用率也只有3%左右。（三）作物群體對(duì)光能的利用作物群體

13、比個(gè)體更能充分利用光能。在群體的結(jié)構(gòu)中，葉片彼此交錯(cuò)排列、多層分布，使各層葉片的透射光可以反復(fù)地被吸收利用。二、提高植物光能利用率的途徑（一）植物對(duì)光能利用率不高的原因當(dāng)前作物對(duì)光能利用率不高的主要原因是：1漏光 植物的幼苗期，葉面積小，大部分陽光直射到地面上而損失掉2受光飽和現(xiàn)象的限制 光照度超過光飽和點(diǎn)以上的部分，植物就不能吸收利用，植物的光能利用率就隨著光照強(qiáng)度的增加而下降。3環(huán)境條件及作物本身生理狀況的影響 自然干旱、缺肥、CO2濃度過低、溫度過低或過高，以及作物本身生長發(fā)育不良，受病蟲危害等，都會(huì)影響作物對(duì)光能的利用。（二）提高作物光能利用率的途徑1選育光能利用率高的品種 光能利用率

14、高的品種特征是：矮稈抗倒伏，葉片分布較為合理，葉片較短并直立，生育期較短，耐陰性強(qiáng)，適于密植。2合理密植 合理密植是提高作物產(chǎn)量的重要措施之一。只有合理密植，增大綠葉面積，以截獲更多的太陽光，提高作物群體對(duì)光能的利用率，同時(shí)還能充分地利用地力。3間套復(fù)種 間作套種可以充分利用作物生長季節(jié)的太陽光，增加光能利用率；復(fù)種則可把空間的生長季節(jié)充分加以利用。4加強(qiáng)田間管理 加強(qiáng)田間管理提高作物群體的光合作用，減少呼吸消耗。整枝、修剪調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物的分配。增加空氣中的CO2濃度也能提高作物對(duì)光能的利用率。復(fù)習(xí)思考：1. 什么叫光能利用率？光能利用率不高的原因有哪些？2. 光能利用率高的品種有哪些特征？3.

15、 提高植物光能利用率的途徑有哪些？實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)7 葉面積系數(shù)的測(cè)定選做一、目的 為了了解葉面積的大小與密度和產(chǎn)量的關(guān)系，有必要學(xué)習(xí)葉面積系數(shù)的測(cè)定，為確定栽培密度提供依據(jù)。二、儀器及用具 光電葉面積儀、扭力天平、卷尺、剪刀、方格板、打孔器、舊報(bào)紙等。三、材料 田間栽培植物。四、原理 在單位土地面積上，植物總?cè)~面積與土地面積之比，叫葉面積系數(shù)。果樹的葉面積系數(shù)則可計(jì)算一棵樹的總?cè)~面積與其樹冠所覆蓋的土地面積之比。五、方法步驟（一）取樣及計(jì)算1大田作物的取樣及計(jì)算（1）在測(cè)定地塊上，選取有代表性樣點(diǎn)五處，每處取一平方米（或其他適當(dāng)大的面積），正確計(jì)算每平方米的株數(shù)。（2）在各平方米中隨機(jī)取樣10株（根據(jù)作物大小不同可增減），分別測(cè)量每株葉面積，并求10株平均葉面積，即為單株的平均葉面積。單株平均葉面積×該樣點(diǎn)的株數(shù)該樣點(diǎn)總?cè)~面積。再求5個(gè)樣點(diǎn)的平均數(shù)，即為每平方米土地內(nèi)植株總?cè)~面積。（3）求葉面積系數(shù)2果樹取樣及計(jì)算（1）在選定的樹上，根據(jù)樹枝類型不同，分長枝、中長枝、中枝、短枝和葉叢枝等，每類樹枝各選20根，分別測(cè)定每根枝條葉片總面積，求出每類枝條單根的平均總?cè)~面積。（2）再計(jì)算整棵樹上各類枝的數(shù)目。以各類樹枝每根枝條平均總?cè)~面積乘以各類枝條的數(shù)目，即為各類枝的總?cè)~面積。各類枝總?cè)~面積之和，為全樹總?cè)~面積。（3）求葉面積系數(shù)（二）葉面積