红花酢浆草光合模型适用性研究

以红花酢浆草(Oxalis corymbosa)为材料, 运用6 种光合模型拟合其光响应曲线和CO₂ 响应曲线并探讨了最佳适用模型, 为其生理生态研究和栽培提供基础理论依据。结果表明: (1)光响应曲线中, 直角双曲线改进模型的合理性和精确度最优, 拟合效果最佳, 由其计算出红花酢浆草叶片的光补偿点(LCP)为24.934 μmol·m^–2·s^–1, 饱和光强(LSP)为1445.083μmol·m^–2·s^–1; (2)CO₂ 响应曲线中, 指数改进模型精确度高, 拟合效果最好, 能准确地描述出红花酢浆草的CO₂ 响应曲线。指数改进模型计算出的CO₂ 补偿点(Г)为68.751 μmol·mol^–1, 饱和CO₂ 浓度(Csp)为1253.773 μmol·mol^–1; (3)红花酢浆草对环境的适应能力强, 光合作用潜力很大, 但红花酢浆草属于耐阴植物, 不耐高温, 在进行人工栽培时应注意对其遮阴。     

光响应曲线的指数改进模型与常用模型比较

光响应曲线的参数是研究植物生理状态的重要指标, 常用的光响应曲线模型无法准确地计算出光饱和点和最大净光合速率。该文利用光响应曲线新模型——指数改进模型、直角双曲线模型、直角双曲线修正模型、非直角双曲线模型和指数模型, 拟合高粱(Sorghum bicolor)、苋(Amaranthus tricolor)、大麦(Hordeum vulgare)和半夏(Pinellia ternata)的光响应曲线, 并随机选取部分数据进行检验, 得到了各模型计算出的主要生理参数, 并对这些数据进行了比较分析, 讨论了各模型之间的优缺点和准确性, 描述了C₃、C₄植物光响应的适宜性。结果表明, 基于C₃植物得到的指数改进模型和直角双曲线修正模型能较准确地计算出C₃、C₄植物饱和光强和最大净光合速率, 并在描述光响应曲线时比另外3个模型具有更高的精确性和适宜性。实验结果可为光响应曲线模型在C₃和C₄光合途径植物中的应用提供参考。     

不同土壤水分下山杏光合作用CO2响应过程及其模拟

在半干旱黄土丘陵区,以2年生盆栽山杏为材料,应用CIRAS-2型光合作用系统,测定了8个土壤水分梯度下山杏光合作用的CO₂响应过程,并采用直角双曲线模型、指数方程和直角双曲线修正模型对其CO₂响应数据进行拟合,分析了山杏光合作用与土壤水分的定量关系.结果表明: 山杏CO₂响应过程对土壤水分有明显的阈值响应特征.维持山杏叶片较高的光合速率(P_n)和羧化效率(CE)的土壤相对含水量(RWC)在46.3%～81.9%,在此水分范围内,光合作用没有发生明显的CO₂饱和抑制现象;当RWC超出此范围,土壤水分升高或降低均明显降低山杏叶片的光合能力(P_{n max})、CE和CO₂饱和点(CSP).在不同土壤水分条件下,3个模型对山杏CO₂响应数据的模拟效果有明显差别.在46.3%～81.9%土壤水分范围内,3个模型均能较好地拟合山杏CO₂响应过程及其特征参数CE、CO₂补偿点(Γ)和光呼吸速率(R_p),其拟合精度均表现为直角双曲线修正模型＞指数方程＞直角双曲线模型;当土壤水分含量过高(RWC＞81.9%)或过低(RWC＜46.3%)时,只有直角双曲线修正模型能较好地拟合山杏CO₂响应过程及其特征参数.RWC在46.3%～81.9%范围内,山杏具有较高的光合作用效率;与传统直角双曲线模型和指数方程相比,直角双曲线修正模型具有更好的适用性.     

