光合速率的測(cè)定方法及應(yīng)用阮慶華光合作用是高考的重要考查內(nèi)容之一，在全國(guó)各地歷年高考中出現(xiàn)的頻率較高.考查的角度涉及光合作用場(chǎng)所.過(guò)程.物質(zhì)變化.能量轉(zhuǎn)化.及其在生產(chǎn)生活實(shí)踐中的應(yīng)用.常以實(shí)驗(yàn)為載體,多與呼吸作用生態(tài)系統(tǒng)的功能相聯(lián)系進(jìn)行考查。本節(jié)選取光合速率的測(cè)定來(lái)突破其難點(diǎn)之一.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光合速率是表觀光合速率或凈光合速率，是指單位時(shí)間、單位葉面積的CO2的吸收量或者是02的釋放量；也可以用單位時(shí)間、單位葉面積干物質(zhì)積累數(shù)表示。通常以每小時(shí)每平方分米葉面積吸收二氧化碳毫克數(shù)表示(mg/dm2?h),若能測(cè)出其呼吸速率，把它加到表觀光合速率上去,則可得到真正光合速率。真正光合速率=表觀光合速率+呼吸速率。光合速率常見的測(cè)定方法有哪些呢？光合速率又是如何計(jì)算的呢？請(qǐng)看以下幾種光合速率的測(cè)定方法。1、“半葉法”一測(cè)光合作用有機(jī)物的生產(chǎn)量，即單位時(shí)間、單位葉面積干物質(zhì)積累數(shù)例1某研究小組用番茄進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)，采用“半葉法”對(duì)番茄葉片的光合作用強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。其原理是：將對(duì)稱葉片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做處理，并采用適當(dāng)?shù)姆椒?可先在葉柄基部用熱水、或熱石蠟液燙傷//或用呼吸抑制劑處理)阻止A,B兩部分的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射6小時(shí)后，在A、B的對(duì)應(yīng)部位截取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為ma、mb，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，則可計(jì)算出該葉片的光合作用強(qiáng)度，其單位是mg/(dm2?h)。問(wèn)題：若M=M-M，則M表一BA示。解析本方法又叫半葉稱重法，常用大田農(nóng)作物的光合速率測(cè)定。如圖1所示，A部分遮光，這半片葉片雖不能進(jìn)行光合作用，但仍可照常進(jìn)行呼吸作用。另一半B部分葉片既能進(jìn)行光合作用，又可以進(jìn)行呼吸作用。題中：MB表示6小時(shí)后葉片初始質(zhì)量+光合作用有機(jī)物的總產(chǎn)量-呼吸作用有機(jī)物的消耗量，MA表示6小時(shí)后初始質(zhì)量-呼吸作用有機(jī)物的消耗量，

所以，M=Mb-Ma，就是B葉片被截取部分在6小時(shí)內(nèi)光合作用合成的有機(jī)物總量。這樣，真正光合速率（單位：mg/dm2?h）就是M值除以時(shí)間再除以面積就可測(cè)得。答案B葉片被截取部分在6小時(shí)內(nèi)光合作用合成的有機(jī)物總量變式訓(xùn)練1某同學(xué)欲測(cè)定植物葉片葉綠體的光合作用速率，做了如圖所示實(shí)驗(yàn)。在葉柄基部作環(huán)剝處理（僅限制葉片有機(jī)物的輸入和輸出），于不同時(shí)間分別在同一葉片上陸續(xù)取下面積為1cm2的葉圓片烘干后稱其重量，測(cè)得葉片的葉綠體光合作用速率=（3y—2z—x）/6g?cm-2?h-1（不考慮取葉圓片后對(duì)葉生理活動(dòng)的影響和溫度微小變化對(duì)葉生理活動(dòng)的影響）。則M處的實(shí)驗(yàn)條件是（）葉圓片（干重X克）圓片（干重V克）十*士（干重E克）圖2下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光3小時(shí)下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光6小時(shí)下午4時(shí)后在陽(yáng)光下照射1小時(shí)晚上8時(shí)后在無(wú)光下放置3小時(shí)解析起始干重為上午10時(shí)移走時(shí)的葉圓片干重x克，從上午10時(shí)到下午4時(shí)，葉片在這6小時(shí)內(nèi)既進(jìn)行光合作用，又進(jìn)行呼吸作用，所以下午4時(shí)移走的葉圓片干重y克減去上午10時(shí)移走時(shí)的葉圓片干重x克的差值，就等于該葉圓片凈光合作用干物質(zhì)量：（y—x）克。若要求出呼吸作用干物質(zhì)量，應(yīng)將葉片遮光處理，先假設(shè)葉片遮光處理為M小時(shí)后干重為z克，下午4時(shí)移走的葉圓片干重y克減去葉片遮光處理M小時(shí)后的干重z克差值，就是呼吸作用干物質(zhì)量：（y—Z）克。已知：測(cè)得葉片的葉綠體光合作用速率=（3y—2z—x）/6g?cm-2?h-1,據(jù)真正光合速率=表觀光合速率+呼吸速率，得出：（3y一2z—x）/6=（y—x）/6+（y一Z）/M，計(jì)算出M=3小時(shí)，A選項(xiàng)正確。2、氣體體積變化法一測(cè)光合作用02產(chǎn)生（或CO2消耗）的體積

