紅外線CO2氣體分析儀法測(cè)定植物光合速率與呼吸速率

紅外線CO氣體分析儀法測(cè)定植物光合速率與呼吸速率1.密閉系統(tǒng)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(duì)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(nèi)設(shè)置僅讓4.26μm紅外光通過的濾光片，當(dāng)該波長(zhǎng)的紅外光經(jīng)過含有CO2的氣體時(shí)，能量就因CO2的吸收而降低，降低的多少與CO2，的濃度有關(guān)，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(cè)器便可通過檢測(cè)紅外光能量的變化而輸出反映CO2濃度的電訊號(hào)。2.密閉系統(tǒng)斜率法測(cè)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(tǒng)。將植物材料密封在透明的同化室內(nèi)，給以適當(dāng)?shù)墓庹眨覂?nèi)CO2濃度將因植物光合作用而下降，用IRGA配以適當(dāng)?shù)挠涗泝x可繪出同化室內(nèi)CO2，濃度隨光合時(shí)間下降的曲線。在同化室不漏氣、光強(qiáng)度穩(wěn)定、室內(nèi)空氣不斷得到攪動(dòng)的情況下，該曲線將是一條平滑曲線，在曲線的任一點(diǎn)作切線，即可根據(jù)切線的斜率、密閉系統(tǒng)的容積和同化室面積求出該點(diǎn)CO2濃度下的光合速率。二、材料、儀器設(shè)備及試劑（一）材料植物葉片。（二）儀器設(shè)備密閉氣路光合測(cè)定裝置：將QGD-07型紅外線CO2氣體分析儀、XWT-264型自動(dòng)記錄儀、MXQ型氣體取樣器（圖2-16-1）、光合作用同化室、溫度轉(zhuǎn)換器（測(cè)溫探頭可放在同化室內(nèi)，輸出信號(hào)接記錄儀）或半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)、橡皮管（內(nèi)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(jì)，葉面積儀，鐵架臺(tái)（帶試管夾），0~50℃溫度計(jì)（用以校正葉室溫度），剪刀，帶蓋搪瓷盤，紗布。（三）試劑（1）無(wú)水氯化鈣（無(wú)水硫酸鈣）。（2）燒堿石棉（10目）或堿石灰。三、實(shí)驗(yàn)步驟（一）光合速率的測(cè)定（1）將安裝好的密閉氣路光合測(cè)定裝置安放在靠待測(cè)植株1~2m處，接通紅外儀、記錄儀、取樣器、溫度轉(zhuǎn)換器的供電電源。打開紅外儀電源開關(guān)預(yù)熱1~2h，紅外儀量程開關(guān)置于I檔（0~500×10~*）。把紅外儀和溫度轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出與記錄儀的兩個(gè)信號(hào)輸入接線柱用導(dǎo)線接通。旋轉(zhuǎn)記錄儀第一支筆的最程選擇開關(guān)于10mV位置（與紅外儀輸出信號(hào)電壓匹配），旋轉(zhuǎn)記錄儀第二支筆的量程選擇開關(guān)于2V位置（與溫度轉(zhuǎn)換器輸出溫度0~50℃信號(hào)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(fù)原，取出干燥管裝滿無(wú)水氯化鈣后復(fù)原，取下連接取樣器的氣球，用口吹氣至半飽和后復(fù)原。（3）將同化室用試管夾固定在鐵架臺(tái)上，置待測(cè)植株前。2.調(diào)、校儀器（1）紅外儀預(yù)熱完畢后，開啟記錄儀電源開關(guān)、記錄儀信號(hào)輸入開關(guān)和取樣器前面板上的氣泵開關(guān)，將取樣器F，旋鈕置“零氣”位置，F(xiàn)旋鈕置“測(cè)量”位置，開始調(diào)整紅外儀的零點(diǎn)（此時(shí)，無(wú)CO2、無(wú)水分的零氣循環(huán)經(jīng)過紅外儀），約1~2min，調(diào)節(jié)紅外儀的調(diào)零旋鈕使指針穩(wěn)定在"0"點(diǎn)位置，穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)記錄儀第一支筆的"調(diào)零"旋鈕，使記錄筆到零點(diǎn)位置、紅外儀調(diào)零完畢。