前言:一篇好文章的诞生,需要你不断地搜集资料、整理思路,本站小编为你收集了丰富的植物光合作用主题范文,仅供参考,欢迎阅读并收藏。
在高中生物教学中,有关光合作用的内容是历年高考命题的热点,也是重点和难点,试题侧重考查考生对光合作用过程图解的理解和分析,包括光反应和暗反应的场所、条件、物质变化、能量变化、相互关系以及在某种环境因素突然发生变化的情况下,细胞中[H]、ATP、C3和C5的含量变化情况等。影响光合作用的环境因素是高考必考的内容,考查形式多样,选择题的考查侧重于实验结果的分析,而非选择题的考查往往结合实验设计来进行。以下是影响光合作用的相关因素:
一、单因子变量对光合作用的影响
(一)光照――光合作用的动力
1.光照时间:光照时间越长,产生的有机物越多。2.光质:由于色素吸收可见光中的红光和蓝紫光最多,吸收的绿光最少,故不同波长的光对光合作用的影响不同,建温室时,选用无色透明的玻璃或塑料薄膜做顶棚,能提高光能利用率。3.光照面积:在一定范围内,随着叶面积的增大,光合作用强度不断增大。达到一定值后,随着叶面积的增大,光合作用强度不再增加,原因是叶片之间相互遮挡,光照不足。所以适当间苗、修剪,合理施肥、浇水,避免徒长。4.光照强度:在一定范围内,随着光照强度的增加植物的光合作用强度越强,同化CO2的速度也相应增加,但当光照强度达到一定值时,光合作用的强度不再随着光照强度的增加而增强。植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用,当植物在某一光照强度条件下,进行光合作用所吸收的CO2与该温度条件下植物进行呼吸作用所释放的CO2量达到平衡时,这一光照强度就称为光补偿点,这时光合作用强度主要是受光反应产物的限制。当光照强度达到一定值以后,植物的光合作用强度不再增加或增加很少时,这一光照强度就称为植物光合作用的光饱和点,此时的光合作用强度是受暗反应系统中酶的活性和CO2浓度的限制。光补偿点因植物种类的不同而不同,主要与该植物的呼吸作用强度有关,与温度也有一定的关系。一般阳生植物的光补偿点比阴生植物的高。光饱和点也是阳生植物高于阴生植物。在栽培农作物时,阳生植物必须种植在阳光充足的条件下才能提高光合作用效率,增加产量;而阴生植物应当种植在阴暗潮湿的条件下,才有利于生长发育,光照强度越大,蒸腾作用越旺盛,植物体内因失水而不利于其生长发育,如人参、三七、胡椒等的栽培,就必须栽培于阴暗潮湿的环境中,才能获得较高的产量。
(二)温度
植物所有的生活过程都受温度的影响,在一定范围内,提高温度可以提高酶的活性,加快反应速率。光合作用也不例外,在适宜的光照强度下,适当提高温度会促进光合作用的进行,但提高温度也会促进呼吸作用。冬天,温室栽培可适当提高温度;夏天,温室栽培可适当降低温度。白天调到光合作用的最适温度,以提高光合作用效率;晚上适当降低温室温度,以降低细胞呼吸速率,保证植物有机物的积累。
(三)CO2浓度
CO2是植物进行光合作用的原料,只有当环境中的CO2达到一定浓度时,植物才能进行光合作用。植物能够进行光合作用的最低CO2浓度称为CO2补偿点,即在此CO2浓度条件下,植物通过光合作用吸收的CO2与植物呼吸作用释放的CO2相等。环境中的CO2低于这一浓度,植物的光合作用就会低于呼吸作用,消耗大于积累,长期如此植物就会死亡。一般来说,在一定范围内,植物光合作用的强度随CO2浓度的增加而增加,但达到一定浓度后,光合作用强度就不再增加或增加很少,这时的CO2浓度称为CO2的饱和点。如CO2浓度继续升高,光合作用不但不会增加,反而要下降,甚至引起植物CO2中毒而影响植物正常的生长发育。所以大田作物要“正其行,通其风”多施有机肥;温室内可适当补充CO2,即适当提高CO2浓度可提高农作物产量。
(四)必需矿质元素
绿色植物进行光合作用时,需要多种必需的矿质元素。如氮是催化光合作用过程中各种酶以及NADP+和ATP的重要组成成分,磷也是NADP+和ATP的重要组成成分。科学家发现,用磷脂酶将离体叶绿体膜结构上的磷脂水解后,在原料和条件都具备的情况下,这些叶绿体的光合作用过程明显受到阻碍,可见磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用。又如绿色植物通过光合作用合成糖类,以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中,都需要钾。再如镁是叶绿体的重要组成成分,没有镁就不能合成叶绿素,等等。在农业生产上,根据植物的需肥规律,适时适量地增施肥料,有利于提高农作物的光能利用率。
二、多因子变量对光合作用的影响
温室栽培时,在一定光照强度下,白天适当提高温度,增加光合作用酶的活性,提高光合作用速率,也可同时充入适量的CO2,进一步提高光合速率,当温度适宜时,要适当提高光照强度和CO2浓度以提高光合速率。总之,可根据具体情况,通过提高光照强度、调节温度或增加CO2浓度等来充分提高光合速率,以达到增产的目的。
各种环境因子对植物光合作用的影响不是单独的发挥作用,而是综合作用。但各种因子的作用并不是同等重要的,其中起主要作用的因子为关键因子,因此在分析相关问题时,应抓住关键因子。
参考文献:
[1]徐英;环境因子对东湖几种沉水植物生理的影响研究[J];生物技术世界;2013年08期
[2]钟荫;温度光照和pH对菹草光合作用的影响[J];生物科技;2012年06期
1材料和方法
1.1采样点分布和水样采集根据太湖水体的富营养化水平和生态系统类型差异,在全湖设置14个采样点(见图1).其中T6、T7、T13和T14采样点位于太湖西北部湖区,该湖区是太湖富营养化最严重的水体,部分湖区属于超富营养水平;T8、T9和T11采样点位于太湖西南湖区,该湖区营养水平也较高;T1和T2采样点位于太湖湖心区,营养水平较低;T3、T4、T5、T10和T12采样点位于太湖东部湖区,营养水平最低.其中T3、T4、T5、T10、T11和T12采样点属于草型湖区,其他采样点属于藻型湖区.水样采集分别于2012年春季(5月初)和秋季(10月中旬)进行.采用GPS对采样点进行精确定位,采用有机玻璃采水器采集表层0.5m水样,混合均匀,取1000mL装入干净玻璃瓶中,避光带回实验室进行分析.
1.2理化因子测定采用多功能水质参数仪(6600V2,YellowSpringInstruments,USA)原位测定水温、ρ(DO)和pH;水体SD(透明度)采用赛氏盘测定;ρ(TN)采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光光度法测定;ρ(TP)采用钼酸铵分光光度法测定;水样经过GFC滤膜过滤,用90%的丙酮萃取,分光光度法测定ρ(Chla)[13].
1.3浮游植物光合作用活性测定浮游植物的光合作用活性采用Phyto-PAM荧光仪测定.取3.0mL水样,暗适应15min;首先打开测量光(measuringlight,ML),检测到最小荧光强度(F0),然后打开饱和脉冲(saturationpulse,SP),得到最大荧光强度(Fm).设定仪器每隔20s加以强度逐渐增大的光化光(actiniclight,AL),同时记录光量子产量,得到快速光响应曲线;样品不经过暗适应,测定最大荧光强度。1.4数据的处理和分析采用Excel2003和SPSS16.0软件对数据进行统计分析,显著性分析采用T-test,采用Origin8.0软件作图.