例2某生物興趣小組設(shè)計(jì)了圖3裝置進(jìn)行光合速率的測(cè)試實(shí)驗(yàn)（忽略溫度對(duì)氣體膨脹的影響）。①測(cè)定植物的呼吸作用強(qiáng)度：裝置的燒杯中放入適宜濃度的NaOH溶液；將玻璃鐘罩遮光處理，放在適宜溫度的環(huán)境中；1小時(shí)后記錄紅墨水滴移動(dòng)的方向和刻度，得X值。②測(cè)定植物的凈光合作用強(qiáng)度：裝置的燒杯中放入NaHCO3緩沖溶液；將裝置放在光照充足、溫度適宜的環(huán)境中；1小時(shí)后記錄紅墨水滴移動(dòng)的方向和刻度，得Y值。請(qǐng)你預(yù)測(cè)在植物生長(zhǎng)期紅墨水滴最可能移動(dòng)方向并分析原因:項(xiàng)目紅墨水滴移動(dòng)方向原因分析測(cè)定植物呼吸作用速率a.c.測(cè)定植物凈光合作用強(qiáng)度b.d.解析：①測(cè)定植物的呼吸作用強(qiáng)度時(shí)，將玻璃鐘罩遮光處理，綠色植物只進(jìn)行呼吸作用，植物進(jìn)行有氧呼吸消耗02,而釋放的CO2氣體被裝置燒杯中的NaOH溶液吸收，導(dǎo)致裝置內(nèi)氣體量減小，壓強(qiáng)減小，紅色液滴向左移動(dòng)，向左移動(dòng)的距離X，就代表植物進(jìn)行有氧呼吸消耗的量O2量，也就是有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量。②測(cè)定植物的凈光合作用強(qiáng)度:裝置的燒杯中放入NaHCO3緩沖溶液可維持裝置中的CO濃度；將裝置放在光照充足、溫度適宜的環(huán)境中，又處在植物的生長(zhǎng)期，其光2合作用強(qiáng)度超過(guò)呼吸作用強(qiáng)度，表現(xiàn)為表觀光合作用釋放O2,致裝置內(nèi)氣體量增加，紅色液滴向右移動(dòng)，向右移動(dòng)距離Y，就代表表觀光合作用釋放O2量，也就是表觀光合作用吸收的CO2量。所以，依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理：真正光合速率=呼吸速率+表觀光合速率，就可以計(jì)算出光合速率。答案a.向左移動(dòng)c.將玻璃鐘罩遮光處理，綠色植物只進(jìn)行呼吸作用，植物進(jìn)行有氧呼吸消耗o2,而釋放的CO2氣體被裝置燒杯中NaOH溶液吸收，導(dǎo)致裝置內(nèi)氣體量減小，壓強(qiáng)減小，紅色液滴向左移動(dòng)b.向右移動(dòng)d?裝置的燒杯中放入NaHCO3緩沖溶液可維持裝置中的C02濃度；將裝置放在光照充足、溫度適宜的環(huán)境中，在植物的生長(zhǎng)期，光合作用強(qiáng)度超過(guò)呼吸作用強(qiáng)度，表現(xiàn)為表觀光合作用釋放O2,致裝置內(nèi)氣體量增加，紅色液滴向右移動(dòng)變式訓(xùn)練2圖4是探究綠色植物光合作用速率的實(shí)驗(yàn)示意圖，裝置中的碳酸氫鈉溶液可維持瓶?jī)?nèi)的二氧化碳濃度，該裝置置于20C環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，針筒的讀數(shù)是0.2mL，毛細(xì)管內(nèi)的水滴在位置X。20min后，針筒的容量需要調(diào)至0.6mL的讀數(shù)，才能使水滴仍維持在位置X處。據(jù)此回答下列問(wèn)題：若將圖中的碳酸氫鈉溶液換成等量清水，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，20min后，要使水滴維持在位置X處，針筒的容(需向左/需向右/不需要)調(diào)節(jié)。若以釋放出的氧氣量來(lái)代表凈光合作用速率，該植物的凈光合作用速率是mL/h。若將圖中的碳酸氫鈉溶液換成等量濃氫氧化鈉溶液，在20C、無(wú)光條件下，30min后，針筒的容量需要調(diào)至0.1mL的讀數(shù)，才能使水滴仍維持在X處。則在有光條件下該植物的實(shí)際光合速率mL/h?！釽解析(1)由光合作用的總反應(yīng)式6CO+12HO葉綠體CHO+6O+6HO,22，”八，丁612622可知反應(yīng)前后氣體體積不變，所以不需要調(diào)節(jié)針筒容量就可使水滴維持在X處。