红外线CO2气体分析仪法测定植物光合速率与呼吸速率

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。

Ⅰ.密闭系统斜率法

一、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浓度随光合时间下降的曲线。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面积求出在该点的CO2浓度下的光合速率。

二、材料、仪器设备及试剂

（一）材料：植物叶片

（二）仪器设备：1. 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（图4）、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，按图6所示连接成套，放在一辆医用小推车上。2. 量子辐射照度计；3. 叶面积仪；4. 铁架台（带试管夹）；5. 0～50℃温度计（用以校正叶室温度）；6. 剪刀；7. 带盖搪瓷盘；8. 纱布。

（三）试剂：1. 无水氯化钙（无水硫酸钙）；2. 烧碱石棉（10目）或碱石灰。

三、实验步骤

（一）光合速率的测定

1. 安装仪器（1）将安装好的密闭气路光合测定装置安放在靠待测植株1～2m处，接通红外仪、录仪、取样器、温度转换器的供电电源。打开红外仪电源开关预热1～2h，红外仪量程开关置于I档（0～500ppm，1ppm＝1mg/L）。把红外仪和温度转换器的信号输出与记录仪的两个信号输入接线柱用导线接通。旋转记录仪第一支笔量程选择开关于10mV位置（与红外仪输出信号电压匹配），旋转记录仪第二支笔量程选择开关于2V位置（与温度转换器输出温度0～50℃信号电压匹配）。

2. 调、校仪器

（1）红外仪预热完毕后，开启记录仪电源开关、记录仪信号输入开关和取样器前面板上的气泵开关，将取样器F1旋钮置“零气”位置，F2旋钮置“测量”位置，开始调整红外仪的零点（此时，无CO2无水分的零气循环经过红外仪），约1～2min，调节红外仪的调零旋钮使指针稳定在“0”点位置，稳定后，调节记录仪第一支笔的“调零”旋钮使记录笔到零点位置，红外仪调零完毕。

（2）拔下红外仪进气口处的橡皮管，改接CO2标准气（已知准确CO2浓度）钢瓶，出口放空，让标准气流经红外仪分析气室（流量以1L／min左右为宜）开始校正，此时红外仪指针应指在标准气浓度所对应的刻度（μA值）上，否则可调节红外仪“校正”旋钮，校正完毕后恢复原气路。

（3）把玻璃温度计感温端与叶室内的温度转换器探头放在一起（注意遮荫），从玻璃温度计上读出温度，迅速旋转记录仪第二支笔的调零旋钮，使记录笔置该温度所对应的位置，校正温度。

3. 测定

（1）旋转取样器面板上F1旋钮至“测量”位置，把植物叶片平展放入同化室后关闭同化室（注意勿让操作者的呼吸气进入叶室），开启叶室风扇。观察记录笔开始左移时，迅速旋转记录仪“走纸变速”开关至合适档（以所划曲线45°角为宜），开始记录CO2浓度变化（此时记录笔应从350ppm左右开始记录）和温度变化，用铅笔在记录纸上记下所测叶片的编号、走纸速度，用量子辐射照度计测量所测叶片的受光强度（光子通量密度）并记录，待记录笔左移至310ppm左右时，关闭走纸开关，停止记录，第一次测定完毕。

（2）旋转取样器面板上的F2旋钮至“补充”位置后，迅速复原，让气球内的高浓度CO2气进入同化室以补充CO2浓度至350ppm左右，观察记录笔左移后迅速开启走纸开关，进行第二次重复测定，测量光照强度并记录，当记录笔左移至310ppm左右时，关闭走纸开关，第二次重复测定完毕。如此再进行第三次重复测定。

（3）三次重复测定完毕后，关闭同化室内风扇，用记号笔在叶片的叶室内外相交处作标记，打开叶室，剪下叶片的测定部分，用纸牌编号后包在湿纱布内并放置于带盖搪瓷盘内，待测叶面积。然后再测定第二张叶片的光合速率。

（4）测定结束后，用叶面积仪测定各叶片面积（如有便携式叶面积仪，可在测定光合后，立即测出叶面积）。

4. 计算

II.密闭系统落差法

一、原理

在密闭的系统中，由于同化室中的叶片进行光合后，系统中的CO2浓度不断下降，可用单位时间内同化室中CO2浓度的减少量或CO2浓度减少量所需的时间，根据叶片面积、同化室体积，计算光合速率。

二、材料、仪器设备及试剂

（一）材料：待测植物叶片。

（二）仪器设备：1.GXH－305型红外线CO2气体分析仪（或QGD－07型红外仪，使用该红外仪需要配用MXQ－气体取样器和数字万用电表）；2.电子秒表；3.同化室（根据需要自制，内装两个小风扇和一个测定温度的传感器）；4.量子辐射照度计。

（三）试剂：烧碱石棉或碱石灰。

三、实验步骤

1. 按要求将气路系统的各部分连接起来，若使用QGD－07型红外仪，把数字万用电表上选择开关旋至200mV电压档上，与红外仪0～200mV输出相连接。

2. 接通电源，打开红外仪电源预热1～2h，打开气泵电源，旋转零气调节开关至“零点”上，此时红外仪通入无CO2气体，调节红外仪“调零”旋钮，显示在“零点”位置，并观察零点的稳定性。

3. 将待测叶片放入同化室，密闭后开启同化室内的风扇，当CO2浓度稳定下降时，开始测定，读取开始的CO2浓度值C1，开始计时，CO2下降至C2（约下降20～30ppm），终止计时，记录C1、C2、Δt（或确定从测定开始到结束所需时间），并同时用照度计测定光照强度，测定叶室内的温度。一次测定完成之后，向同化室内补充CO2，进行重复测定（使用MXQ取样器，补充CO2操作见密闭气路斜率法）。测定结束，用叶面积仪测量叶片的面积。

4. 计算光合速率Pn＝ΔC×V×273×P/[Δt×S×22.4×(273＋t)×0.1013]

上式中，Pn－光合速率（单位μmol/m2/s）；

ΔC－CO2浓度落差C1—C2（ppm）；

Δt－测定时间（S）；S－叶片面积（单位m2）；

V－同化室（包括气路系统）体积（单位L）；t－同化室的温度；P－大气压（单位Mpa）。

密闭气路落差法测定装置除了进行光合速率测定外，也能够进行呼吸速率、CO2光合速率曲线的测定。测定步骤同光合速率测定方法。更换群体同化箱，可以进行群体光合速率的测定，测定步骤略。