紅外線CO2氣體分析儀法測定植物光合速率與呼吸速率

紅外線CO氣體分析儀法測定植物光合速率與呼吸速率1.密閉系統斜率法一、原理1.紅外線CO2氣體分析儀（IRGA）工作原理許多由異原子組成的氣體分子對紅外線都有特異的吸收帶。CO2的紅外吸收帶有四處，其吸收峰分別在2.69μm、2.77μm、4.26μm和14.99μm處，其中只有4.26μm的吸收帶不與H20的吸收帶重疊，紅外儀內設置僅讓4.26μm紅外光通過的濾光片，當該波長的紅外光經過含有CO2的氣體時，能量就因CO2的吸收而降低，降低的多少與CO2，的濃度有關，并服從朗伯-比爾定律。分別供給紅外儀含與不含CO2。的氣體，紅外儀的檢測器便可通過檢測紅外光能量的變化而輸出反映CO2濃度的電訊號。2.密閉系統斜率法測定光合速率的原理把IRCA與光合作用同化室連接成密閉的氣路系統。將植物材料密封在透明的同化室內，給以適當的光照，同化室內CO2濃度將因植物光合作用而下降，用IRGA配以適當的記錄儀可繪出同化室內CO2，濃度隨光合時間下降的曲線。在同化室不漏氣、光強度穩(wěn)定、室內空氣不斷得到攪動的情況下，該曲線將是一條平滑曲線，在曲線的任一點作切線，即可根據切線的斜率、密閉系統的容積和同化室面積求出該點CO2濃度下的光合速率。二、材料、儀器設備及試劑（一）材料植物葉片。（二）儀器設備密閉氣路光合測定裝置：將QGD-07型紅外線CO2氣體分析儀、XWT-264型自動記錄儀、MXQ型氣體取樣器（圖2-16-1）、光合作用同化室、溫度轉換器（測溫探頭可放在同化室內，輸出信號接記錄儀）或半導體點溫計、橡皮管（內徑6～7mm）、塑料氣球按圖2-16-2所示連接成套，放在一輛醫(yī)用小推車上，量子輻射照度計，葉面積儀，鐵架臺（帶試管夾），0~50℃溫度計（用以校正葉室溫度），剪刀，帶蓋搪瓷盤，紗布。（三）試劑（1）無水氯化鈣（無水硫酸鈣）。（2）燒堿石棉（10目）或堿石灰。三、實驗步驟（一）光合速率的測定（1）將安裝好的密閉氣路光合測定裝置安放在靠待測植株1~2m處，接通紅外儀、記錄儀、取樣器、溫度轉換器的供電電源。打開紅外儀電源開關預熱1~2h，紅外儀量程開關置于I檔（0~500×10~*）。把紅外儀和溫度轉換器的信號輸出與記錄儀的兩個信號輸入接線柱用導線接通。旋轉記錄儀第一支筆的最程選擇開關于10mV位置（與紅外儀輸出信號電壓匹配），旋轉記錄儀第二支筆的量程選擇開關于2V位置（與溫度轉換器輸出溫度0~50℃信號電壓匹配）。（2）打開取樣器頂部面板，取出過濾管裝滿燒堿石棉后復原，取出干燥管裝滿無水氯化鈣后復原，取下連接取樣器的氣球，用口吹氣至半飽和后復原。（3）將同化室用試管夾固定在鐵架臺上，置待測植株前。2.調、校儀器（1）紅外儀預熱完畢后，開啟記錄儀電源開關、記錄儀信號輸入開關和取樣器前面板上的氣泵開關，將取樣器F，旋鈕置“零氣”位置，F旋鈕置“測量”位置，開始調整紅外儀的零點（此時，無CO2、無水分的零氣循環(huán)經過紅外儀），約1~2min，調節(jié)紅外儀的調零旋鈕使指針穩(wěn)定在"0"點位置，穩(wěn)定后，調節(jié)記錄儀第一支筆的"調零"旋鈕，使記錄筆到零點位置、紅外儀調零完畢。（2）拔下紅外儀進氣口處的橡皮管，改接CO2標準氣（已知CO2的準確濃度）鋼瓶，出氣口放空，讓標準氣流經紅外儀分析氣室（流量以1L/min左右為宜）開始校正，此時紅外儀指針應指在標準氣濃度所對應的刻度（xA值）上，否則，可調節(jié)紅外儀"校正"旋鈕，使其達到。校正完畢后恢復原氣路。（3）把玻璃溫度計感混端與葉室內的溫度轉換器探頭放在一起（注意遮陽），從玻璃混度計上讀出溫度，迅速旋轉記錄儀第二支筆的調零旋鈕，使記錄筆置該溫度所對應的位置，校正溫度。3.測定（1）旋轉取樣器面板上F，旋鈕至“測量”位置，把植物葉片平展放入同化室后關閉同化室（注意勿讓操作者的呼吸氣進入葉室），開啟葉室風扇。