2结果与讨论
2.1水体的理化因子采样点水体的理化参数如图2所示.由图2可见见,太湖水体的理化因子具有时空差异性.从ρ(TN)和ρ(TP)来看,大多采样点水体达到富营养化水平〔ρ(TN)>0.2mgL、ρ(TP)>0.02mgL〕.春季ρ(TN)和ρ(TP)分别在0.87~4.36mgL和0.016~0.316mgL之间,秋季ρ(TN)和ρ(TP)在0.41~3.90mgL和0.012~0.235mgL之间;水体ρ(TN)和ρ(TP)呈春季大于秋季,西北部湖区>西南湖区>东部湖区,并且西部湖区ρ(TN)和ρ(TP)明显高于其他湖区,这与太湖入湖河流分布、湖区周边经济发展状况等因素有关[14-15].太湖ρ(Chla)的分布时空差异显著.秋季ρ(Chla)极显著高于春季(P<0.01),这是由于秋季太湖大多湖区出现高强度蓝藻水华,浮游植物生物量,尤其是微囊藻的生物量较高所致.ρ(Chla)的空间分布与水体的营养盐质量浓度分布趋势基本一致,草型湖区采样点ρ(Chla)显著低于藻型湖区(P<0.01).草型湖区采样点水体SD较高,并且季节差异显著(P<0.05);富营养化水平高的采样点SD较低.春、秋季太湖水体平均温度分别为23.1和22.0℃,差异不显著(P>0.05).太湖水质偏碱性(pH为7.21~9.56),秋季水体的pH大于春季(P<0.05),但pH的空间差异不显著(P>0.05).太湖水体的ρ(DO)在7.18~9.51mgL之间,季节差异不显著(P>0.05),草型湖区ρ(DO)高于藻型湖区(P<0.05).
2.2FvFm的时空分布太湖浮游植物FvFm的时空分布如图3所示.由图3可见,春季T4、T5、T9和T10采样点没有检测到蓝藻的光合作用活性,其他采样点蓝藻的FvFm在0.35~0.49之间;T1、T2、T5、T6、T9、T12和T13采样点没有检测到绿藻的光合作用活性,其他采样点绿藻的FvFm在0.34~0.68之间;所有采样点均检测到硅甲藻的光合作用活性,其FvFm在0.09~0.56之间.秋季蓝藻的FvFm在0.34~0.53之间;T3、T4、T5、T7和T11采样点没有检测到绿藻的光合作用活性,其他采样点绿藻的FvFm在0.55~0.68之间;硅甲藻的FvFm在0.28~0.61之间.FvFm是评价植物光合作用活性最常用的指标之一,反映植物最大光合作用效率.研究表明,浮游植物类群间的FvFm有较大波动(0.4~0.8),这与藻类自身的光合作用系统结构和功能有关[18-19].如绿藻的FvFm在0.8左右,硅藻的FvFm在0.6~0.7之间波动[22-23],蓝藻的FvFm波动较大[24].从图3可见,太湖蓝藻、绿藻和硅甲藻群落间的FvFm有明显差异,并且具有显著的季节和空间差异。研究表明,湖泊中浮游植物群落的FvFm具有日变化和季节变化特征,并且受多种环境因子(如温度、光照、营养盐和气象条件等)的影响.另外,浮游植物群落的种类组成和群体大小也能影响FvFm.该研究结果表明,太湖不同浮游植物群落间FvFm具有差异性,并且随季节而发生变化.总体来看,绿藻的FvFm最大,硅甲藻次之,蓝藻最小;从季节变化来看,秋季蓝藻、绿藻和硅甲藻的FvFm高于春季,表明秋季蓝藻、绿藻和硅甲藻的光合作用能力高于春季.这与浮游植物种群丰度有关.春季太湖浮游植物群落细胞密度较低,ρ(Chla)较低;秋季浮游植物种群丰度较高,几乎所有采样点水体都发生了高强度蓝藻水华,蓝藻在浮游植物群落中占绝对优势,ρ(Chla)最高达70.7μgL(T7采样点).研究表明,FvFm与浮游植物种群丰度密切相关,FvFm随种群丰度的增加而升高.从空间分布看,采样点间蓝藻、绿藻和硅甲藻的FvFm差异显著.蓝藻的FvFm与富营养化水平密切相关,FvFm随富营养化程度的升高而增加.这表明湖泊富营养化水平的升高有利于提高蓝藻的光合作用活性.与藻型湖区相比,草型湖区采样点蓝藻的FvFm较低,结合ρ(Chla)的空间分布(见图2),表明水草能抑制蓝藻的光合作用活性和生长.研究表明,水草能够分泌化感物质破坏蓝藻的光合作用系统导致其光合作用活性降低.因此,降低太湖营养盐质量浓度,恢复太湖水生植物,能有效抑制蓝藻的光合作用活性,进而降低蓝藻水华强度.而绿藻和硅甲藻的FvFm对富营养化水平和生态系统类型的响应具有多样性,说明蓝藻、绿藻和硅甲藻的FvFm对环境因子的响应存在差异.
2.3NPQ的时空变化太湖浮游植物群落NPQ的时空分布如图4所示.春季太湖蓝藻、绿藻和硅甲藻的NPQ分别在0.012~0.165、0.085~0.201和0.104~0.281之间,秋季则分别在0.035~0.263、0.052~0.118和0.048~0.301之间.蓝藻、绿藻和硅甲藻的NPQ具有季节和空间差异性,统计结果表明,秋季蓝藻的NPQ显著高于春季(P<0.05),草型湖区蓝藻的NPQ极显著低于藻型湖区(P<0.01).NPQ反映了浮游植物光保护能力的大小,它将过多的光能以热的形式耗散掉,防止对光合作用系统造成损伤.NPQ的变化与浮游植物的色素组成有关[32],也受温度、光照、风浪扰动等因子的影响.ZHANG等[11]研究了夏季太湖浮游植物群落的NPQ日变化规律,结果表明,蓝藻、绿藻和硅甲藻的NPQ在中午最高,并且蓝藻的NPQ高于绿藻和硅甲藻;早晨和下午较低,与光强的日变化规律一致.该研究结果表明,太湖浮游植物群落的NPQ具有季节和空间变化,秋季蓝藻的NPQ高于春季,表明秋季蓝藻的光保护能力高于春季,这样可以有效保护秋季位于水体表面的蓝藻光合作用系统不受损伤,有利于蓝藻水华的形成和维持;富营养化水平高的湖区,蓝藻的NPQ也较高,这说明营养盐质量浓度的升高有利于蓝藻提高其光保护能力.草型湖区蓝藻的NPQ较低,这可能与水草的克藻效应有关.绿藻NPQ呈春季高于秋季,表明春季绿藻的光保护能力高于秋季,可能是由于浮游植物群落间的相互作用导致,秋季蓝藻水华能抑制绿藻光合作用活性,破坏光合作用系统.硅藻的NPQ对季节和空间的响应有多样性,由此可以看出,蓝藻、绿藻和硅甲藻的光保护能力具有特异性.
