LI-6400便携式光合仪测定植物叶片的气体交换

LI-6400便携式光合仪测定植物叶片的气体交换是掌握红外线 CO₂ 分析仪法测定气体交换参数（光合速率、暗呼吸作用、蒸腾速率和气孔导度）测定的基本原理；掌握用 LI-6400 便携式光合系统测定光合速率、暗呼吸作用、蒸腾速率和气孔导度的方法以及测定光合-光响应曲线的方法。

红外线 CO₂ 气体分析仪（IRGA）的工作原理。

红外线（infrared）是波长在 0.75~400 μm 范围内的电磁波。红外线按其波长划分，25~400 μm 为远红外线；2.5~25 μm 为中红外线；0. 75~2.5 μm 为近红外线。受热物体是红外线辐射的极好辐射源。红外线在传播中其辐射能量被物体吸收后易被检测，这一特点就成为设计和制造红外线 CO₂ 气体分析仪的依据。不同气体对红外线的吸收不同。由同种原子组成的气体分子（如N₂、H₂、O₂ 等）均不吸收红外线。只有由异种原子组成的气体分子（如CO、 CO₂、CH₂、H₂O 等）可以吸收红外线。因为由异种原子组成的气体分子是永久极性分子，即偶极子。分子内原子间的位置处于不停运动中，并发生周期性的变化。在与其频率相同的红外辐射作用下，偶极子（如 CO₂、CH₄ 将发生共振，并吸收红外线辐射能量。

CO₂气体吸收红外线辐射能时，其分子结构会由对称型转变为伸缩型或弯曲型。另外，CO₂ 气体能吸收红外线 4 个区段的能量，吸收峰的波长分别在：2.66 μm、2.77 μm、4.26 μm、14.99 μm，其吸收率分别为 0.54%、0.31%、23.2%、3.1%。峰值为 4. 26 μm 的吸收率最高，在 CO₂ 浓度较低时，在特定波长（4. 26呻）下，被 CO₂ 气体吸收的红外线辐射能量与 CO₂ 气体的浓度呈线性关系.即红外线经过 CO₂ 气体分子时，其辐射能量减少，被吸收的红外线辐射能量的多少与该气体的吸收系数（K）、气体浓度（c）和气体层的厚度（L）有关，并符合朗伯-比尔定律，可以用下式表示：

E = E₀KcL

式中：E₀一入射红外线的辐射能量；

E一透过的红外线的辐射能量。

一般红外线 CO₂ 气体分析仪内设置仅让 4. 26 μm 红外线通过的滤光片，其辐射能量即 E₀，只要测得透过的红外线辐射能量（E）的大小，即可知 CO₂ 气体浓度。

材料：带枝条的叶片或植株。

试剂：

① 无水氯化钙（无水硫酸钙）

② 烧碱石棉（10目）或碱石灰

器材：LI-6400 便携式光合系统。

LI-6400 便携式光合仪测定植物叶片的气体交换的基本过程可分为如下几步：

（一）仪器使用步骤

1. 仪器安装：根据测定对象选择不同叶室进行安装，本实验选用仪器配套的 6400-02B 红蓝光源叶室。电源连线与控制器正确匹配（管道和线路切不可接错），多孔插线和分析器对准（红点）插入；硬塑料管带黑圈套的端与分析器相接并使另一端与控制器“sample”相接。接上带“buffer”的进气管，接上电源（切记，除“sleep”状态外，在电源打开的情况下，不可接或卸管道和线路，否则会烧毁仪器）。

2. 开机：打开位于主机右侧的电源开关。仪器在启动后将显示“Is the IRGA connected?（Y/N）”，选择“Y”；选择叶室（6400-02B 红蓝光源），然后回车 <enter>，仪器显示“Is the chamber/IRGA connected?（Y/N）”，选择“Y”，CO₂ 分析仪有“噗……”声，自动进入主菜单。

3. 手动测量：按 F4“New Measurements”菜单进入测量菜单。

① 参数设置：按2，按 F2（Flow）设置100〜500能合适控制叶室内相对湿度的值，<enter >；按 F5（ Lamp OFF）选Quantum flux <enter>；根据植物类型选择饱和光强（500~1 500），<enter>，按 1。

② 匹配：向 Bypass 方向拧紧碱石灰管和干燥管上端的螺母。关紧叶室，如果“△CO₂”大 于 0.5 或小于一 0.5，按 F5“Match”进行匹配。

③ 设定文件：按 F1“Open Logfile”建立新文件。回车后输入自己设定的文件名。当显示屏出现提示“Enter Remark”时，输入需要的标记（英文，用于标记样地、植物种类、样品号等）。继续回车，文件设置结束。

④ 测量：选取需要测量的植物叶片，夹好叶片。尽量让叶片充满整个叶室空间，面积为 6 cm²，小叶片需测量面积，并在测量菜单状态下按数字“3”后按 F1 来修改叶面积值，关闭叶室，旋紧固定螺丝至适度位置。等待 C 行 PHOTO 读数稳定（小数点后最后一位数字的波动在 2 左右）后即可记录（按 F1“LOG”按钮或者按分析仪手柄上的黑色按钮 2 s 即可记录 1 组数据）。测量时间尽量选择在晴朗的上午 10:00~11:30 间最好。