植物光合CO2响应模型对光下(暗)呼吸速率拟合的探讨

运用LI-6400便携式光合作用系统测定了不同光强(2000、1500、1000和500 μmol·m^-2·s^-1)和两种O₂浓度(21%和2%的O₂)下冬小麦(Triticum aestivum)灌浆期旗叶的CO₂响应曲线, 比较了现有CO₂响应模型(生化模型、直角双曲线模型和直角双曲线修正模型)拟合给出光下(暗)呼吸与测量值之间的差异。结果显示, 直角双曲线修正模型所给出的光下呼吸速率拟合值与测量值最为接近。植物光合作用对大气CO₂响应(A/C_a)的拟合结果优于光合作用对胞间CO₂浓度(A/C_i)的拟合。然而, 所有模型基于A/C_a拟合的光下(暗)呼吸在整体上与测量值存在显著差异(p < 0.05), 推测与现有模型没有考虑CO₂浓度对光呼吸和光下暗呼吸速率的影响有关。对小麦的试验结果表明, CO₂浓度对光呼吸和光下暗呼吸均有显著影响: 随着CO₂浓度的增加(0-1400 μmol·mol^-1), 不同光强下的表观光呼吸变化范围分别为5.035-11.670、4.222-11.650、4.330-10.999和3.263-9.094 μmol CO_2·m^-2·s^-1; 光下暗呼吸的变化范围分别为0.491-2.987、0.457-2.955、0.545-3.139和0.448-3.139 μmol CO₂·m^-2·s^-1。回归分析发现, 表观光呼吸和光下暗呼吸与CO₂浓度之间均存在较好的相关性。然而, 将该回归关系整合到现有模型中, 是否会优化模型, 从而提高模型对相关光合参数估算的准确性尚有待于进一步研究。     

大田威廉斯香蕉叶片光合特性研究

用Li-6400型便携式光合作用测定系统研究大田威廉斯香蕉叶片光合日变化、光响应曲线和CO₂响应曲线,运用非直角双曲线模型并结合SPSS软件的非线性回归估算其光合作用参数。结果表明,香蕉叶片光合日进程呈单峰曲线,没有明显的午休现象,最大净光合速率出现在10:20左右;光饱和点与光补偿点分别为778.19和61.09μmol/m²·s,表观量子效率为0.0414;CO₂饱和点与补偿点分别为608.97和72.13μmol/mol,羧化效率为0.094。此外,对影响香蕉光合速率的主要环境因子分析表明,在土壤供水充分的条件下,限制光合速率的因子是光合有效辐射而非气孔导度。     

枫香叶片衰老过程中光合能力的变化

利用Li-6400XT便携式光合作用测定系统,于2014年10—12月测定枫香叶片衰老过程中光合作用光响应曲线,采用叶氏模型和非直角双曲线模型进行模拟,分析枫香叶片衰老过程中光合能力的变化.结果表明: 随着枫香叶片逐渐变黄变红,其净光合速率的光响应能力逐渐降低,实测的最大净光合速率从叶片开始泛黄时的2.88 μmol CO₂·m^-2·s^-1下降到叶片衰老后期(12月8日)的0.95 μmol CO₂·m^-2·s^-1.2种光响应模型均较好地模拟了观测的光响应数据,其中叶氏模型表现更优.模拟得到的最大净光合速率、表观量子效率、光补偿点的量子效率、暗呼吸速率等参数均随枫香叶片衰老凋落而逐渐下降,反映出枫香叶片衰老过程中光合能力缓慢下降的过程.在树梢红叶未落期间,枫香叶片仍具有一定的净光合作用能力,这有利于增加秋冬季节的碳吸收量.     

亚热带10种蕨类植物光响应模型拟合及光合特性研究

通过合适的光响应模型来准确计算植物光合参数是研究植物光合特性的重要手段。为深入了解亚热带蕨类植物的光合特性,采用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型和直角双曲线修正模型等4种常用光响应模型分别对10种亚热带蕨类植物进行光响应曲线拟合。通过分析决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、最大净光合速率(P_nmax)、暗呼吸速率(R_d)和表观量子效率(AQE)等9种参数,探讨亚热带蕨类植物的光响应模型拟合效果及其光合特性。结果表明：直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型对本研究10种亚热带蕨类植物的拟合效果较好,其中直角双曲线修正模型的LSP拟合效果最好,非直角双曲线模型的拟合精度最高。光合参数的聚类分析和TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)综合评价法表明,10种亚热带蕨类植物的光合特性既具有相似性又存在物种特异性。黑鳞耳蕨(Polystichum makinoi(Tag...     