2.4RLC特征参数的时空变化RLC有3个特征参数:α(线性区段斜率,反映光能的利用效率)、rETRmax(最大电子传递速率,表示浮游植物潜在最大光合速率)和Ik(饱和光照强度点,表示浮游植物耐受强光的能力).太湖浮游植物群落RLC的特征参数如表1所示.从表1可见,蓝藻、绿藻和硅甲藻RLC的特征参数存在差异,并且具有季节和空间变化.通常情况下,RLC与光合放氧量之间存在很好的线性关系,也可以反映浮游植物的光合作用活性[3,33].但在环境胁迫条件下,电子传递速率和光合放氧量之间表现出非线性特征.Masojídek等[5]以池塘淡水蓝藻水华为研究对象,测定其电子传递速率和光合放氧量的日变化,结果表明,在光强低于800μmol(m2•s)条件下,二者呈线性关系;当光强高于800μmol(m2•s)时,二者呈非线性关系,因此,用电子传递速率评价光合放氧量需要小心.从表1可见,太湖蓝藻、绿藻和硅甲藻的RLC的特征参数差异显著,并且具有季节和空间变化,表明太湖浮植物群落光合作用活性的差异性和多样性.从季节看,春季蓝藻RLC的特征参数大于秋季;春季绿藻和硅甲藻RLC的特征参数低于秋季.这表明春季蓝藻的光能利用效率和光合作用速率小于秋季,春季绿藻和硅甲藻RLC的光能利用效率和光合作用速率小于秋季.这与浮游植物群落的生理特征和太湖浮游植物群落的周年演替相一致[34-35].从空间看,不同采样点浮游植物群落的RLC特征参数差异显著.蓝藻的RLC特征参数与富营养化水平趋势具有一致性,藻型湖区采样点蓝藻RLC特征参数大于草型湖区,这表明湖泊富营养化水平对蓝藻光响应曲线具有重要影响;而绿藻和硅甲藻RLC特征参数的空间分布具有多态性,这是多种环境因子协同作用的结果.研究[36-37]表明,环境因子对浮游植物光响应曲线具有复合效应,因此,需要深入研究环境因子对浮游植物群落光响应曲线的影响.
2.5相关分析蓝藻、绿藻和硅甲藻的光合作用活性参数与环境因子的相关分析结果见表2.从表2可见,蓝藻的FvFm、α和rETRmax呈显著正相关,表明蓝藻的最大光量子产量与光响应曲线有密切关系;蓝藻的FvFm与ρ(Chla)呈显著正相关,与SD呈极显著负相关.绿藻的FvFm与α和rETRmax呈正相关,但不显著;绿藻的FvFm与环境因子没有显著相关性.硅甲藻的FvFm与α呈极显著正相关,与环境因子没有显著相关性.该研究结果表明,蓝藻、绿藻和硅甲藻的光合作用活性对环境因子的响应差异显著.这与不同藻类群落自身的光合作用系统结构和功能有关,也可能受到环境因子协同效应的影响.蓝藻的FvFm与ρ(Chla)呈显著正相关,与SD呈极显著负相关,表明蓝藻的rETRmax与湖泊富营养化水平密切相关,随富营养化水平升高,蓝藻的最大光合作用能力提高,有利于提高蓝藻竞争力,在浮游植物群落中占有优势.绿藻和硅甲藻的FvFm与单一环境因子没有显著相关性,光合作用活性具有时间和空间异质性,可能是环境因子复合效应的结果,需要进一步深入研究.
3结论
其实,该节内容蕴涵着丰富的教育教学内容。通过对光合作用发现史的介绍,不仅可以让学生体验科学研究的方法、过程,更能感悟到科学家追求真理的科学精神,是一节不可多得的教育素材。如何把握和处理该节课的教育教学呢?下面是笔者的一点拙见,以与同仁共享。
一、课程教学目标三个维度之间的关系问题
新课程明确了三维教学目标之间的关系,即知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三者是一种有机统一、相互协调、彼此促进的关系,彼此可以作为对方的手段。但受传统知识观教育思想的影响,很多教师还有一个错误的认识,认为这三维目标中“知识和技能”是第一位,是最重要的,也是每一堂必须要完成的目标。其他的二维目标只是辅助配角,很少有教师会在一堂课别关注另外的二维目标的达成。
其实,在每一堂课中,三者目标也不是均衡实施的,教师应根据课程资源的不同内容或素材,教师要有所倾斜,最大效率地利用好相应的教学素材进行有效教学。也就是说一堂课的三维目标之间可能会侧重于知识目标外的另外两维目标。“光合作用的发现”这节课就是如此。从知识目标的角度来看,这节课的教学内容就是光合作用过程需要水,二氧化碳,产生氧气等结论性的知识。而如果从“过程方法”和“价值观目标”达成的视角看,该节课教学目标应落脚于对学生科学研究方法的指导和科学精神的培养上。“光合作用的发现”这节内容中的两个经典科学实验在很大程度上反映了科学家的探究活动,能够作为理解科学探究,掌握科学方法的范例。如范海尔蒙特实验,教师不仅可据此启发学生掌握科学探究的一般方法,而且教师还可以通过精确地数据分析,让学生明白范海尔蒙特实验的精妙之所在,使学生认识到定量实验的强大优势。而普利斯特利所做的实验二、实验三正好可以进一步说明对照实验是科学研究不可缺少的关键步骤。另一方面,结合光合作用的发现史,介绍一些科学家的小故事,可以使学生感悟到科学研究的曲折性、继承性,这对培养学生的科学精神是有很大帮助的
二、学生体验科学家探究过程的问题
考虑到初中学生天真可爱,善于模仿,很容易进入角色的心理特点。笔者在这节课采用的教学技术策略是让学生假想自己就是范海尔蒙特等科学家。教师则按照科学探索的一般过程,引导学生自己去发现科学研究的问题,设计实验,分析实验结果,得出研究结论。让学生以发现者的姿态去进行活动,体验用全部的心智去感受、关注、欣赏、评价等过程和思想。许多教育实践均已证明,只有重温科学家的探索过程,才能把学生真正带入科学前人的探索过程中,学生才能把一个陌生的、外在的、与己无关的科学研究过程,变成熟悉的可以交流的,甚至是融于心智的思维习惯了。在这个教学过程当中,教师还要注意充分利用多媒体教学手段的优势,适时地用幻灯片打出范海尔蒙特、普利撕特莱等科学家的画像,以及他们所使用的实验装置。此外,再配以播放一些舒缓的古典音乐,努力营造出一个跨越时间长河的科学研究氛围,使科学家的研究过程更加真实,使扮演者处于身临其境的状态中。
三、课程资源开发和延伸的问题
如果单纯从知识、技能目标维度来说,教师只要让学生知道光合作用需要水和二氧化碳,以及产生氧气等结论性知识即可。而光合作用的产物,光合作用的场所、条件等均已分散在后面的几节内容里了。但我们考虑到本课的情感态度和价值观这一维教学目标时,我们觉得不仅要让学生体验科学探究的过程,掌握一些科学结论,更应该让他们亲身感受科学研究的曲折和艰辛的过程。所以笔者对该节课的课程内容进行了一定的扩充和延伸,向学生们展示了光合作用发现的全部历程,以及相应科学家的研究故事。如普利斯特莱在他的实验受到质疑后,他又重复了他的实验,结果出现了意外的情节;英格豪斯共
做了500多次更新空气实验的动人故事;光合作用的发现从范海尔蒙特算起,通过英格豪斯、萨克斯、恩吉尔曼和卡尔文等十多位科学家的努力,前后历经了300多年漫长时间的科学史诗等。
关键词:营养元素;园林植物;色素;光合作用
中图分类号:Q946.91 文献标识码:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2012.02.042
Exogenous Nutrients for the Garden Plant Pigments and Photosynthesis
FENG Hai-hua,CUI Hai-yu
(Experimental Nursery of Shanxi Forestry Department, Taiyuan,Shanxi 030031, China)
Abstract: The author used Prunus×cistena, Cotinus coggyria.‘Royal purple’as study object and analysised chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids, net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular carbon dioxide concentration, transpiration rate changes under different nutrients, at the same time reported best use of concentration(volume) in garden plant fertilizer and provide a theoretical basis for conservation in the fertilization of garden plants. In the end pointed out that the inadequate in fertilization effect on garden plant pigments and photosynthesis and the key directions in garden plant nutrition studyied.
