例析光合速率的测定方法

安徽 严邦军 梁 陈

例析光合速率的测定方法

安徽 严邦军 梁 陈

光合作用是细胞代谢的主要内容，在高考生物教学中占有重要地位。高考中光合作用的考查形式多种多样，可以文字信息体现，也可以曲线、表格、图像等形式出现，不仅考查学生对光合作用概念、原理的掌握，在近几年高考题中，光合速率、呼吸速率的测定也频繁出现，以此考查学生提取有效信息、实现信息相互转换的能力。本文想通过例题来分析光合速率的测定问题，旨在进一步加强学生对光合作用的理解。

光合速率是指单位时间、单位叶面积的CO2的吸收量或者是O2的释放量，也可以用单位时间、单位叶面积干物质积累量表示，通常以每小时每平方分米叶面积吸收CO2毫克数表示（mg·dm-2·h-1）。一般测定光合速率的方法都没有考虑植物的呼吸作用，所以测定的结果实际是光合作用速率减去呼吸作用速率的差数，叫作表观光合速率或净光合速率。若能测出其呼吸速率，把它加到净光合速率上去，则可算出真正光合速率，即真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。现将高中阶段常用的几种光合速率的测定方法归纳如下：

1.利用实验装置来测定光合速率

实验原理：

（1）测呼吸速率：利用装置甲在黑暗条件下进行测定，小烧杯中盛放NaOH溶液，其作用是吸收装置中CO2。植物的呼吸作用会消耗O2，装置中气体体积变小，水滴就会向左移动，因此水滴左移量代表呼吸作用消耗O2量。

（2）测净光合速率：利用装置乙在光照条件下进行测定，小烧杯中盛放NaHCO3溶液，其作用是维持装置中CO2不变。植物的光合作用释放O2，装置中气体体积变大，水滴就会向右移动，因此水滴右移量代表光合作用释放O2量。

（3）该实验中要考虑外界大气压的改变对实验结果的影响，所以需要设置对照组，在对照组中放入相同且死亡的绿色植物（如丙），用以排除大气压等物理因素的影响。当实验组和对照组的水滴移动方向相同时，用实验组水滴移动数值减去对照组水滴移动数值，即代表实验装置中气体变化的真实值；当实验组和对照组的水滴移动方向相反时，用实验组水滴移动数值加上对照组水滴移动数值，即代表装置中气体变化的真实值。

【例1】下图是探究绿色植物光合作用速率的实验示意图，装置中的NaHCO3溶液可维持瓶内的CO2浓度，将该装置置于25℃环境中。实验开始时，针筒的读数是0.2 mL，毛细管内的水滴在位置X处。20 min后，针筒的容量需要调至0.6 mL的读数，才能使水滴仍维持在位置X处。据此回答下列问题：

（1）若将图中的NaHCO3溶液换成等量清水，重复上述实验，20 min后，要使水滴维持在位置X处，针筒的容量_______（填“需向左”“需向右”或“不需要”）调节。

（2）若以释放出的O2量来代表净光合作用速率，该植物的净光合作用速率是________mL·h-1。

（3）若将图中的NaHCO3溶液换成等量NaOH溶液，在25℃、无光条件下，30 min后，针筒的容量需要调至0.1 mL的读数，才能使水滴仍维持在X处。则在有光条件下该植物的真正光合速率是_______mL·h-1。

【解析】

（1）由光合作用的总反应式：

可知反应前后气体体积不变，所以不需要调节针筒容量就可使水滴维持在X处。

（2）光照条件下，由于光合作用吸收的CO2由缓冲液补充，缓冲液能维持CO2浓度，同时释放出O2导致密闭装置内气体压强增大，若使水滴X不移动，其针筒中单位时间内气体（O2）容量的增加就代表净光合速率的大小。由题可知，若以释放出的O2量来代表净光合速率，该植物的净光合作用速率是（0.6-0.2）×3=1.2（mL·h-1）。

（3）若将瓶中液体改为NaOH溶液且在无光条件下，则装置内CO2完全被吸收，植物体不能进行光合作用，只能进行呼吸作用，瓶中气体的变化即呼吸作用消耗O2的量。则在有光条件下该植物的真正光合速率=净光合速率+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.利用半叶法测定光合速率