不同水分条件下胡杨光响应曲线拟合模型比较

本研究通过测量不同水分条件下胡杨（Populus euphratica Oliv.）叶片的光响应曲线,并采用4种光响应模型对其光合特征参数拟合值与实测值进行比较,分析了不同水分条件下光响应曲线模型对胡杨适用性的影响机制。结果表明,当水分供应充足时,胡杨非直角双曲线模型对暗呼吸速率（R_d）的拟合效果最优,直角双曲线修正模型拟合光饱和点（LSP）、最大净光合速率（P_nmax）、光补偿点（LCP）的结果与实测值较接近;但当胡杨受到水分亏缺后,直角双曲线修正模型对P_nmax和光饱和点（LSP）的拟合效果最优,直角双曲线模型对R_d和LCP的拟合效果最佳。因此,水分条件有利时胡杨应用直角双曲线修正模型、非直角双曲线模型较好;水分亏缺条件下采用直角双曲线修正模型、直角双曲线模型更为适合。     

太行山南麓栓皮栎和刺槐光合作用-CO2响应模拟

采用便携式光合仪(Li-6400XT)对太行山南麓栓皮栎、刺槐2个树种叶片光合作用-CO₂响应曲线进行测定,利用直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)以及直角双曲线的修正模型—叶子飘模型(YZP)进行曲线拟合,并对3种光合模型的拟合参数(最大净光合能力A_max、初始羧化速率η、光呼吸速率R_p、CO₂补偿点CCP和CO₂饱和点CSP)进行比较.结果表明: 与NRH和YZP模型相比,RH模型所得的A_max、η、R_p和CCP较高,分别高出实测值59.8%、128.6%、133.4%和19.8%.与RH模型和YZP模型相比,NRH模型拟合得出的A_max较大,高于实测值11.1%,η、R_p和CCP接近于实测值.YZP模型能较好地模拟光合作用对CO₂的饱和现象,在A_max和CSP的拟合效果上较好.栓皮栎阴叶的A_max、R_p和CCP比阳叶分别低31.3%、5.2%和14.3%.刺槐阴叶的A_max、R_p和CCP分别高出阳叶23.5%、11.0%和5.4%.栓皮栎、刺槐阴叶的η分别比阳叶高6.9%和7.0%.刺槐叶片的R_p和CCP与温度、光强均具有显著线性关系,η与气孔导度(g_s)具有显著线性关系.栓皮栎叶片的η与光强和气孔导度具有显著线性关系,CCP主要受温度和湿度影响.栓皮栎叶片的A_max与相对湿度和g_s具有显著的正线性相关关系.     

人工长白落叶松冠层光合作用-光响应曲线最优模型

以黑龙江省帽儿山林场15年生人工长白落叶松为研究对象,采用直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)、指数模型(EM)、修正直角双曲线模型(MRH)和修正指数模型(MEM)分别对4种不同光响应特征的光合作用-光响应曲线(光抑制型光响应曲线,PLC_i;光饱和型光响应曲线,PLC_s;未饱和型光响应曲线,PLC_u;弱光环境下植被的光响应曲线,PLC_w)进行拟合,计算出光饱和时的最大净光合速率(P_{n max})、暗呼吸速率(R_d)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)及表观量子效率(AQY)等重要的光合生理指标,综合对比5个候选模型对不同响应曲线的拟合优度和对光合生理指标的估计精度.结果表明: MEM模型仅适用于拟合光抑制型曲线,MRH对光抑制型曲线和光饱和型曲线的拟合效果最好(R_a²分别为0.9986和0.9978),NRH最适合拟合未饱和型曲线和弱光环境型曲线(R_a²分别为0.9996和0.9963).在所有类型曲线中,MRH模型估计P_{n max}时,平均相对误差绝对值(MAPE)最低(0.1%R_d表现出更准确的估计(MAPE分别为1.8%、0.1%和3.9%);RH模型对光抑制型曲线的LCP及光饱和型曲线的R_d有更好的估计效果(MAPE分别为1.0%和2.7%);EM模型适用于估计弱光环境型曲线的LCP(MAPE为0.2%).MRH在保证较好的模型拟合效果及光合生理指标估计精度以外,还在拟合不同类型曲线时表现出极高的稳定性,因此,本文选择MRH模型作为拟合人工长白落叶松冠层光合作用-光响应曲线的最优模型.     