Key words: nutrients; garden plants; pigment; photosynthesis
随着当前人们对于园林城市建设要求的提高,更多的园林设计以及施工人员倾向于多样化绿化形式[1],多样化绿化形式的实现最重要的途径就是在园林中大量的应用彩叶植物。彩叶植物种类很多,常见的主要有春色叶类、秋色叶类、常色叶类、双色叶类、斑色叶类、绿色叶类[2],尽管这六大类彩叶植物种类多样,但是大多数园林植物特别是木本植物在同一地点生长较多年,而城市土壤营养条件差,污染严重[3],多数彩叶植物生长多年后叶色表达难以达到设计要求,同时树体长势减弱,病虫害普遍发生,影响园林景观的实现。而解决以上问题的关键便是提高树体的营养水平,而外源营养元素均会对叶片内的色素含量产生显著变化,进而使叶片表现出不同的外观特征,因此,了解不同营养元素对园林植物色素的影响对指导园林植物施肥养护具有重要的理论意义。
1 外源营养元素对园林植物叶片内叶绿素a含量的影响
叶绿素a颜色为蓝绿色,对于园林植物而言,其含量的多少对叶色外观有较大的影响。多种营养元素对叶绿素a含量均有直接的影响,其中,李焕忠等[4]关于营养元素对植物叶绿素a含量的影响做了较为详细的报道。研究认为,外源锰处理可以显著提高紫叶矮樱叶片内叶绿素a含量,在一定范围内,锰的浓度越大,叶绿素a升高越明显,表明在施肥中添加入一定的锰元素对提高园林植物叶片内叶绿素a含量具有较好的作用。铜元素与锰元素具有相似的作用,但是铜可以延长叶绿素a活跃时间,与锰相比具有更好的效果,但是在林碧英等[5]的研究中证明,过多地使用铜元素反而会对植物产生铜胁迫,从而影响植物的正常生长。分析认为,铜作为微量元素,施用量必须保持在合理的浓度(量)范围内才会对园林植物叶片内叶绿素a含量的增加具有促进作用。
磷作为园林植物需要量较大的营养元素,施用量的多少也会对叶片内叶绿素a含量产生较为明显的影响。洪刚强等[6]研究认为磷在可以提高叶片内叶绿素a含量,但是差异并不明显。吴楚等[7]研究了磷对长白落叶松叶片内叶绿素a含量影响的变化,其研究结果证明,当磷处理达到0.5 mmol・L-1时叶绿素a含量达到最大值,若磷浓度继续增加,叶绿素a含量则呈现出下降的趋势,分析认为磷供给水平对长白落叶松幼苗叶绿素的生物合成过程中AIA合成速率和PBG酶活性影响较大,从而会影响到叶绿素a含量的变化。马兆兰[8]研究了不同营养元素对银杏叶片内叶绿素a含量的影响,结果显示,整个生长季节,磷处理叶绿素a含量始终高于对照,表明磷对多种园林植物叶绿素a含量的增加有较好的促进作用。氮元素被认为是促进叶绿素a含量增加较好的营养元素,从银杏的试验结果来看,纯氮元素处理银杏叶片中叶绿素a含量虽然低于磷处理,但是与对照相比仍然存在显著差异,在对草坪的研究中表现出随着施氮量增加叶绿素a含量显著增加的变化,氮磷钾的协作效应因施肥量增加而更加明显[9]。在对长白落叶松的研究中发现当氮浓度达到8 mmol・L-1时,植物叶片中叶绿素a含量达到最高,其效应结果表现出与磷具有相似的特点,在氮磷互作效应的影响下氮表现出对长白落叶松幼苗叶绿素的生物合成过程中AIA合成速率和PBG酶活性影响更大的效应[7]。除了氮磷两种元素会对园林植物叶片内叶绿素a含量产生比较明显的影响之外,钾元素也会对叶绿素a的含量产生一定的影响,根据高福元[10]的研究,低浓度的钾元素处理美国红栌叶片后,叶片内叶绿素a含量会显著提高,但是高浓度的硫酸钾处理会降低叶片内叶绿素a含量。
硼锌两种元素对园林植物叶绿素a含量的影响与氮磷两种元素相反,与钾元素具有相似的效果,即低浓度的硼锌处理会提高园林植物叶片内的叶绿素a含量,而高浓度的硼锌元素处理会降低叶片内叶绿素a含量。
2 外源营养元素对园林植物叶片内叶绿素b含量的影响
叶绿素b存在于多种园林植物中,其在叶片内含量的高低对园林植物外观鲜嫩程度有直接的关系[9]。不同植物叶片在外源营养物质影响下叶绿素b含量变化结果不同,在对银杏的研究中发现,氮元素有利于叶片内叶绿素b含量降低,磷钾元素有利于叶绿素b含量的增加,当氮磷钾配合施用时,叶绿素b含量增加较为显著,因此,银杏施肥最好以氮磷钾混合施用较好[8]。早熟禾叶绿素b含量变化与银杏相似,但是较低的施肥量促进效果要优于较高的施肥量,因此,草坪景观施肥应当以低量施肥为佳[9]。美国红栌为红色叶树种,钾元素同样会影响到叶绿素b含量,研究证明较低量钾肥处理会使叶绿素b含量增加,较高施肥量会降低红叶树种叶片内叶绿素b含量,对提高红叶树种观赏价值具有较好的效果。
除了营养元素之外,土壤中氯化钠含量的高低也会影响到园林植物叶片内叶绿素b含量的变化。夏阳[11]研究了乌柏、栾树、黄栌、法桐4种园林树种叶绿素b含量的变化情况,认为随着氯化钠浓度的增加叶片内叶绿素b含量呈现出降低变化,在部分园艺作物的研究中则表现为低浓度的盐处理反而会增加叶绿素b含量的增加。在树锦鸡儿的研究中,叶绿素b变化在不同月份表现不同,但是总的趋势是盐浓度越高叶片中叶绿素b含量越低[12]。
3 外源营养元素对园林植物叶片内类胡萝卜素含量的影响
类胡萝卜素是一大类天然色素的总称,其含量的高低与园林植物叶片的鲜艳程度直接相关。在众多的园林植物中,主要作为观叶的植物是早熟禾,根据氮磷钾配合使用的研究来看,施肥量在97.03 kg・hm-2和135.93 kg・hm-2的条件下,类胡萝卜素含量无显著差异,当施肥量达到了116.47 kg・hm-2时,类胡萝卜素含量达到最高值,因此,当以提高早熟禾叶片内类胡萝卜素含量为目的时,施肥量最好控制在116.47 kg・hm-2。
