植物生产与光

第三章植物生产与光第一节植物的光合作用•一、光合作用的意义•绿色植物以二氧化碳（co2)和水为原料利用太阳能为动力，经过加工、合成而生产出储藏有大量能量有机营养物质（即碳水化合物），并释放出动物和人类必须的氧气（o2）。•光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。因此，光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。光合作用的意义可以概括为以下三个方面：•第一：制造有机物•绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的。据估计，地球上的绿色植物每年大约制造5000亿吨有机物，这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。所以，人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。•第二：太阳能转换成化学能•绿色植物通过光合作用将太阳能转化成化学能，并储存在光合作用制造的有机物中。地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。•第三：光合作用不断像大气补充氧气的过程•通过光合作用每年绿色植物约向大气中释放4.6*1011吨氧，使大气中氧的含量经常保持在21%左右，没有绿色植物及光合作用，人类乃至整个生物界就不可能存在。二、光合作用与植物生产•（一）概念：•光合作用：是绿色植物利用太阳光能将吸收的二氧化碳和水制造成有机物质[碳水化合物即是人类及动物赖以生存的有机物质]并释放氧气的过程。•光合作用过程一般用下列化学式表示：•二、过程•绿色植物的光合作用过程是一个非常复杂的生理过程。绿色植物光合作用的细胞器的叶绿体，在叶绿体内含有叶绿素a，叶绿素b和胡萝卜素等光和色素，在绿色植物的光合作用过程中，光和色素吸光能的能力都很强，但是他们至吸收380~700毫微米波长范围内的可见光。•光化学反应：叶绿色素等光和色素吸收太阳光后，便处于激发状态，从而引起氧化反应，成为光化学反应。•光化学反应引起一系列电子传递过程，水被分解放出氧和氢，并将二氧化碳固定合成碳水化合物（CH2O)。•三、光呼吸•光呼吸：绿色植物在光的照射下，进行光合作用的同时，还进行呼吸作用，即吸收氧气释放二氧化碳，绿色植物在光下的呼吸作用称为光呼吸。•在光合作用中形成的糖和淀粉，有的（小麦、蚕豆）随即输出，有的暂时储存在叶片中，待夜间输出，并经呼吸作用形成各种有机物质。三、影响植物光合作用的因素影响植物光合作用的因素植物的内部因素植物的环境因素（一）、植物内部因素•绿色植物光合作用与其本身生长、发育状况有关。•叶龄叶片的光合速率与叶龄密切相关。新长的嫩叶，叶色黄绿，体内叶绿素含量低，光合速率很低，以致其本身的光合作用产物满足不了呼吸消耗，必须从其他成年的叶片中得到。当叶子长足时，叶片浓绿，叶片全展后，光合速率达最大值（叶片光合速率维持较高水平的时期，称为功能期）；叶片衰老后，光合速率下降。•叶腋有花或果实的叶片较无花、果的叶片光合速率大。玉米棒三叶•如：玉米棒三叶，光合作用占60—80%；•小麦旗叶，光合作用占60—70%。小麦旗叶（二）环境因素•1、光•（1）光质：对光合作用有效的是可见光。红光下，光合效率高；蓝紫光次之；绿光的效果最差。叶绿体中的色素主要吸收红橙光和蓝紫光•红光可促进幼苗的生长,红光处理的幼苗干物质积累多,营养生长旺盛。•在番茄、茄子及黄瓜等作物方面。•蓝光与红光能够显著抑制茎的伸长,这可能是由于红光通过降低赤霉素的含量;蓝紫光能提高吲哚乙酸(IAA)氧化酶的活性,使IAA含量降低,进而抑制植物的伸长生长。UV-B辐射过强,作物不能正常生长,会限制结实量,如UV-B处理下的黄瓜植株变的矮小,叶面积小,结实量少。•不同光质补光处理均促进新梢延长生长,缩短了新梢节间长度。其中,补充红光、蓝光明显增加新梢基部粗度;红光处理明显增加了新梢总的干物质积累,而且增大了叶片干物质分配比例。•光敏色素还可以影响种子萌发,这是通过影响赤霉素的合成来完成的。红光对种子萌发的促进作用主要由PhyB调控,PhyB能够感受R/FR比例变化。2、光强•光强:植物光合速率随着光强的增高，光合速率相应提高。