（2）拔下紅外儀進(jìn)氣口處的橡皮管，改接CO2標(biāo)準(zhǔn)氣（已知CO2的準(zhǔn)確濃度）鋼瓶，出氣口放空，讓標(biāo)準(zhǔn)氣流經(jīng)紅外儀分析氣室（流量以1L/min左右為宜）開始校正，此時(shí)紅外儀指針應(yīng)指在標(biāo)準(zhǔn)氣濃度所對(duì)應(yīng)的刻度（xA值）上，否則，可調(diào)節(jié)紅外儀"校正"旋鈕，使其達(dá)到。校正完畢后恢復(fù)原氣路。（3）把玻璃溫度計(jì)感混端與葉室內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)換器探頭放在一起（注意遮陽(yáng)），從玻璃混度計(jì)上讀出溫度，迅速旋轉(zhuǎn)記錄儀第二支筆的調(diào)零旋鈕，使記錄筆置該溫度所對(duì)應(yīng)的位置，校正溫度。3.測(cè)定（1）旋轉(zhuǎn)取樣器面板上F，旋鈕至“測(cè)量”位置，把植物葉片平展放入同化室后關(guān)閉同化室（注意勿讓操作者的呼吸氣進(jìn)入葉室），開啟葉室風(fēng)扇。觀察記錄筆開始左移時(shí)，迅速旋轉(zhuǎn)記錄儀"走紙變速"開關(guān)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(shí)記錄筆應(yīng)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(cè)葉片的編號(hào)、走紙速度，用量子輻射照度計(jì)測(cè)量所測(cè)葉片的受光強(qiáng)度（光子通量密度）并記錄，待記錄筆左移至310×10~'左右時(shí)，關(guān)閉走紙開關(guān)，停止記錄，第一次測(cè)定完畢。（2）旋轉(zhuǎn)取樣器面板上的F，旋鈕至“補(bǔ)充”位置后，迅速?gòu)?fù)原，讓氣球內(nèi)的高濃度CO2氣進(jìn)入同化室以補(bǔ)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(guān)，進(jìn)行第二次重復(fù)測(cè)定，測(cè)量光照強(qiáng)度并記錄，當(dāng)記錄筆左移至310×10~左右時(shí)，關(guān)閉走紙開關(guān)，第二次重復(fù)測(cè)定完畢。如此再進(jìn)行第三次重復(fù)測(cè)定。（3）三次重復(fù)測(cè)定完畢后，關(guān)閉同化室內(nèi)風(fēng)扇，用記號(hào)筆在葉片的葉室內(nèi)外相交處作標(biāo)記，打開葉室，剪下葉片的測(cè)定部分，用紙牌編號(hào)后包在濕紗布內(nèi)，并放置于帶蓋搪瓷盤內(nèi)，待測(cè)葉面積。然后再測(cè)定第二張葉片的光合速率。（4）測(cè)定結(jié)束后，用葉面積儀測(cè)定各葉片面積（如有便攜式葉面積儀，可在測(cè)定光合作用后，立即測(cè)出葉面積）。4.計(jì)算（1）IRGA的μA、CO2之濃度（x10~*）、CO2濃度（x10~*/xA）對(duì)照表的制作（該部分可由教師預(yù)先完成）。QGD-07型IRGA表頭讀數(shù)（μA）與CO2濃度（×10Λ-6）為非線性關(guān)系，廠方提供的標(biāo)定曲線使用不方便，為了計(jì)算需要，須求出標(biāo)準(zhǔn)曲線各點(diǎn)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(diǎn)的斜率）。用配方程法將廠方標(biāo)定儀器時(shí)取得的μA（x）、CO2×10~-6（y）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，配以理想方程，并求該方程的一階導(dǎo)數(shù)方程，然后將x值（μA），1～50的整數(shù)代入理想方程和導(dǎo)數(shù)方程，分別計(jì)算y和y'值，即可求出各μA值所對(duì)應(yīng)的CO2濃度和斜率（×10Λ-6μA）。