觀察記錄筆開始左移時，迅速旋轉記錄儀"走紙變速"開關至合適檔（以所劃曲線角度45"為宜），開始記錄C02濃度變化（此時記錄筆應從350×10~‘左右開始記錄）和溫度變化，用鉛筆在記錄紙上記下所測葉片的編號、走紙速度，用量子輻射照度計測量所測葉片的受光強度（光子通量密度）并記錄，待記錄筆左移至310×10~'左右時，關閉走紙開關，停止記錄，第一次測定完畢。（2）旋轉取樣器面板上的F，旋鈕至“補充”位置后，迅速復原，讓氣球內的高濃度CO2氣進入同化室以補充CO2濃度至350×10~*左右，觀察記錄筆左移后迅速開啟走紙開關，進行第二次重復測定，測量光照強度并記錄，當記錄筆左移至310×10~左右時，關閉走紙開關，第二次重復測定完畢。如此再進行第三次重復測定。（3）三次重復測定完畢后，關閉同化室內風扇，用記號筆在葉片的葉室內外相交處作標記，打開葉室，剪下葉片的測定部分，用紙牌編號后包在濕紗布內，并放置于帶蓋搪瓷盤內，待測葉面積。然后再測定第二張葉片的光合速率。（4）測定結束后，用葉面積儀測定各葉片面積（如有便攜式葉面積儀，可在測定光合作用后，立即測出葉面積）。4.計算（1）IRGA的μA、CO2之濃度（x10~*）、CO2濃度（x10~*/xA）對照表的制作（該部分可由教師預先完成）。QGD-07型IRGA表頭讀數（μA）與CO2濃度（×10Λ-6）為非線性關系，廠方提供的標定曲線使用不方便，為了計算需要，須求出標準曲線各點上每變化1μA所代表的CO2濃度變化率（CO2×10~-6/μA，即曲線在各點的斜率）。用配方程法將廠方標定儀器時取得的μA（x）、CO2×10~-6（y）對應數據進行多項式回歸，配以理想方程，并求該方程的一階導數方程，然后將x值（μA），1～50的整數代入理想方程和導數方程，分別計算y和y'值，即可求出各μA值所對應的CO2濃度和斜率（×10Λ-6μA）。將各x、y、y’值列成對照表備計算用。北京分析儀器廠新研制的GXH-305型紅外線CO2氣體分析儀已將表頭輸出與CO2濃度的關系線性化，可免去這一步計算。（2）計算任一CO2濃度下的CO2濃度變化率。首先確定計算光合速率時的環(huán)境CO2濃度。一般可確定為大氣CO2濃度320×10Λ-6~340×10Λ-6。在記錄紙的每張葉片所記錄的三次重復旋數曲線上分別找出所確定的濃度點P（圖2-16-3），在該點對每條曲線作切線（若該點前后記錄線是一直線，則可畫一條與其重合的線），將切線延長，使其跨越一固定的μA值，標出線段AB，由A及B點分別作平行和垂直于基線的線段AC及BC，使之相交于點C，構成直角三角形ABC，其中BC為走紙長度L（mm），L除以走紙速度x（mm/min），即得時間t（min）。三角形AC邊代表在時間t內表頭讀數的變化n（μA值），由制好的對照表中查出P點（pA值）所對應的斜率r（×10~*/μA），則在該P點CO濃度變化率R為：計算出同一葉片三次重復的光合速率后，求其平均值可作為該葉片的凈光合速率?！咀⒁馐马棥棵荛]系統的最基本要求是嚴格密閉，不能漏氣，否則無法測定。（2）紅外儀的濾光效果并不十分理想，水蒸氣是干擾測定的主要因素，因此，取樣器干燥管內的CaCl2，要經常更換，避免吸水溶解進入紅外儀，污染分析氣室，以保證測量精度，延長儀器壽命。（3）該方法也可用于測定植物群體的光合速率，但需將單葉同化室換成群體同化室?？捎娩摻詈赋砷L方體框架，覆以兩端開口的透明塑料薄膜（上端的一側要長出一段，以便測定時密封頂部），框架的頂部吊2~4個玩具風扇用以混勻室內空氣，將進出氣管和測溫探頭吊在室內（管口勿靠在一起）。測定時，底部的塑料薄膜用土埋好，頂端一側長出的薄膜覆蓋好頂部后，用鐵夾將四周夾好（注意不能漏氣）即可，其他與單葉光合測定方法相同。