但当光强进一步增强时，光合速率的增强幅度减弱。当叶片的光合速率与呼吸速率相等（净光合速率为零）时的光照强度，称为光补偿点。•在一定范围内，光合速率随着光强的增加而呈直线增加；但超过一定光强后，光合速率增加转慢。在一定条件下，使光合速率达到最大时的光照强度，称为光饱和点。桑叶的光饱和点为2万勒克斯橘子光饱和点约为2500勒克斯,•2、温度•光合作用的暗反应是由酶促反应，其反应速率受温度影响。•光合作用有温度三基点，即光合作用的最低、最适和最高温度。温度的三基点因植物种类不同而有很大差异(表3-6)。C4植物的光合最适温度一般在40℃左右，高于C3植物的最适温度(25℃左右)。•低温抑制光合的原因主要是低温导致膜脂相变，叶绿体超微结构破坏以及酶的钝化。高温引起膜脂和酶蛋白的热变性，加强光呼吸和暗呼吸。•在一定温度范围内，昼夜温差大,有利于光合产物积累。•3、水分•水分是参与光合作用的物质，缺水使光合物质明显降低，当水分轻度亏缺，如果光照充足，灌水后可恢复，但水分严重亏缺时，则供水后，光合速率难以恢复正常。4、二氧化碳科学家通过研究绿色植物周围空气中二氧化碳浓度与光合作用强弱的关系，绘制出图。分析左图可以看出，二氧化碳的浓度很低时，绿色植物不仅不能制造有机物，而且还要消耗体内的有机物；随着二氧化碳浓度的提高，光合作用逐渐增强；当二氧化碳浓度提高到一定程度时，光合作用的强度不再随二氧化碳浓度的提高而增强；如果继续提高二氧化碳的浓度，光合作用的强度反而明显减弱。对于农田里的农作物来说，确保良好的通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断地流过叶面，有助于提供较多的CO2，施用有机肥，土壤中的微生物也可以产生CO2，提高局部空间的CO2量，从而提高光合作用效率。对于温室里的农作物来说，通过增施农家肥料或使用CO2发生器等措施，可以增加温室中的CO2浓度，就可以提高农作物的光合作用效率。5、矿质营养绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。例如，氮是催化光合作用过程中各种酶以及NADP+(二磷酸腺苷）和ATP（三磷酸腺苷）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掉后，在其他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。四、光照时间在植物生命活动中的作用•1、植物的光周期现象•光周期：一天中，白天和黑夜的相对长度称为光周期。•光周期现象：植物需要长夜短昼才能开花结实，而另一些植物则相反，需要短夜长昼才能开花结实。这种现象叫光周期现象。•人们根据光周期现象将植物分为：长日性植物：要求较长的白昼和较短黑夜，才能开花结实。农作物中有小麦、大麦、马铃薯等。短日性植物：要求较长黑夜的和较短白昼，才能开花结实。农作物中有玉米、棉花、水稻等。中日性植物：对光照时间反应不敏感。农作物中有荞麦、茄子、黄瓜等。三种主要光周期反应类型长日植物农作物：要求在14个小时以上的光照才能开花结果。蔬菜作物：要求在14个小时以上的光照。花卉作物：要求在12个小时以上的光照才能开花。小麦、大麦、黑麦、油菜、菠菜、萝卜、白菜、甘蓝、芹菜、甜菜、胡萝卜、金光菊、山茶、杜鹃、桂花、天仙子等shortdayslongdays长日照短日照农作物：要求在13个小时以下的光照才能开花结果。水稻、玉米、大豆蔬菜作物：要求在12个小时以下的光照才能开花结果。豇豆、茼蒿、扁豆、刀豆花卉作物：要求在12个小时以下的光照才能开花。菊花短日照植物：水稻、玉米、大豆、高梁、豇豆、茼蒿、扁豆、刀豆、苍耳、紫苏、大麻、黄麻、草莓、烟草、菊花、秋海棠、腊梅、日本牵牛等短日性植物日中性植物成花对日照长度不敏感，在任何长度的日照下均能开花。农作物有：黄瓜、茄子、番茄、辣椒、菜豆、棉花花卉作物：君子兰、向日葵、蒲公英等。限光性植物：只能在一定的光照范围内才能开花结果。如甘蔗只能在约13个小时的光照条件下才能开花，日照长或日照短都不能开花结果。•植物的光周期在生产上的重要意义：•1、纬度相近地区，日照条件基本相同，引种成功的可能性较大。•2、短日照植物。南方品种北引，将延长生育期，严重的甚至不能开花结果；北方品种南引，缩短生育期，提前开花结果。•3、长日性植物。与短日性植物相反。