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红外线CO2气体分析仪测植物光合与呼吸速率(密闭系统斜率法)

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光合作用是地球上最重要的生命现象,它是唯一能把太阳能转化为稳定的化学能贮藏在有机物中的过程,是维持地球上物质循环的关键环节,也是农作物产量形成的决定性因素。在植物科学研究中,经常需要测定光合作用。

在光合作用(及呼吸作用)测定方法的发展过程中,曾经有过多次革新,其中包括测定干物质积累的称重法,测定CO2吸收(和释放)的滴定法,测氧气释放的检压法和氧电极法等。与这些方法相比,红外线气体分析仪(IRGA)堪称最先进的方法。它不但快速、准确,而且可将测定信号变为电信号输出,便于仪器的自动化和智能化。

近年来,国际上一些生理生态仪器公司生产了全自动光合作用测定仪,如英国PP Systems公司生产的CIRAS-1、CIRAS-2型便携式田间光合测定仪和美国拉哥公司生产的LI-6400型光合作用测定仪,都是当前国际上最先进的仪器,但价格较高。近几年也生产了一些价格相对低廉、适合教学使用的便携式光合作用测定系统,如TPS-1便携式光合作用测定系统(PP Systems公司)。

本实验密闭式气路系统以我国北京分析仪器厂生产的QGD-07 或GXH-305型红外线CO2气体分析仪为主机组成的系统进行光合和呼吸速率测定;开放式气路系统应用TPS-1光合作用测定系统。

1、 红外线CO2气体分析仪(IRGA)工作原理

许多由异原子组成的气体分子对红外线都有特异的吸收带。CO2的红外吸收带有四处,其吸收峰分别在2.69μm、2.77μm、4.26μm和14.99μm处,其中只有4.26μm的吸收带不与H2O的吸收带重叠,红外仪内设置仅让4.26μm红外光通过的滤光片,当该波长的红外光经过含有CO2的气体时,能量就因CO2的吸收而降低,降低的多少与CO2的浓度有关,并服从朗伯-比尔定律。分别供给红外仪含与不含CO2的气体,红外仪的检测器便可通过检测红外光能量的变化而输出反映CO2浓度的电讯号。

目前应用于光合作用研究的红外线CO2气体分析仪,按照测量气室的数量一般分为两种类型:单气室类型和双气室(或多气室)类型。单气室红外仪一般用于CO2浓度绝对值的测定;在双气室(或多气室)红外仪中,一个气室为分析气室,另一个作为参比气室,可测定参比气与分析气中CO2浓度之差。

2、IRGA法测定光合速率的气路系统

红外线CO2分析仪是测定CO2浓度的专用仪器,不能直接测定植物叶片的光合速率,必须根据IRGA的性能和测定目的,将IRGA与同化室组成一定的气路系统,才能进行叶片光合速率的测定。

常用的气路系统有密闭式和开放式两种。

(1)密闭式气路系统:被测定植物或叶片密闭在同化室中,不与同化室外发生任何的气体交换,同化室内的CO2浓度因光合作用而逐渐下降,可用IRGA连续监测同化室内CO2浓度的下降速率,根据叶片面积,同化室体积计算光合速率。

密闭式气路系统
P. 气泵 C. 同化室 D. 干燥器 A. 红外线 CO 2 分析仪

(2)开放式气路系统:该系统用双气室IRGA,以气泵为动力,将流经同化室前的空气(参比气)泵入一个气室,流经同化室后的空气(样本气)泵入另一个气室(分析气室),最后将气体排空,由仪器指示参比气和样本气的CO2浓度差,根据流量、同化室中叶片的面积,求出叶片的光合速率。

开放式气路系统
P. 气泵 F. 流量计 C. 同化室 D. 干燥器 A. 红外线 CO 2 分析仪

【原理】

把IRGA与光合作用同化室连接成密闭的气路系统。将植物材料密封在透明的同化室内,给以适当的光照,同化室内CO2浓度将因植物光合而下降,用IRGA配以适当的记录仪可绘出同化室内CO2浓度随时间下降的曲线。在同化室不漏气、光强度稳定、室内空气不断得到搅动的情况下,该曲线将是一条平滑曲线,在曲线的任一点作切线,即可根据切线的斜率,密闭系统的容积和同化室中叶片的面积求出在该点CO2浓度下的光合速率。

密闭气路光合测定装置:将QGD-07型红外线CO2气体分析仪、XWT-264型自动记录仪、MXQ型气体取样器、光合作用同化室、温度转换器(测温探头可放在同化室内,输出信号接记录仪)或半导体点温计、橡皮管(内径6~7mm)、塑料气球,连接成套,放在一辆医用小推车上。

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