光照條件下，由于光合作用吸收的CO2由緩沖液補(bǔ)充，緩沖液能維持CO2濃度，同時(shí)釋放出O2導(dǎo)致密閉裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)增大，若使水滴X不移動(dòng)，其針筒中單位時(shí)間內(nèi)O2氣體容量的增加就代表表觀光合速率的大小。由題可知，若以釋放出的氧氣量來(lái)代表表觀光合速率該植物的表觀光合作用速率是0.6-0.2)X3=1.2(mL/h)。瓶中液體改放為NaOH溶液，則裝置內(nèi)CO2完全被吸收，植物體不能進(jìn)行光合作用，只能進(jìn)行呼吸作用，瓶中氣體的變化即呼吸消耗的O2的變化。則在有光條件下該植物的真正光合速率=表觀光合速率+呼吸速率，既1.2+0.1X2=1.4(mL/h)。答案(1)不需要(2)1.2(mL/h)(3)1.4(mL/h)3、黑白瓶法—測(cè)溶氧量的變化例3某研究小組從當(dāng)?shù)匾缓吹哪骋簧疃热〉靡煌八畼?，分裝于六對(duì)黑白瓶中，剩余的水樣測(cè)得原初溶解氧的含量為10mg/L，白瓶為透明玻璃瓶，黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶。將它們分別置于六種不同的光照條件下，分別在24小時(shí)后測(cè)定各組培養(yǎng)瓶中的氧含量，記錄數(shù)據(jù)如下：光照強(qiáng)度(klx)0(黑暗)ABCDE白瓶溶氧量(mg/L)31016243030黑瓶溶氧量(mg/L)333333(1)黑瓶中溶解氧的含量降低為3mg/L的原因是；該瓶中所有生物細(xì)胞呼吸消耗的02量為mg/L,24h。當(dāng)光照強(qiáng)度為c時(shí)，白瓶中植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量為mg/L?24h。光照強(qiáng)度至少為(填字母)時(shí)，該水層產(chǎn)氧量才能維持生物正常生活耗氧量所需。解析黑白瓶法常用于水中生物光合速率的測(cè)定。白瓶就是透光瓶，里面可進(jìn)行光合作用和呼吸作用。黑瓶就是不透光瓶，只能進(jìn)行呼吸作用。在相同條件下培養(yǎng)一定時(shí)間，黑瓶中所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得知正常的呼吸耗氧量，白瓶中含氧量的變化可以確定表觀光合作用量，然后就可以計(jì)算出總光合作用量。黑瓶中溶解氧的含量降低為3mg/L的原因是：黑瓶沒(méi)有光照，植物不能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧，其中的生物呼吸消耗氧氣，該瓶中所有生物細(xì)胞呼吸消耗的02量為：原初溶解氧-24小時(shí)后氧含量，即10-3=7(mg/L?24h)。當(dāng)光照強(qiáng)度為c時(shí)，表觀光合速率的大小為：24小時(shí)后氧含量-原初溶解氧，即24-10=14(mg/L?24h)。呼吸速率為10-3=7(mg/L?24h)。真正光合速率為14+7=21(mg/L?24h).黑暗時(shí)，黑白瓶都是3mg/L?24h，說(shuō)明水體生物呼吸速率為10-3=7(mg/L?24h)，所以光照強(qiáng)度至少為a時(shí)，真正光合速率為10-3=7(mg/L?24h)，才能維持水中生物正常生活耗氧量所需。答案(1)黑瓶中植物不能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧，生物呼吸消耗氧氣7(2)21(3)A4、紅外線CO2傳感器一測(cè)裝置中CO2濃度的變化由于C02對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，C02的多少與紅外線的降低量之間有一線性關(guān)系，因此CO含量的變化即可靈敏地反映在檢測(cè)儀上，常用紅外線C02傳感器來(lái)2測(cè)量C02濃度的變化。例4為測(cè)定光合作用速率，將一植物幼苗放入大錐形瓶中，瓶中安放一個(gè)C0,2傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)不同條件下瓶中C02濃度的變化，如下圖5所示。相同溫度下，在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得結(jié)果如圖6所示。請(qǐng)據(jù)圖回答：在60?120min時(shí)間段內(nèi)，葉肉細(xì)胞光合作用強(qiáng)度的變化趨勢(shì)為。理由是。在60?120min時(shí)間段，瓶?jī)?nèi)C02濃度下降的原因是。此時(shí)間段該植物光合速率為pm/min。匚如.傳感器圖5匚如.傳感器圖5解析(1)在60?120min時(shí)間段內(nèi)，葉肉細(xì)胞光合作用強(qiáng)度的變化趨勢(shì)為逐漸降低，理由是C02的濃度逐漸降低。(2)在60?120min時(shí)間段，瓶?jī)?nèi)CO2濃度下降的原因是：植物的光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度，CO2不斷減少。