⑤ 环境控制：只需要在手动测量时，按数字来切换菜单。具体各菜单情况如图 18-1 所示。

温度控制：按数字 2，按 F4 控制温度（输入需要的温度并回车即可，注意温度控制范围是环境温度的 ± 6 ℃）。

光强控制：本功能在连接 6400-02B 红蓝光源条件下使用。在测量菜单下按数字「2」，按 F5 选择"Quantum Flux"并回车，输入需要的光强值即可。

CO₂ 控制：需要连接上 6400-01 CO₂ 注入系统，并在主菜单下选择 F3“Calib”按钮进入校准菜单。将叶室关闭拧紧，把 CO₂ 过滤管的螺丝拧到“SCRUB”状态。利用上下箭头选择 “CO₂ Mixer Calibrate”，回车，等待系统自动进行校准后，回到测量菜单，按数字 2，按 F3 设 置 REF CO₂ 浓度即可进行测量。测定完成后，关闭气流、温度、光强控制，退到主菜单。

4. 自动测量。

（1）光响应曲线：

① 建立文件：夹上气孔开放后的叶片，建立新文件后（测量菜单下按数字 1，按 F1），匹配（测量菜单下按数字 1，按F5）。

② 设定条件：CO₂ 浓度，温度，相对湿度。

③ 测量菜单下按数字 5，按 F1，选择 LIGHT CURVE，回车，并输入光强梯度（例如 2000， 1500，1200，1000，800，600，400，200，100，50，20，0）。进一步输入最小等待时间（例如 120 s）和最大等待时间（240 s）。输入匹配值（例如 20 ppm），回车，机器即进入自动测量，测量后关闭文件，退出。（注意此测量要求 CO₂ 浓度变化不大，否则应该控制其浓度）

（2）ACI 曲线：设定光强为饱和光，其他同于光曲线，不同点是选择“ACI CURVE”，设置浓度梯度（举例 400，300，200，100，50，400，400，600，800，1 000，1 200，1 500，2 000）。

5. 数据输出：将计算机与仪器连接，调整仪器状态（主菜单下按F5“UTILITY”进入应用菜单，选择“FILE EXCHANGE”，回车即可）。

运行 WINFX 软件，选择 CONNECT。将 LI-6400 内的“USER”文件夹下的数据文件拖到计算机中的某个文件夹下即可。用 Excel 软件打开，文件扩展名选择所有文件，选择分隔符为逗号，并打开文件，即可使用数据。

6. 关机：按“ESCAPE”按钮退回到主菜单下，松开叶室（留一点缝隙），两个化学管螺母拧至中间松弛状态，关闭主机。取出电池充电（注：如使用中电力不足，仪器会出现声音提示和文字提示，需更换电池。更换电池时，应先将一只电池换好，然后再换另一只电池）。

（二）数据所代表的中文意义

Ftime：持续时间（s）；Photo：光合速率（μmol・m^-1・s^-1）；Cond：气孔导度（mmol H₂O・m^-2・s^-1）Ci：胞间 CO₂ 浓度（μmol・mol^-1）；Trmmol：蒸腾速率（mmol・m^-2・s^-1）；VpdL：水气压差（mg・L^-1）；Area：叶面积（cm²）； BLCond：界面层导度；Tleaf：叶温（℃）；St-mRat：气孔比率；Tair：气温（℃）；TBlk：参比室（℃）；CO2S：叶室 CO₂ 浓度（μmol・mol^-1）；CO2R：参比室 CO₂ 浓度（μmol・mol^-1）；H2OR：参比室水含量；H2OS：叶室水含量；RH_R：参比室相对湿度（%）；RH_S：叶室相对湿度（%）；Flow：流量（mL・s^-1）；CsMch：CO2S 匹配；PARi：叶室内光强（μmol・m^-2・s^-1）；Press：大气压（mPa）；PARo：叶室外光强（μmol・m^-2・s^-1）；HsMch：H2OS 匹配。

（三） 实验测定内容

1. 选择 C₃ 和 C₄ 植物各一种，比较两种植物饱和光下光合速率等气体交换参数的差异。

2. 实验数据记录和处理：

① 从仪器记录数据中选出并计算表 18-1 的内容。

② 从已有的全班数据中选择 2~3 组数据，做出符合要求的光-光合速率响应曲线。比较两种植物响应曲线的差异。

③ 求出它们的光补偿点、饱和点和量子效率和暗呼吸速率，并用合适的方法表示。

④ 根据测定结果，分析 C₃ 和 C₄ 植物光合特性的差异。

1. 密闭系统的最基本要求是严格密闭，不能漏气，否则无法测定。

2. 红外仪的滤光效果并不十分理想，水蒸气是干扰测定的主要因素，因此，取样器干燥管内的 CaCl₂ 要经常更换，避免吸水溶解进入红外仪，污染分析气室，以保证测量精度，延长仪器寿命。