美国红栌为红叶树种,类胡萝卜素含量变化受外源营养物质的影响较大,高福元[12]研究表明,叶面喷施钾肥量越大,美国红栌叶片内类胡萝卜素含量降低越明显,并且所有处理叶片内类胡萝卜素含量均低于对照。刘振平[13]在磷钾元素对紫叶矮樱叶片内类胡萝卜素含量的影响研究中发现,紫叶矮樱叶片内喷施磷钾元素会提高叶片内类胡萝卜素含量,并且喷施量越大增加效果越差;钾肥对类胡萝卜素含量的影响与磷不同,表现为仅喷施浓度在0.8%时叶片内类胡萝卜素含量高于对照,叶面喷施钾浓度在0.4%和1.2%浓度时低于对照,特别是1.2%浓度的钾肥处理,降低程度显著低于对照。当磷钾肥混合处理紫叶矮樱时,表现结果与单独喷施磷钾肥不同,即低浓度和高浓度磷钾复合肥处理会提高叶片内类胡萝卜素含量,而中浓度的磷钾肥处理会降低类胡萝卜素含量。
4 外源营养元素对园林植物光合作用的影响
在关于外源营养元素对园林植物光合特性影响的研究中,比较多的集中于氮磷钾3种元素。2010年,刘振平等[14]使用尿素,硫酸钾,过磷酸钙,磷酸二氢钾溶解于水中,按照设计浓度对紫叶矮樱叶片进行处理,结果表明,仅尿素处理可以提高紫叶矮樱叶片的净光合速率,其余营养元素能够显著降低净光合速率。蒸腾速率与气孔导度的变化规律相似,即尿素可以提高紫叶矮樱叶片的蒸腾速率与气孔导度,其余营养元素会降低这两项光合指标,其中,钾元素降低效果最为明显,磷钾元素效果较差。在对细胞间二氧化碳浓度的测定结果中发现,外源营养元素会使紫叶矮樱叶片细胞间二氧化碳浓度升高,但是不同元素处理之间差别不明显。
另外,不同浓度的营养元素同样会对园林植物光合特性产生影响。在对美国红栌[15]的研究中发现,不同浓度的钾元素处理会改变叶片的净光合速率,所有钾处理美国红栌叶片净光合速率均低于对照,其中,钾浓度越大,降低效果越显著,同时,钾肥处理不能改变美国红栌叶片净光合速率的日变化曲线和“午休”现象,这与紫叶矮樱的研究结果相似[16],但是紫叶矮樱光合作用的午休时间要晚于美国红栌。在钾元素的影响下,美国红栌叶片气孔导度呈现出下降的变化,并且钾处理浓度越大下降越明显,与对照相比差异达到了极显著水平。叶片蒸腾速率的变化也是衡量光合作用强弱的一项指标,钾元素对园林植物蒸腾速率的影响与气孔导度相似,而叶片胞间二氧化碳浓度变化相反[17-18]。
不同浓度的磷处理对园林植物净光合速率的影响与钾不同,磷处理仅在上午10:00之前净光合速率低于对照,而其余时间内中低浓度的磷肥处理光合速率均高于对照,仅当磷浓度达到了1.5%时净光合速率在1 d内均低于对照,表明较低浓度的磷肥处理对提高园林植物净光合速率具有较好的作用。磷钾肥混合处理后,上午净光合速率低于对照,下午却高于对照,表现出磷钾肥单独施用和混合施用对园林植物光合作用的影响具有不同的特点[16]。
5 展 望
园林植物施肥对提高园林植物的观赏价值具有较好的作用,特别是对提高色素含量的影响,除了提高观赏质量之外,还促进了园林植物光合作用的进行,对于园林植物的健壮生长具有较好的作用。在当前的研究中,较多地集中于叶片喷肥的研究,而土壤施肥对园林植物色素和光合特性影响的研究较少,并且土壤施肥相对于叶片喷肥而言具有更好的作用,但是由于不同地区土壤条件的差异,施肥量很难掌握,为此精确确定促进园林植物色素和光合作用的土壤施肥量研究将是重点研究方向。
参考文献:
[1] 黄印冉.彩色树种在城市绿化中的应用和分类[J].园林工程,2005(1):50-55.
[2] 刘洪雨,张吉立,李新,等.彩叶植物在华北园林中的应用[J].浙江农业科学,2011(2):296-298.
[3] 李佩萍.城市土壤特性及其改良[J].中国城市林业,2010(1):50-51.
[4] 李焕忠,张吉立.5种微量元素对紫叶矮樱叶绿素a含量影响的研究[J].中国农学通报,2010(16):242-245.
[5] 林碧英,谢秋梅,林义章. 铜胁迫对苋菜叶片叶绿素a荧光诱导动力学的影响[J].热带作物学报,2011(3):383-388.
[6] 洪刚强,王萍,吴常文. 活性磷对浒苔生长和叶绿素含量影响的初步研究[J].河北渔业,2011(5):16-18.
[7] 吴楚,王政权,孙海龙,等. 氮磷供给对长白落叶松叶绿素合成、叶绿素荧光和光合速率的影响[J].林业科学,2005(4):31-36.
[8] 马兆兰,杨丰波,单晶晶,等.不同肥料配方对银杏叶片叶绿素及含水量的影响[J].山东农业科学,2011(2):68-70.
[9] 张俊艳.施肥对早熟禾生长以及叶片色素含量的影响[J].山东农业科学,2011(2):65-67.
[10] 高福元,张吉立,刘振平,等. K2SO4对美国红栌叶片色素和可溶性糖含量影响的研究[J].江西农业学报,2010(2):55-57.
[11] 夏阳,孙明高,李国雷,等. 盐胁迫对四园林绿化树种叶片中叶绿素含量动态变化的影响[J].山东农业大学学报:自然科学版,2005(1):30-34.
[12] 高福元,张吉立,刘振平,等.盐胁迫对树锦鸡儿叶绿素含量和根系活力的影响[J].贵州农业科学,2010,38(5):46-48.
[13] 刘振平.叶面喷施磷钾肥对紫叶矮樱叶色表达及光合特性的影响[D].太谷:山西农业大学,2010.
[14] 刘振平,张吉立,张金安,等.营养元素对紫叶矮樱叶片色素性质即光合特性的影响[J].北方园艺,2010(2):104-106.
[15] 李焕忠. 钾元素对美国红栌光合速率和气孔导度变化规律影响的研究[J].湖南农业科学,2010(4):116-118.
[16] 刘振平,张吉立,伊峰,等.叶面喷施磷钾肥对紫叶矮樱净光合速率的影响[J].浙江林业科技,2010,30(1):79-81.