太行山南麓栓皮栎和刺槐光合作用-CO2响应模拟

采用便携式光合仪(Li-6400XT)对太行山南麓栓皮栎、刺槐2个树种叶片光合作用-CO₂响应曲线进行测定,利用直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)以及直角双曲线的修正模型—叶子飘模型(YZP)进行曲线拟合,并对3种光合模型的拟合参数(最大净光合能力A_max、初始羧化速率η、光呼吸速率R_p、CO₂补偿点CCP和CO₂饱和点CSP)进行比较.结果表明: 与NRH和YZP模型相比,RH模型所得的A_max、η、R_p和CCP较高,分别高出实测值59.8%、128.6%、133.4%和19.8%.与RH模型和YZP模型相比,NRH模型拟合得出的A_max较大,高于实测值11.1%,η、R_p和CCP接近于实测值.YZP模型能较好地模拟光合作用对CO₂的饱和现象,在A_max和CSP的拟合效果上较好.栓皮栎阴叶的A_max、R_p和CCP比阳叶分别低31.3%、5.2%和14.3%.刺槐阴叶的A_max、R_p和CCP分别高出阳叶23.5%、11.0%和5.4%.栓皮栎、刺槐阴叶的η分别比阳叶高6.9%和7.0%.刺槐叶片的R_p和CCP与温度、光强均具有显著线性关系,η与气孔导度(g_s)具有显著线性关系.栓皮栎叶片的η与光强和气孔导度具有显著线性关系,CCP主要受温度和湿度影响.栓皮栎叶片的A_max与相对湿度和g_s具有显著的正线性相关关系.     

Gas exchange and photosynthetic water use efficiency in response to light, CO2 concentration and temperature in Vicia faba

Light and temperature-response curves and their resulting coefficients, obtained within ecophysiological characterization of gas exchanges at the leaf level, may represent useful criteria for breeding and cultivar selection and required tools for simulation models aimed at the prediction of potential plant behaviour in response to environmental conditions.

Leaf-scale gas exchanges, by means of an IRGA open-flow system, were measured in response to light intensity (8 levels from 0 up to 2000 μmol m⁻² s⁻¹), CO₂ concentrations (ambient—350 μmol mol⁻¹ and short-term enriched—700 μmol mol⁻¹) and air temperature (from 7 up to 35 °C) on three Vicia faba L. genotypes, each representing one of the three cultivated groups: major, equina and minor. The net assimilation rate response to light intensity was well described by an exponential rise to max function. The short-term CO₂ enrichment markedly increased the values of light response curve parameters such as maximum photosynthetic rate (+80%), light saturation point (+40%) and quantum yield (+30%), while less homogenous behaviour was reported for dark respiration and light compensation point. For each light intensity level, the major and minor genotypes studied showed assimilation rates at least a 30% higher than equina.

The positive effects of short-term CO₂ enrichment on photosynthetic water use efficiency (WUE) indicate a relevant advantage in doubling CO₂ concentration. In the major and minor genotypes studied, similar assimilation rates, but different WUE were observed.

The optimum leaf temperature for assimilation process, calculated through a polynomial function, was 26–27 °C and no relevant limitations were observed in the range between 21 and 32 °C.

Analysis at the single leaf level provided both rapid information on the variations in gas exchange in response to environmental factors and selection criteria for the screening of genotypes.     

Construction of CO2-response model of electron transport rate in C4 crop and its application