將各x、y、y’值列成對(duì)照表備計(jì)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(guān)系線性化，可免去這一步計(jì)算。（2）計(jì)算任一CO2濃度下的CO2濃度變化率。首先確定計(jì)算光合速率時(shí)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(fù)旋數(shù)曲線上分別找出所確定的濃度點(diǎn)P（圖2-16-3），在該點(diǎn)對(duì)每條曲線作切線（若該點(diǎn)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(zhǎng)，使其跨越一固定的μA值，標(biāo)出線段AB，由A及B點(diǎn)分別作平行和垂直于基線的線段AC及BC，使之相交于點(diǎn)C，構(gòu)成直角三角形ABC，其中BC為走紙長(zhǎng)度L（mm），L除以走紙速度x（mm/min），即得時(shí)間t（min）。三角形AC邊代表在時(shí)間t內(nèi)表頭讀數(shù)的變化n（μA值），由制好的對(duì)照表中查出P點(diǎn)（pA值）所對(duì)應(yīng)的斜率r（×10~*/μA），則在該P(yáng)點(diǎn)CO濃度變化率R為：計(jì)算出同一葉片三次重復(fù)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?xiàng)】密閉系統(tǒng)的最基本要求是嚴(yán)格密閉，不能漏氣，否則無(wú)法測(cè)定。（2）紅外儀的濾光效果并不十分理想，水蒸氣是干擾測(cè)定的主要因素，因此，取樣器干燥管內(nèi)的CaCl2，要經(jīng)常更換，避免吸水溶解進(jìn)入紅外儀，污染分析氣室，以保證測(cè)量精度，延長(zhǎng)儀器壽命。（3）該方法也可用于測(cè)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(zhǎng)方體框架，覆以兩端開口的透明塑料薄膜（上端的一側(cè)要長(zhǎng)出一段，以便測(cè)定時(shí)密封頂部），框架的頂部吊2~4個(gè)玩具風(fēng)扇用以混勻室內(nèi)空氣，將進(jìn)出氣管和測(cè)溫探頭吊在室內(nèi)（管口勿靠在一起）。測(cè)定時(shí)，底部的塑料薄膜用土埋好，頂端一側(cè)長(zhǎng)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(cè)定方法相同。（二）呼吸速率的測(cè)定1、2同本實(shí)驗(yàn)光合速率測(cè)定方法1、2。3.測(cè)定旋轉(zhuǎn)取樣器面板上F，旋鈕至"測(cè)量"位置，把葉片平展放入葉室后關(guān)閉葉室（勿讓操作者的呼吸氣進(jìn)入葉室），用黑布將葉室包嚴(yán)密，并用鐵夾緊使其不透光，開啟葉室風(fēng)扇，觀察記錄筆開始右移時(shí)，迅速旋轉(zhuǎn)記錄儀的"走紙變速"開關(guān)至合適檔，開始記錄（此時(shí)記錄筆應(yīng)從320×10Λ-6左右開始，若CO2濃度太高，可旋轉(zhuǎn)取樣器面板上F，旋鈕至"調(diào)零"位置，使空氣流經(jīng)燒堿石棉管，將葉室內(nèi)CO2吸收至320×10~-6以下，再恢復(fù)至"測(cè)量"位置），待記錄筆右移至360×10~6左右時(shí)，停止記錄。以下同本實(shí)驗(yàn)光合測(cè)定方法（3）、（4）。4.計(jì)算呼吸速率（R.）計(jì)算同本實(shí)驗(yàn)光合速率測(cè)定方法4。（三）CO2-P曲線的測(cè)定利用密閉氣路CO2。斜率法，測(cè)定CO2、的Pm曲線十分方便，步驟如下：1、2同光合速率測(cè)定方法1、2。3.測(cè)定旋轉(zhuǎn)取樣器面板上的F，旋鈕至"測(cè)量"位置，把葉片平展放入同化室并關(guān)閉同化室。