通过研究“glaucophyte”的遗传学,由布里斯班昆士兰大学的分子生物学家Dana Price领导的一个国际科学家联盟已经阐明了植物的进化史。灰胞藻门是由仅仅十三种独特的微观淡水蓝绿藻组成的群体,有时候被称为“活化石”。
根据对C. paradoxa基因组中7000万碱基对分析结果,这种吞噬一定只发生了一次,因为大多数的现代植物共享了这些基因,正是这些基因导致了光和作用植物的合并也可能产生更大的宿主细胞。那个组合不仅需要来自原始宿主和过去自由生存的光合作用植物的协作,而且显然也需要寄生菌的协作。类似于衣原体的细胞,例如军团杆菌(包含了导致退伍军人症的物种),为宿主细胞提供了称为色素体或者叶绿体的基因,能够从驯养的蓝藻细菌运送养料。
罗格斯大学的生物学家Debashish Bhattacharya解释说:“这三个实体伪造了初期的细胞器,而且这个过程由多重水平基因转移以及其它的细菌所辅助。”Debashish Bhattacharya的实验室研究结果发表在2月17日的《Science》杂志上。在新的生命方式和大多数植物的坚硬细胞壁形成以前,基因遗传很可能从不间断。
事实上这样一个所有活动的汇合是非常罕见的,进化生物学家只发现了另外一个例子。Bhattacharya说到:“从进化角度讲,阿米巴原虫质体仍然在进化过程中。我们现在正在分析Paulinella的基因组序列来获得一些答案,以及这些活动时如何发生的。”
阿肯色州大学的生物学家Frederick Spiegel说到:“这项研究已经为近期生物学家Lynn Margulis的假定提供了最强有力的支持,他在二十世纪七十年代首先提出了广受批判的理论,所有的现代植物细胞都起源于这样一个共生性结合。”他并没有参与到这项研究中。那个想法表明事实上所有的植物是嵌合体,从这个原始组合的基因碎片胡乱的拼凑在一起。
一、光合作用和呼吸作用关系的典型曲线和图示分析
1.图示与曲线上几个关键点和线段的对应关系及生物学含义
(1)图1曲线表示,在一定CO浓度和温度等条件下,在一定范围内,光合作用速率(或光合作用强度)随光照强度的增强而增大,但当光照强度增加到一定强度时,光合速率达到最大值后不再增大。
(2)图2表示光照强度为零,植物不进行光合作用,只进行呼吸作用。此时植物释放的CO等于线粒体释放的CO。植物外观上表现为向外界释放CO,同时也表明了此时的呼吸强度(如果是恒温条件,而且忽略光照对温度的影响,则此后的呼吸强度也保持不变)。该图对应于图1中的A点。
(3)图3表示植物的呼吸作用大于光合作用,即线粒体释放的CO,一部分被叶绿体吸收用于光合作用,还有一部分释放到外界。此时植物外观表现为向外界释放CO,该图应对应于图1中的AB段。
(4)图4表示光合作用强度和呼吸作用强度相等。此时植物在外观上表现为既不吸收CO又不释放CO,该图应对应于图1中的B点。B点对应的光照强度代表光补偿点。
(5)图5表示光合作用强度大于呼吸作用强度,即叶绿体吸收的CO除来自线粒体外还来自外界。此时植物外观上将表现为吸收CO(此时该CO吸收量即代表净光合作用量)。该图对应于图1中的B点之后。C点对应的光照强度代表光饱和点。
2.两个关键点的变化规律
在图1曲线所示状况下,若改变某一因素(如CO浓度),使光合作用增强(减弱),而呼吸作用不受影响时,光补偿点应左移(右移),光饱和点应右移(左移);若改变某一因素(如温度),使呼吸作用增强(减弱),则光补偿点应右移(左移)。
另外,阴生植物的光补偿点和光饱和点都比阳生植物的小。
3.限制AC段和CD段光合作用强度的主要因素
AC段:限制因素主要是光照强度。
CD段:限制因素主要是外因有:CO浓度、温度等。内因有:酶的数量和活性、叶绿体色素含量、C含量等。
4.光合作用和呼吸作用的计算关系式
光合作用和细胞呼吸的原料和产物相反,但二者不是可逆过程。通常用单位时间里CO吸收量、O释放量或有机物的制造量来代表光合作用强度。用单位时间里CO释放量、O吸收量或有机物的消耗量来代表呼吸作用强度。而光合作用强度又有实际光合作用强度和净光合作用强度。它们的关系式可表示为:净光合作用强度=实际光合强度-呼吸作用强度。
二、典型例题分析
1.(2006四川理综)将川芎植株的一叶片置于恒温的密闭小室,调节小室CO浓度,在适宜光照强度下测定叶片光合作用的强度(以CO吸收速率表示),测定结果如下图。下列相关叙述,正确的是(?摇 ?摇)。
A.如果光照强度适当降低,a点左移,b点左移
B.如果光照强度适当降低,a点左移,b点右移
C.如果光照强度适当增强,a点右移,b点右移
D.如果光照强度适当增强,a点左移,b点右移
【解析】尽管该题的自变量是CO浓度,但根据前述知识可推知,a点是CO补偿点,b点是CO饱和点。在题干限定条件下,如果光照强度适当降低,则光合作用强度降低,而呼吸作用强度不变。此时,要维持光合作用强度等于呼吸作用强度,则必然要增大CO浓度,以提高光合作用强度,所以a点右移;当光照强度适当降低时,光合作用的光反应减弱,导致光合作用强度降低,则光合作用强度达到最大值时所需CO浓度(CO饱和点)较低,所以b点左移。如果光照强度适当增强,则光合作用强度增大,而呼吸作用强度不变。此时,要维持光合作用强度等于呼吸作用强度,则在较低CO浓度下就可以实现,所以a点左移;当光照强度适当增强时,光合作用的光反应增强,导致光合作用强度增大,则光合作用达到最大值所需CO浓度(CO饱和点)较高,所以b点右移。
正确答案:D。
2.(2007山东理综)以测定的CO吸收量与释放量为指标,研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响,结果如图所示。下列分析正确的是(?摇 ?摇)。
A.光照相同时间,35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等
B.光照相同时间,在20℃条件下植物积累的有机物的量最多
C.温度高于25℃时,光合作用制造的有机物的量开始减少
D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等
【解析】根据前面对光合作用和呼吸作用关系的分析,通过读图可知,图示的虚线(光照下CO的吸收量)表示光合作用净积累有机物的量,实线(黑暗下CO的释放量)表示呼吸作用消耗有机物的量。根据公式:总光合作用制造的有机物的量=净光合量+呼吸量=虚线量+实线量,可逐一计算出20℃、25℃、30℃、35℃条件下,光合作用制造的有机物的量。35℃时光合作用制造的有机物的量为:3(净光合量)+3.5(呼吸量)=6.5mg/h;30℃时光合作用制造的有机物的量为:3.5(净光合量)+3(呼吸量)=6.5mg/h。所以A选项正确。光照相同时间,在25℃条件下植物积累的有机物的量最多,所以B选项错误。25℃、30℃和35℃时光合作用制造的有机物的量分别为6mg/h、6.5mg/h和6.5mg/h,也就是说,在25℃之后,总光合量还在增加,所以C选项错误;两曲线的交点表示光合作用积累的有机物的量与呼吸作用消耗的有机物的量相等,所以D选项错误。
正确答案:A
3.将某绿色植物放在特定的实验装置中,研究温度对光合作用与呼吸作用的影响(其他实验条件都是理想的),实验以CO的吸收量与释放量为指标。实验结果如下表所示。