实验原理：将对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做处理，如下图所示，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射1小时后，在A、B的对应部位裁取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，单位是（mg·dm-2）。

设所裁取的叶片原来质量为X（mg·dm-2），则：

呼吸速率=X-MA（mg·dm-2·h-1）

净光合速率=MB-X（mg·dm-2·h-1）

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

本实验中利用遮光部分的叶片进行呼吸速率的测定，利用光照部分的叶片进行净光合速率的测定，然后利用公式计算出真正光合速率。

【例2】某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率，做了如下图所示实验。在叶柄基部作环剥处理（仅限制叶片有机物输入和输出），于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1 cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片的叶绿体光合作用速率=g·cm-2·h-1（不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响）。则M处的实验条件是 （ ）

A. 下午4时后将整个实验装置遮光3小时

B. 下午4时后将整个实验装置遮光6小时

C. 下午4时后在阳光下照射1小时

D．晚上8时后在无光下放置3小时

【解析】起始干重为上午10时移走时的叶圆片干重x克，从上午10时到下午4时，叶片在这6小时内既进行光合作用又进行呼吸作用，所以下午4时移走的叶圆片干重y克减去上午10时移走时的叶圆片干重x克的差值，就等于该叶圆片净光合作用干物质积累量：（y-x）克。即净光合速率。呼吸速率=真正光合速率-净光合速率。若要求出呼吸作用消耗干物质量，应将叶片遮光处理，先假设叶片遮光处理为N小时后干重为z克，下午4时移走的叶圆片干重y克减去叶片遮光处理N小时后的干重z克差值，就是呼吸作用干物质量：（y-z）克，即呼吸速率=则：，计算出N=3小时，故A项正确。

【答案】A

3.黑白瓶法测定光合速率

实验原理：黑白瓶法是将几只注满水样的白瓶和黑瓶悬挂在采水深度处，曝光24 h。黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能进行呼吸作用，因此黑瓶中的溶解氧就会减少。而白瓶完全被曝晒在光下，瓶中的浮游植物可进行光合作用，因此白瓶中的溶解氧量一般会增加。所以黑瓶中溶解氧量的变化可代表呼吸速率，白瓶中溶解氧量的变化可代表净光合速率，这样就可以计算出该深度处水体的真正光合速率。

实验步骤：

（1）采水与挂瓶

①采水：根据确定的采水分层和深度，采集某深度的水样注入白瓶、黑瓶和初始瓶内，待水满后将瓶盖盖好，立即对初始瓶进行溶解氧的测定。

②挂瓶与曝光：将灌满水的白瓶和黑瓶悬挂在原采水处，曝光培养24 h。

（2）溶解氧的测定与分析

曝光结束后，取出黑、白瓶立即测定溶解氧量，并计算真正光合速率。计算方法：

真正光合速率=净光合速率+呼吸速率

本方法是利用黑瓶测呼吸速率，白瓶测净光合速率，然后利用公式，计算出真正光合速率。

【例3】采用黑白瓶法（黑瓶外包黑胶布和铝箔，以模拟黑暗条件；白瓶为透光瓶）测定池塘各深度24小时内的平均氧气浓度变化，结果如下表。则该池塘一昼夜产生氧气的量是 （ ）

A. 8 g/m3B. 14 g/m3

C. 22 g/m3D. 32 g/m3

【解析】池塘一昼夜产生氧气的量，实质上指的是各水层一昼夜产生的氧气量的总和。产生的氧气量，就是光合作用总量＝白瓶中氧气增加量＋黑瓶中氧气减少量。对5 m～水底范围内的生物来说，黑瓶与白瓶中氧气的变化量都是相同的，说明此范围水域内不进行光合作用。故该池塘一昼夜产生的氧气量为1～4 m水深范围内生物产生的氧气量。由题表可知，水深1～4 m范围内生物产生的氧气量分别是9 g/m3、7 g/m3、4 g/m3、2 g/m3，总计22 g/m3。

【答案】C

综上所述，光合速率测定方法的实质是：在黑暗条件下测定呼吸速率，在光照条件下测定净光合速率，再利用公式：真正光合速率=呼吸速率+净光合速率，计算出真正光合速率。

（作者单位：安徽省泗县第二中学）