准确估算光合电子流对CO₂响应的变化趋势对深入了解光合过程具有重要意义。该研究在植物光合作用对CO₂响应新模型(模型I)的基础上构建了电子传递速率(J)对CO₂的响应模型(模型II), 并对用LI-6400-40便携式光合仪测量的玉米(Zea mays)和千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)的数据进行了拟合。结果表明, 模型II可以很好地拟合玉米和千穗谷叶片J对CO₂浓度的响应曲线(J-C_a曲线), 得到玉米和千穗谷的最大电子传递速率分别为262.41和393.07 mmol·m ^-2·s ^-1, 与估算值相符合。在此基础上, 对光合电子流分配到其他路径进行了探讨。结果显示, 380 mmol·mol ^-1 CO₂浓度下玉米和千穗谷碳同化所需的电子流为247.92和285.16 mmol·m ^-2·s ^-1, 分配到其他途径的光合电子流为14.49和107.91 mmol·m ^-2·s ^-1(考虑植物CO₂的回收利用)。比较两种植物的其他途径光合电子流分配值发现, 两者相差6倍之多。分析认为这与千穗谷和玉米的催化脱羧反应酶种类以及脱羧反应发生的部位不同密切相关。该发现为人们研究C₄植物中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸苹果酸酶型和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苹果酸酶型两种亚型之间的差异提供了一个新的视角。此外, 构建的电子传递速率对CO₂的响应模型为人们研究C₄植物的光合电子流的变化规律提供了一个可供选择的数学工具。     

红松幼苗对CO2浓度升高的生理生态反应

研究了用开顶箱控制CO₂浓度在500和700μmol·mol^-1左右时红松幼苗的生理生态反应.结果表明,高浓度CO₂(500、700μmol·mol^-1CO₂)和对照(对照开顶箱、裸地)条件下,红松幼苗的净光合速率与气孔导度之间的变化不同.红松幼苗在500μmol·mol^-1CO₂条件下,RuBPcase活性最高,呈现光合上调反应,日平均净光合速率最大,叶绿素及可溶性糖含量最高;而生长在700μmol·mol^-1CO₂的红松幼苗呈现光合下调反应,光合作用明显低于对照植株,其酶活性及物质含量均最低.     

CO2浓度升高条件下长白赤松幼苗种植密度对净光合速率的影响

The effect of Pinus sylvestriformis seedlings density on net photosynthetic rate was studied under elevated CO₂. Atmospheric CO₂ concentration was controlled in OTC (Open Top Chamber). The results showed that elevated CO₂ not only made net photosynthetic rates (NPRs) of two Pinus sylvestriformis seedlings densities increased,but also mitigated their intra-specific competition. Meanwhile,the difference of seedling NPRs between100 and 400 plant·m^-2 under 500 μmol·mol^-1 air CO₂ concentration was less than that under 350 μmol·mol^-1 with the same PARlevels. When air CO₂ concentration reached 700 μmol·mol^-1, the NPRs of seedlings under both planting densities were close to each other with the same PARlevels. The intra-specific competition was minimized under air CO₂ concentration of 700 μmol·mol^-1.     

开垦对黄河三角洲湿地净生态系统CO2交换的影响

近年来, 由于对湿地的不合理利用, 自然湿地被大面积地垦殖为农田, 导致湿地生态系统碳循环的模式发生改变, 从而影响了湿地生态系统碳汇功能。该研究通过涡度相关法, 对山东省东营市黄河三角洲芦苇(Phragmites australis)湿地和开垦多年的棉花(Gossypium spp.)农田的净生态系统CO₂交换(NEE)进行了对比观测, 以探讨该地区典型生态系统NEE的变化规律及其影响因子, 揭示开垦对芦苇湿地NEE和碳汇功能的影响。结果表明: 在生长季, 湿地和农田生态系统NEE的日平均值各月均呈明显的“U”型变化曲线, 非生长季NEE的变幅很小。生长季湿地生态系统日最大净吸收值和释放值分别为16.04 g CO₂·m^-2·d^-1(8月17日)和14.95 g CO₂·m^-2·d^-1(8月9日); 农田生态系统日最大净吸收值和释放值分别为18.99 g CO₂·m^-2·d^-1 (8月22日)和12.23 g CO₂·m^-2·d^-1 (7月29日)。生长季白天两个生态系统NEE与光合有效辐射(PAR)之间呈直角双曲线关系; 非生长季NEE主要受土壤温度(T_s)的影响; 生态系统生长季夜间NEE受T_s和土壤含水量(SWC)的共同影响; 湿地和农田的生态系统呼吸熵(Q₁₀)分别为2.30和3.78。2011年生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的汇, 总净固碳量分别为780.95和647.35 g CO₂·m^-2, 开垦降低了湿地的碳吸收能力; 而在2011年非生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的源, CO₂总释放量分别为181.90和111.55 g CO₂·m^-2。全年湿地和农田生态系统总净固碳量分别为599.05和535.80 g CO₂·m^-2。