安徽 嚴(yán)邦軍 梁 陳

例析光合速率的測(cè)定方法

安徽 嚴(yán)邦軍 梁 陳

光合作用是細(xì)胞代謝的主要內(nèi)容，在高考生物教學(xué)中占有重要地位。高考中光合作用的考查形式多種多樣，可以文字信息體現(xiàn)，也可以曲線(xiàn)、表格、圖像等形式出現(xiàn)，不僅考查學(xué)生對(duì)光合作用概念、原理的掌握，在近幾年高考題中，光合速率、呼吸速率的測(cè)定也頻繁出現(xiàn)，以此考查學(xué)生提取有效信息、實(shí)現(xiàn)信息相互轉(zhuǎn)換的能力。本文想通過(guò)例題來(lái)分析光合速率的測(cè)定問(wèn)題，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光合作用的理解。

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O2的釋放量，也可以用單位時(shí)間、單位葉面積干物質(zhì)積累量表示，通常以每小時(shí)每平方分米葉面積吸收CO2毫克數(shù)表示（mg·dm-2·h-1）。一般測(cè)定光合速率的方法都沒(méi)有考慮植物的呼吸作用，所以測(cè)定的結(jié)果實(shí)際是光合作用速率減去呼吸作用速率的差數(shù)，叫作表觀光合速率或凈光合速率。若能測(cè)出其呼吸速率，把它加到凈光合速率上去，則可算出真正光合速率，即真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率?，F(xiàn)將高中階段常用的幾種光合速率的測(cè)定方法歸納如下：

1.利用實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定光合速率

實(shí)驗(yàn)原理：

（1）測(cè)呼吸速率：利用裝置甲在黑暗條件下進(jìn)行測(cè)定，小燒杯中盛放NaOH溶液，其作用是吸收裝置中CO2。植物的呼吸作用會(huì)消耗O2，裝置中氣體體積變小，水滴就會(huì)向左移動(dòng)，因此水滴左移量代表呼吸作用消耗O2量。

（2）測(cè)凈光合速率：利用裝置乙在光照條件下進(jìn)行測(cè)定，小燒杯中盛放NaHCO3溶液，其作用是維持裝置中CO2不變。植物的光合作用釋放O2，裝置中氣體體積變大，水滴就會(huì)向右移動(dòng)，因此水滴右移量代表光合作用釋放O2量。

（3）該實(shí)驗(yàn)中要考慮外界大氣壓的改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，所以需要設(shè)置對(duì)照組，在對(duì)照組中放入相同且死亡的綠色植物（如丙），用以排除大氣壓等物理因素的影響。當(dāng)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的水滴移動(dòng)方向相同時(shí)，用實(shí)驗(yàn)組水滴移動(dòng)數(shù)值減去對(duì)照組水滴移動(dòng)數(shù)值，即代表實(shí)驗(yàn)裝置中氣體變化的真實(shí)值；當(dāng)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的水滴移動(dòng)方向相反時(shí)，用實(shí)驗(yàn)組水滴移動(dòng)數(shù)值加上對(duì)照組水滴移動(dòng)數(shù)值，即代表裝置中氣體變化的真實(shí)值。

【例1】下圖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NaHCO3溶液可維持瓶?jī)?nèi)的CO2濃度，將該裝置置于25℃環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，針筒的讀數(shù)是0.2 mL，毛細(xì)管內(nèi)的水滴在位置X處。20 min后，針筒的容量需要調(diào)至0.6 mL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：

（1）若將圖中的NaHCO3溶液換成等量清水，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，20 min后，要使水滴維持在位置X處，針筒的容量_______（填“需向左”“需向右”或“不需要”）調(diào)節(jié)。

（2）若以釋放出的O2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-1。

（3）若將圖中的NaHCO3溶液換成等量NaOH溶液，在25℃、無(wú)光條件下，30 min后，針筒的容量需要調(diào)至0.1 mL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真正光合速率是_______mL·h-1。

【解析】

（1）由光合作用的總反應(yīng)式：

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。

（2）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)氣體（O2）容量的增加就代表凈光合速率的大小。由題可知，若以釋放出的O2量來(lái)代表凈光合速率，該植物的凈光合作用速率是（0.6-0.2）×3=1.2（mL·h-1）。

（3）若將瓶中液體改為NaOH溶液且在無(wú)光條件下，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作用消耗O2的量。則在有光條件下該植物的真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率，即1.2+0.1×2=1.4（mL·h-1）。

【答案】（1）不需要 （2）1.2 （3）1.4

2.利用半葉法測(cè)定光合速率

實(shí)驗(yàn)原理：將對(duì)稱(chēng)葉片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做處理，如下圖所示，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|(zhì)和能量轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射1小時(shí)后，在A、B的對(duì)應(yīng)部位裁取同等面積的葉片，烘干稱(chēng)重，分別記為MA、MB，單位是（mg·dm-2）。