開啟風(fēng)扇，紅外儀量程開關(guān)至Ⅱ檔（0~1000×10~5），旋轉(zhuǎn)取樣器面板上F旋鈕至“補(bǔ)充”位置，向同化室內(nèi)補(bǔ)充CO2氣，觀察記錄筆右移至近滿刻度時(shí)，恢復(fù)F，至"測(cè)量"位置。待記錄筆緩慢均勻左移時(shí)，開啟走紙開關(guān)至合適檔每隔2~3min測(cè)量記錄一次光強(qiáng)度，待記錄筆畫出的曲線大致與基線平行時(shí)，停止記錄，關(guān)閉風(fēng)扇。打開葉室，剪下葉片的測(cè)量部分，掛牌編號(hào)后包于濕紗布中，并置搪瓷盤內(nèi)。如此測(cè)量5個(gè)葉片。在葉面積儀上測(cè)量、記錄各葉片面積。4.計(jì)算按本實(shí)驗(yàn)光合速率測(cè)定方法4（2）所述，在記錄紙的每一條長(zhǎng)曲線上，選10個(gè)以上的點(diǎn)，分別計(jì)算各點(diǎn)斜率R值與光合速率Pm，再根據(jù)各點(diǎn)的μA值在對(duì)照表上查得相應(yīng)的CO，濃度，即可得到10組以上的CO2--Pm一對(duì)應(yīng)值。以CO2濃度為橫坐標(biāo)，Pm為縱坐標(biāo)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(dǎo)度，也可近似地看作羧化效率；將曲線內(nèi)推找出曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，即凈光合速率為零時(shí)的CO2。濃度，此濃度即為CO2，補(bǔ)償點(diǎn)；再內(nèi)推至與縱坐標(biāo)相交，此交點(diǎn)為無(wú)CO2，空氣中的CO2釋放速率，可代表光呼吸速率（嚴(yán)格地講應(yīng)為光、暗呼吸之和）。也可在曲線的直線部分用計(jì)算機(jī)建立直線回歸方程，求得直線方程的斜率為葉片導(dǎo)度，x=0時(shí)的y值（負(fù)值）為光呼吸速率；y=0時(shí)的x值為CO.補(bǔ)償點(diǎn)?！咀⒁馐马?xiàng)】（1）測(cè)定CO2-Pm.曲線要求光強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定，可在人工光源燈和控溫條件下進(jìn)行。（2）若專為測(cè)定CO2，補(bǔ)償點(diǎn)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(nèi)CO2濃度降低。II.密閉系統(tǒng)落差法一、原理在密閉的系統(tǒng)中，由于同化室中的葉片進(jìn)行光合作用后，系統(tǒng)中的CO2濃度不斷下降，可用單位時(shí)間內(nèi)同化室中CO2，濃度的減少量或CO2，濃度減少量所需的時(shí)間，根據(jù)葉片面積、同化室體積，計(jì)算光合速率。二、材料、儀器設(shè)備及試劑（一）材料待測(cè)植物葉片。（二）儀器設(shè)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(shù)字萬(wàn)用電表），電子秒表，同化室（根據(jù)需要自制，內(nèi)裝兩個(gè)小風(fēng)扇和一個(gè)測(cè)定溫度的傳感器），量子輻射照度計(jì)。試劑燒堿石棉或堿石灰。三、實(shí)驗(yàn)步驟（1）按要求將氣路系統(tǒng)的各部分連接起來(lái)，若使用QGD-07型紅外儀，把數(shù)字萬(wàn)用電表上選擇開關(guān)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(yù)熱1~2h，打開氣泵電源，旋轉(zhuǎn)零氣調(diào)節(jié)開關(guān)至"零點(diǎn)"上，此時(shí)向紅外儀通人無(wú)CO2.氣體，調(diào)節(jié)紅外儀"調(diào)零"旋鈕，顯示在“零點(diǎn)”位置，并觀察零點(diǎn)的穩(wěn)定性。（3）將待測(cè)葉片放入同化室，密閉后開啟同化室內(nèi)的風(fēng)扇，當(dāng)CO2濃度穩(wěn)定下降時(shí)，開始測(cè)定，讀取開始的CO2，濃度值C，開始計(jì)時(shí)，CO2，下降至