用瓶中安放的CO2傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)瓶中CO2濃度60min內(nèi)的變化是1500-500=1000(ppm),該數(shù)值是60min內(nèi)凈光合作用消耗的CO2量。在0?60min時(shí)間段，瓶?jī)?nèi)CO2濃度上升的原因是：植物在黑暗條件下只進(jìn)行呼吸作用，60min內(nèi)植物呼吸釋放CO2量是1500-1000=500(ppm)。所以，此時(shí)間段該植物光合速率為(1000+500)/60=25(ppm/min)。答案(1)逐漸降低C02的濃度逐漸降低(2)植物的光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度25變式訓(xùn)練3將一株綠色植物置于密閉錐形瓶中，如左圖所示。在連續(xù)60分鐘監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，植物以固定的光照強(qiáng)度持續(xù)照光一段時(shí)間，其余時(shí)間則處于完全黑暗中，其他外界條件相同且適宜，測(cè)得瓶?jī)?nèi)CO濃度變化結(jié)果如右圖所示。據(jù)此分析可知(D)2入.最初10min入.最初10min內(nèi)，瓶?jī)?nèi)CO2濃度逐漸下降，說(shuō)明植物的光合作用逐漸增強(qiáng)第20?30min內(nèi)，瓶?jī)?nèi)植物光合作用逐漸減弱，呼吸作用逐漸增強(qiáng)第40?60min內(nèi)，瓶?jī)?nèi)植物的光合作用速率與呼吸作用速率大致相等D.瓶?jī)?nèi)植物在照光時(shí)段內(nèi)實(shí)際的光合作用速率平均為90ppmCO/min25、小葉片浮起數(shù)量法一定性比較光合作用強(qiáng)度的大小6/9

例5探究光照強(qiáng)弱對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，操作過(guò)程如下:步驟操作方法說(shuō)明材料處理打孔取生長(zhǎng)旺盛的菠菜葉片綠葉，用直徑為1cm的打孔器打出小圓形葉片30片。注意避開大的葉脈。抽氣將小圓形葉片置于注射器內(nèi)，并讓注射器吸入清水，待排出注射器內(nèi)殘留的空氣后，用手堵住注射器前端的小孔并緩緩拉動(dòng)活塞，使小圓形葉片內(nèi)的氣體逸出。這一步驟可重復(fù)幾次。沉底將內(nèi)部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用。葉片細(xì)胞間隙充滿水而全都沉到水底。分組取3只小燒杯，標(biāo)記為A、B、C，分別倒入20mL富含CO-.一一一一一一--一一一2的清水。分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片。事先可用口通過(guò)玻璃管向清水內(nèi)吹氣。對(duì)照用3盞40W臺(tái)燈分別向A、B、C3個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行強(qiáng)、中、弱三種光照。光照強(qiáng)弱（自變量）可、工、E通過(guò)倜節(jié)來(lái)決定。觀察觀察并記錄相同時(shí)間內(nèi)葉片浮起的數(shù)量或上浮相同葉片數(shù)量所用時(shí)間（因變量）。實(shí)驗(yàn)預(yù)期：____燒杯中的小葉片浮起的數(shù)目最多。本實(shí)驗(yàn)除通過(guò)觀察相同時(shí)間內(nèi)，葉片上浮數(shù)量的多少來(lái)反映光合作用速率的大小；還可以通過(guò)三個(gè)燒杯中上浮相同葉片數(shù)量所用時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)描述。但該實(shí)驗(yàn)方法只能比較大小，無(wú)法測(cè)出具體的量變。答案臺(tái)燈與實(shí)驗(yàn)裝置間的距離A課堂練習(xí)1.從外地引進(jìn)的某種農(nóng)作物有很強(qiáng)的光合作用強(qiáng)度。某中學(xué)生物興趣小組開展了對(duì)該農(nóng)作物光合強(qiáng)度測(cè)試的研究課題，設(shè)計(jì)了如下裝置。請(qǐng)你利用下列裝置完成光合作用強(qiáng)度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分析回答有關(guān)問(wèn)題。（光合速率、呼吸速率用02含量的變化量表示）A為開關(guān)7/9A為開關(guān)7/9B為玻璃鐘罩C為引進(jìn)的農(nóng)作物D為燒杯（內(nèi)裝有NaHCO.NaOH溶液）實(shí)驗(yàn)步驟：先測(cè)定植物的呼吸作用強(qiáng)度，方法步驟是：甲、乙兩裝置