A.昼夜不停地光照,在35℃时该植物不能生长
B.昼夜不停地光照,在15℃时该植物生长得最快
C.每天交替进行12小时光照、12小时黑暗,在20℃时,该植物积累的有机物最多
D.每天交替进行12小时光照、12小时黑暗,在30℃时该植物积累的有机物是在10℃时的2倍
(1)在光照条件下,图形A+B+C的面积表示该植物在一定时间内单位面积叶片光合作用 ,其中图形B的面积表示 ,从图形C可推测该植物存在另一个 的途径,CO2进出叶肉细胞都是通过 的方式进行的。
(2)在上述实验中,若提高温度、降低光照,则图形 (填“A”或“B”)的面积变小,图形 (填“A”或“B”)的面积增大,原因是 。
解析 考查对光合作用和呼吸作用相关知识的理解以及图形处理能力,难度较大。
(1)根据坐标图分析,A为叶肉细胞吸收外界的CO2,而B+C的总和则是植物自身产生CO2的量,两部分的CO2都会被植物的叶肉细胞所吸收,即光合作用固定的CO2。遮光之后,植物主要进行呼吸作用产生CO2,根据遮光后平稳段的直线的变化趋势可以推出B的面积表示这段时间内植物呼吸作用放出的CO2量,而C段则表示植物可能通过其他途径产生CO2。CO2属于小分子,进出细胞都是通过自由扩散的方式进行的。
(2)题干中提到适宜条件是针对光合作用,所以提高温度、降低光照都会使光合作用减弱,所以A的面积会变小,而呼吸作用的最适温度比光合作用的最适温度要高,所以提高温度会增大呼吸作用的速率,而光照的改变对呼吸作用无影响,所以B的面积会变大。
答案 (1)固定的CO2总量 呼吸作用释放出的CO2量 释放CO2 自由扩散
(2)A B 光合速率降低,呼吸速率增强
点拨 根据试题中的表述,如何区分真光合速率和净光合速率,现归纳如下:
(1)表示真光合作用速率:植物叶绿体吸收的二氧化碳量;植物叶绿体释放的氧气量;植物叶绿体产生、制造、合成有机物(或葡萄糖)的量;植物光合作用吸收的二氧化碳量;植物光合作用产生、制造的氧气量;植物光合作用产生、制造、合成有机物(或葡萄糖)的量。
(2)表示净光合作用速率:植物叶片吸收的二氧化碳量;容器中减少的二氧化碳量;植物叶片释放的氧气量;容器中增加的氧气量;植物叶片积累或增加的有机物(或葡萄糖)的量。
例2 以测定的CO2吸收量与释放量为指标,研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响,结果如图所示。下列分析正确的是( )
A.光照相同时间,35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等
B.光照相同时间,在20℃条件下植物积累的有机物的量最多
C.温度高于25℃时,光合作用制造的有机物的量开始减少
D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等
解析 本题是对光合作用和呼吸作用综合知识的考查。解题的关键是在识图的基础上合理运用真光合速率和净光合速率。根据解题技巧中的分析,题干中的“以测定的CO2吸收量与释放量为指标”以及图中纵坐标“CO2吸收量与释放量”在光照下指的是净光合速率,而黑暗下CO2释放量为呼吸作用速率。选项中的“35℃时光合作用制造的有机物的量”其含义是光合作用中实际制造的有机物的量,应该用真光合速率进行衡量和计算。植物真光合速率(光合作用吸收的CO2量)=净光合速率(光照下CO2吸收量)+呼吸速率(黑暗下CO2释放量)。选项中“植物积累的有机物的量”其含义是光合作用中制造的有机物减去呼吸作用消耗后才是积累量,应该用净光合速率进行衡量和计算。可以将曲线图中的信息转化为表格信息:
A选项中35℃和30℃时所对应的真光合速率都是6.5mg/h,因此光照相同时间,35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等。光照相同时间,在25℃条件下植物积累有机物的量(净光合速率)最多,为3.7mg/h。温度处在25℃~30℃范围时,光合作用制造的有机物(真光合速率)逐渐增加。两曲线的交点表示植物有机物的积累量(净光合速率)与呼吸作用消耗量(呼吸速率)相等。
答案 A
总而言之,处理此类净光合速率类计算题的关键,就是准确判断实际量、光合作用量与呼吸作用量三者之间的关系。根据不同题干给出的条件,可以按照以下三种模式展开计算:
光合作用实际产氧量=实际的氧气释放量+呼吸作用耗氧量;
光合作用实际CO2消耗量=实际CO2消耗量(净光合作用量)+呼吸作用CO2释放量;
光合作用实际葡萄生产量=光合作用葡萄糖净生产量+呼吸作用葡萄糖消耗量。
不论采用哪一种计算方式,最重要的还是准确提取转化题干内信息,为后续的计算清扫障碍。
[练习]
金鱼藻是一种高等沉水植物,有关研究结果如下图所示(途中净光合速率是指实际光合速率与呼吸速率之差,以每克鲜重每小时释放CO2的微摩尔数表示)。
[净光合速率(O2)/μmol・g-1・h-1][光照度/103lx][8
4
O
-4
-8][0.5 1.5 2.5] [光照度/103lx][pH][净光合速率(O2)/μmol・g-1・h-1][净光合速率(O2)/μmol・g-1・h-1][净光合速率(O2)/μmol・g-1・h-1][15 20 25 30 35][6 6.5 7 7.5 8 8.5 9][5.0 10.0 15.0][O][O][O][27 23 19
][27 23 19
][NaHCO3浓度/mg・L-1][a][b][c][d]
据图回答下列问题:
(1)该研究探讨了 对金鱼藻 的影响,其中,因变量是 。
一、构建基本模型图
图Ⅰ
图Ⅰ表示的是光照强度与光合作用强度的关系(此时变量为光照强度,其他如CO2、温度等无关变量保持不变),可看作是一个最基本的图形。当光照强度为0时,光合作用强度为0 ;在一定范围内,随着光照强度增强,光合作用强度不断增强;达到A点后,光合作用强度不再变化,A点称为光饱和点。此图没有考虑呼吸作用,光合作用强度表示的是真光合作用强度。
1.变形一
图Ⅱ
如果纵坐标用CO2的吸收量表示,那么图形是怎样的呢?稍作分析就会发现,此时曲线表示植物净光合作用强度,是真光合作用吸收的CO2量减去呼吸作用释放的CO2量的差值,这个数值是可以用一定的装置测得的。那么,曲线的画法由图Ⅰ中曲线向下平移一定数值即可,移动的数值就是呼吸作用释放CO2的量,如图Ⅱ所示。图Ⅱ表示的内容可以帮助我们理解呼吸作用、真光合作用、净光合作用三者之间的关系,它们的关系用表达式可表示为“净光合作用吸收CO2量+呼吸作用释放CO2量=真光合作用吸收CO2量”。根据图Ⅱ,曲线中重要的A、B、C三点的含义也能理解清楚,即A点没有光照植物,只进行呼吸作用;B点光照强度时,光合作用速率=呼吸速率,可称为光补偿点;C点随着光照强度增加,光合作用速率不再增加,可称为光饱和点。
2.变形二
如果纵坐标表示O2的释放量,根据光合作用的反应式,可知CO2的吸收量=O2的释放量,因此图形与图Ⅱ一致,如图Ⅲ所示。如果纵坐标表示CO2的释放量,则图形与图Ⅱ的横坐标对称,如图Ⅳ所示;如果纵坐标表示O2的吸收量,则图形与CO2的释放是一致的,如图Ⅴ所示。
图Ⅲ图Ⅳ
图Ⅴ
3.变形三