（二）呼吸速率的測定1、2同本實驗光合速率測定方法1、2。3.測定旋轉取樣器面板上F，旋鈕至"測量"位置，把葉片平展放入葉室后關閉葉室（勿讓操作者的呼吸氣進入葉室），用黑布將葉室包嚴密，并用鐵夾緊使其不透光，開啟葉室風扇，觀察記錄筆開始右移時，迅速旋轉記錄儀的"走紙變速"開關至合適檔，開始記錄（此時記錄筆應從320×10Λ-6左右開始，若CO2濃度太高，可旋轉取樣器面板上F，旋鈕至"調零"位置，使空氣流經燒堿石棉管，將葉室內CO2吸收至320×10~-6以下，再恢復至"測量"位置），待記錄筆右移至360×10~6左右時，停止記錄。以下同本實驗光合測定方法（3）、（4）。4.計算呼吸速率（R.）計算同本實驗光合速率測定方法4。（三）CO2-P曲線的測定利用密閉氣路CO2。斜率法，測定CO2、的Pm曲線十分方便，步驟如下：1、2同光合速率測定方法1、2。3.測定旋轉取樣器面板上的F，旋鈕至"測量"位置，把葉片平展放入同化室并關閉同化室。開啟風扇，紅外儀量程開關至Ⅱ檔（0~1000×10~5），旋轉取樣器面板上F旋鈕至“補充”位置，向同化室內補充CO2氣，觀察記錄筆右移至近滿刻度時，恢復F，至"測量"位置。待記錄筆緩慢均勻左移時，開啟走紙開關至合適檔每隔2~3min測量記錄一次光強度，待記錄筆畫出的曲線大致與基線平行時，停止記錄，關閉風扇。打開葉室，剪下葉片的測量部分，掛牌編號后包于濕紗布中，并置搪瓷盤內。如此測量5個葉片。在葉面積儀上測量、記錄各葉片面積。4.計算按本實驗光合速率測定方法4（2）所述，在記錄紙的每一條長曲線上，選10個以上的點，分別計算各點斜率R值與光合速率Pm，再根據各點的μA值在對照表上查得相應的CO，濃度，即可得到10組以上的CO2--Pm一對應值。以CO2濃度為橫坐標，Pm為縱坐標即可畫出CO2.-Pm曲線。該曲線的直線部分之初始斜率，稱為葉片導度，也可近似地看作羧化效率；將曲線內推找出曲線與橫坐標的交點，即凈光合速率為零時的CO2。濃度，此濃度即為CO2，補償點；再內推至與縱坐標相交，此交點為無CO2，空氣中的CO2釋放速率，可代表光呼吸速率（嚴格地講應為光、暗呼吸之和）。也可在曲線的直線部分用計算機建立直線回歸方程，求得直線方程的斜率為葉片導度，x=0時的y值（負值）為光呼吸速率；y=0時的x值為CO.補償點?！咀⒁馐马棥浚?）測定CO2-Pm.曲線要求光強度和溫度穩(wěn)定，可在人工光源燈和控溫條件下進行。（2）若專為測定CO2，補償點及光呼吸，可不必從高CO2濃度做起，除紅外儀改用I檔外，還可通過取樣器的F，旋鈕，將同化室內CO2濃度降低。II.密閉系統落差法一、原理在密閉的系統中，由于同化室中的葉片進行光合作用后，系統中的CO2濃度不斷下降，可用單位時間內同化室中CO2，濃度的減少量或CO2，濃度減少量所需的時間，根據葉片面積、同化室體積，計算光合速率。二、材料、儀器設備及試劑（一）材料待測植物葉片。（二）儀器設備GXH-305型紅外線CO2，氣體分析儀（或QGD-07型紅外儀，使用該紅外儀需要配用MXQ-氣體取樣器和數字萬用電表），電子秒表，同化室（根據需要自制，內裝兩個小風扇和一個測定溫度的傳感器），量子輻射照度計。試劑燒堿石棉或堿石灰。三、實驗步驟（1）按要求將氣路系統的各部分連接起來，若使用QGD-07型紅外儀，把數字萬用電表上選擇開關旋至200mV電壓檔上，與紅外儀0~200mV輸出相連接。（2）接通電源，打開紅外儀電源預熱1~2h，打開氣泵電源，旋轉零氣調節(jié)開關至"零點"上，此時向紅外儀通人無CO2.氣體，調節(jié)紅外儀"調零"旋鈕，顯示在“零點”位置，并觀察零點的穩(wěn)定性。（3）將待測葉片放入同化室，密閉后開啟同化室內的風扇，當CO2濃度穩(wěn)定下降時，開始測定，讀取開始的CO2，濃度值C，開始計時，CO2，下降至