設(shè)所裁取的葉片原來(lái)質(zhì)量為X（mg·dm-2），則：

呼吸速率=X-MA（mg·dm-2·h-1）

凈光合速率=MB-X（mg·dm-2·h-1）

真正光合速率=呼吸速率+凈光合速率=X-MA+MBX=MB-MA（mg·dm-2·h-1）

本實(shí)驗(yàn)中利用遮光部分的葉片進(jìn)行呼吸速率的測(cè)定，利用光照部分的葉片進(jìn)行凈光合速率的測(cè)定，然后利用公式計(jì)算出真正光合速率。

【例2】某同學(xué)欲測(cè)定植物葉片葉綠體的光合作用速率，做了如下圖所示實(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1 cm2的葉圓片烘干后稱(chēng)其重量，測(cè)得葉片的葉綠體光合作用速率=g·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 （ ）

A. 下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光3小時(shí)

B. 下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光6小時(shí)

C. 下午4時(shí)后在陽(yáng)光下照射1小時(shí)

D．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)積累量：（y-x）克。即凈光合速率。呼吸速率=真正光合速率-凈光合速率。若要求出呼吸作用消耗干物質(zhì)量，應(yīng)將葉片遮光處理，先假設(shè)葉片遮光處理為N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N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，即呼吸速率=則：，計(jì)算出N=3小時(shí)，故A項(xiàng)正確。

【答案】A

3.黑白瓶法測(cè)定光合速率

實(shí)驗(yàn)原理：黑白瓶法是將幾只注滿(mǎn)水樣的白瓶和黑瓶懸掛在采水深度處，曝光24 h。黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能進(jìn)行呼吸作用，因此黑瓶中的溶解氧就會(huì)減少。而白瓶完全被曝曬在光下，瓶中的浮游植物可進(jìn)行光合作用，因此白瓶中的溶解氧量一般會(huì)增加。所以黑瓶中溶解氧量的變化可代表呼吸速率，白瓶中溶解氧量的變化可代表凈光合速率，這樣就可以計(jì)算出該深度處水體的真正光合速率。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）采水與掛瓶

①采水：根據(jù)確定的采水分層和深度，采集某深度的水樣注入白瓶、黑瓶和初始瓶?jī)?nèi)，待水滿(mǎn)后將瓶蓋蓋好，立即對(duì)初始瓶進(jìn)行溶解氧的測(cè)定。

②掛瓶與曝光：將灌滿(mǎn)水的白瓶和黑瓶懸掛在原采水處，曝光培養(yǎng)24 h。

（2）溶解氧的測(cè)定與分析

曝光結(jié)束后，取出黑、白瓶立即測(cè)定溶解氧量，并計(jì)算真正光合速率。計(jì)算方法：

真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率

本方法是利用黑瓶測(cè)呼吸速率，白瓶測(cè)凈光合速率，然后利用公式，計(jì)算出真正光合速率。

【例3】采用黑白瓶法（黑瓶外包黑膠布和鋁箔，以模擬黑暗條件；白瓶為透光瓶）測(cè)定池塘各深度24小時(shí)內(nèi)的平均氧氣濃度變化，結(jié)果如下表。則該池塘一晝夜產(chǎn)生氧氣的量是 （ ）

A. 8 g/m3B. 14 g/m3

C. 22 g/m3D. 32 g/m3

【解析】池塘一晝夜產(chǎn)生氧氣的量，實(shí)質(zhì)上指的是各水層一晝夜產(chǎn)生的氧氣量的總和。產(chǎn)生的氧氣量，就是光合作用總量＝白瓶中氧氣增加量＋黑瓶中氧氣減少量。對(duì)5 m～水底范圍內(nèi)的生物來(lái)說(shuō)，黑瓶與白瓶中氧氣的變化量都是相同的，說(shuō)明此范圍水域內(nèi)不進(jìn)行光合作用。故該池塘一晝夜產(chǎn)生的氧氣量為1～4 m水深范圍內(nèi)生物產(chǎn)生的氧氣量。由題表可知，水深1～4 m范圍內(nèi)生物產(chǎn)生的氧氣量分別是9 g/m3、7 g/m3、4 g/m3、2 g/m3，總計(jì)22 g/m3。

【答案】C

綜上所述，光合速率測(cè)定方法的實(shí)質(zhì)是：在黑暗條件下測(cè)定呼吸速率，在光照條件下測(cè)定凈光合速率，再利用公式：真正光合速率=呼吸速率+凈光合速率，計(jì)算出真正光合速率。

（作者單位：安徽省泗縣第二中學(xué)）