如果横坐标表示一天的时间,那么,24小时的CO2吸收量曲线该如何表示?根据一天的光照分析可知:夜晚没有光照,只进行呼吸作用;早晨光照强度逐渐增加,光合作用强度随之增加,吸收的CO2量也逐渐增多,达到光饱和点后随光照强度增加不变;下午光照减弱,光合作用随之减弱,吸收的CO2也逐渐减少。根据分析,可将图Ⅱ修改如图Ⅵ所示。
图Ⅵ
如果考虑夜间温度变化影响呼吸作用以及夏季中午“午休”现象,则曲线就由图Ⅵ修改为图Ⅶ。
图Ⅶ
4.变形四
如果在图Ⅰ中表示出不同温度、CO2浓度的变化,则可相应画成图Ⅷ、图Ⅸ。如果图Ⅷ、图Ⅸ纵坐标改为CO2吸收量,则可参照图Ⅱ。
图Ⅷ图Ⅸ
5.变形五
如果在图Ⅰ中要表示不同光质(光谱成分)的光照强度的变化呢?根据色素的吸收光谱可知,色素对不同光质的吸收情况是不同的。叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光与蓝紫光,对其他光吸收相对较少,尤其是对绿光吸收最少。胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光,对其他光吸收相对较少。由光合作用的过程可知,光照主要影响光合作用的光反应。因此,不同光质虽光照强度相同,但植物的色素吸收转化不同,对光反应的影响也不同,如图Ⅹ所示。
图Ⅹ
6.变形六
如果在图Ⅱ中同时画出阴生、阳生植物,则相应的将曲线进行一定范围的移动。阳生植物的光饱和点较阴生植物高,但当光照强度较低时,阴生植物的光合作用强度却大于阳生植物,如图Ⅺ所示。
图Ⅸ
二、基本图形
空气中CO2的含量是影响光合作用的重要因素。CO2的含量与光合作用强度的关系可用图Ⅻ表示,当CO2的含量过低时,不能进行光合作用;在一定范围内,光合作用强度随CO2含量的增加而增加;当CO2的含量超过一定值后,光合作用强度不变,A为CO2饱和点。
图Ⅻ图ⅩⅢ
如果纵坐标用CO2的吸收量表示,那么,曲线怎样表示?参照上述变形一的分析,此图的画法与图Ⅱ类似,如图ⅩⅢ所示。小于C,只进行呼吸作用;B为CO2补偿点;A仍为CO2饱和点,即真光合作用吸收CO2量=净光合作用吸收CO2量+呼吸作用释放CO2量。
关键词: 光合作用坐标曲线题 解题步骤 例题分析
光合作用坐标曲线问题是历届高考中常考题目。对这类问题,我们应明确图像所表明含义,而它的关键在于识标、析点、明线。
一、解题步骤
1.识标。我们首先要通过题干理解该坐标图中纵、横坐标的含义、关系。其次要进行知识点定位,即明确考查的是哪些知识点,是一个知识点?还是两或两个以上知识点?最后要结合教材,联系相应的知识点,回忆这些知识点的相关知识,把它们之间的区别与联系,相同与不同等一一理清。
2.析点。即对坐标曲线图曲线的起点、转折点、顶点、终点、交叉点进行分析,理解特殊点的生物学含义。若为多重变化曲线坐标图,则应以横或列为单位进行对比、分析,揭示其变化趋势。
3.明线。即观察坐标曲线图中曲线的走向、变化趋势。根据纵、横坐标的含义我们可以得出:在一定范围内,随“横坐标量”的增加,“纵坐标量”逐渐增加或减小。超过一定范围后,随“横坐标的量”的增加,“纵坐标的量”减少或增加,或者达到某种平衡状态。从而揭示出各段曲线的变化趋势及其含义。若为多重变化曲线坐标图,我们可先分析每一条曲线随横坐标量的变化规律,再分析不同曲线变化的因果关系、先后关系;分别揭示其变化趋势,然后对比分析,找出符合题意的曲线、结论或者是教材中的结论性语言,进而掌握两个或多个变量变化快慢相应的生物学意义。
二、例题分析
例题1:下图一表示A、B两种植物光合效率随光照强度改变的变化曲线,图二表示将A植物放在不同浓度CO环境条件下,A植物光合效率受光照强度影响的变化曲线,请分析回答:
(1)在较长时间连续阴雨的环境中,生长受到显著影响的植物是。
(5)增施农家肥可以提高光合效率的原因是。
[解析](1)识标。图一、二中的横坐标为光照强度,纵坐标为光合效率(CO吸收量),图一着重考查植物种类和光照强度对光合效率的影响,图二着重考查CO浓度和光照强度对光合效率的影响。
(2)析点。a点表示在光照强度为零时植物呼吸作用释放的CO量,即在此时不进行光合作用,只进行呼吸作用。b点表示此时光合作用强度(CO吸收量)与呼吸作用强度(CO释放量)相等,此时的光照强度又称之为光补偿点。ab段则表示光合作用随光照强度的增强而增强,但此时呼吸作用大于光合作用。c点表示此时光合作用强度最大,它所对应的最小光照强度叫做光饱和点。
(3)明线。图一是A、B两种植物的光合效率随光照强度的变化情况。图中既有同一植物不同光照强度的比较,又有不同植物相同光照强度时光合效率比较。(1)由于A植物光补偿点和光饱和点大于B植物,而A植物是阳生植物,B植物是阴生植物,因此在较长时间连续阴雨的环境中,由于光照不足,A植物生长受影响。(2)a点时,没有光照,植物不能进行光合作用,此时释放CO,呼吸作用产生。(3)c点时,光合效率最高,在叶绿体的基质中ATP不断被分解产生ADP,并移向类囊体薄膜参与ATP的合成。
图二是同一植物在不同的CO浓度下的光合效率随光照强度的变化情况。图中既有同一CO浓度下不同光照强度的比较,又有不同的CO浓度下相同光照强度时光合效率比较。e点与d点相比较,两者都是同一CO浓度下,但e点的光照强度比d点强,光反应产生的ATP和(1)A;(2)无光条件下A植物不进行光合作用,呼吸作用释放的CO的量;(3)从叶绿体基质向类囊体薄膜方向移动;(4)低高;(5)增加CO的供应,提供必需的矿质元素等。
例题2:如下图所示,小麦在不同的光照条件下,整体表现出的吸收O和释放O量(任意单位)的状况。那么在相同条件下,分别绘出人参、玉米两种植物其整体表现的吸收O和释放O状况的曲线,其中a、b、c、d点位置应如何变化?下列叙述正确的是()。
A.人参:a点上移
B.人参:b点右移
C.玉米:c点左移
D.玉米:d点下移
[解析](1)识标。本题中横坐标表示光照强度,纵坐标表示光合作用强度。本题着重考查植物种类和光照强度对光合效率的影响。
(2)析点。a点时光照强度为零,只进行呼吸作用,吸收O量即为呼吸作用强度;ab段表示随光照强度增强,光合作用逐渐加强;b点时吸收O量等于释放O量,即光合作用强度=呼吸作用强度,此时有机物积累量为零;b点以后,光合作用强度不断增加,光合作用强度>呼吸作用强度,开始有机物积累;c点以后,由于外界CO浓度为限制因子,光合作用强度不再增加,即出现光饱和现象。
(3)明线。A、B两个选项考查的是关于阳生植物与阴生植物的比较问题。a点表示呼吸作用强度,人参是阴生植物,小麦是阳生植物,由于阴生植物呼吸作用强度低于阳生植物,故人参的a点下移。
C、D两个选项考查的是关于阳生植物与阴生植物的比较问题。①C植物光饱和点高于C植物光饱和点。据潘瑞炽《植物生理学》,C植物达到饱和点时只需全月照1/2。而C植物是无光饱和点。故本题选项C中,由于小麦是C植物,玉米是C植物,故玉米假若达到光饱和时,其光饱和点应大于小麦光饱和点,c点应该右移。②C植物光合速率大于C植物光合速率。随光照强度增加,叶片气孔关闭。由于C植物固定CO的PEP羧化酶对CO亲和力高,故气孔关闭时仍可利用叶肉间隙含量很低的CO进行光合作用,而小麦(C植物)不能,故玉米(C植物)的d点相对于小麦应该下移。
[答案]D。