一種估算植物光合固碳量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陸地生態(tài)領(lǐng)域，涉及一種估算植物光合固碳量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳是最重要的生命元素之一。隨著溫室氣體和溫室效應(yīng)等各種氣候與環(huán)境問(wèn)題的 日益突出，進(jìn)一步增加對(duì)大尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳通量的認(rèn)識(shí)，具有重要的科學(xué) 價(jià)值。光合作用的碳固定是綠色植物葉綠體在光的作用下，將C0 2和水同化為碳水化合物， 并釋放氧氣的過(guò)程。其機(jī)理大致分為:原初反應(yīng)、光合電子傳遞及光合磷酸化和碳同化等幾 個(gè)主要環(huán)節(jié)。光合作用碳固定的起點(diǎn)就是原初反應(yīng)，它是植物體內(nèi)的光合色素(葉綠素 a、葉 綠素 b、類胡蘿素等）吸收光合有效輻射所引起的光物理和光化學(xué)過(guò)程，因而也稱光反應(yīng) (light reaction)，整個(gè)過(guò)程包括光能的吸收、傳遞以及光化學(xué)反應(yīng)。碳同化是綠色植物利 用光反應(yīng)中形成的高能化合物，將C0 2轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的碳水化合物過(guò)程。綠色植物光合作用碳 固定是由一系列生理生化反應(yīng)過(guò)程組成的，在植物光合作用中，除C0 2和水以外，還有為數(shù) 眾多的酶及礦質(zhì)元素直接或間接地參與其反應(yīng)過(guò)程。光、溫度等外界環(huán)境條件以及內(nèi)在的 植物生理狀況，與直接或間接地參與其光合作用碳固定的各因子有效性的關(guān)系十分密切， 并且植物生理狀況在相當(dāng)程度上受制于外界環(huán)境條件。但在事實(shí)上，限制植物光合作用碳 固定的因素是錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起的，大體可歸納為內(nèi)部因素(生理生化因素)與外部因 素兩大類。內(nèi)部因素大概分為光合器官葉片的發(fā)育和結(jié)構(gòu)、C0 2進(jìn)入植物體的氣孔阻力、形 成"同化力"的磷之再生；外部因素大概分為光照、溫度、水分、C02濃度、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)?？傊?合作用是地球上一切生命生存、繁榮和發(fā)展的根本源泉。對(duì)它的研究在理論上和生產(chǎn)實(shí)踐 上都具有重大意義。
[0003] 光合作用機(jī)理的研究已取得重大成果，但是仍然需要更深層次、更廣范圍的研究， 特別是生理研究與機(jī)理研究的結(jié)合，這將有利于人類模擬光合作用來(lái)解決一些人類目前面 臨的問(wèn)題，如提高作物光合作用效率，以提高作物產(chǎn)量，解決糧食問(wèn)題;模擬光合作用，將取 之不盡的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為人類可用的化學(xué)能，解決全球面臨的能源問(wèn)題。同時(shí)，本領(lǐng)域測(cè)定光 合研究較多，但是從定量上測(cè)算一種植物光合固定碳的量化研究卻很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)以上現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種估算植物光合固碳量的方法。
[0005] 本發(fā)明所提供的估算目標(biāo)植物光合固碳量的方法，具體可包括如下步驟：
[0006] (a)按照包括如下(al)_(a4)的步驟建立估算模型：
[0007] (al)在試驗(yàn)區(qū)選取目標(biāo)植物，確定參考時(shí)間段，在所述參考時(shí)間段內(nèi)設(shè)定若干測(cè) 試時(shí)間點(diǎn)，在所設(shè)定的各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)分別測(cè)定所述目標(biāo)植物的凈光合速率(ymolC0 2 · πΓ2 · s-0;
[0008] (a2)引入?yún)?shù)t，t表示自所述參考時(shí)間段的起始時(shí)間開始至所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)終止 所形成的時(shí)間長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)于每個(gè)所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)均有一個(gè)t;根據(jù)步驟(al)在各測(cè)試時(shí)間點(diǎn) 測(cè)得的所述凈光合速率(ymolC02 · πΓ2 · ?Γ1)計(jì)算各t所表示的時(shí)間段內(nèi)所述目標(biāo)植物在單 位葉片面積上的光合固碳量(mg · πΓ2);
[0009] (a3)根據(jù)所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)與所述t的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)與所述凈光 合速率(ym〇lC〇2 · m_2 · 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所述t和所述凈光合速率進(jìn) 行擬合，獲得擬合曲線方程，記為方程1;
[0010] (a4)根據(jù)所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)與所述凈光合速率(μπιο?⑶2 · m-2 · s-4的對(duì)應(yīng)關(guān)系、所 述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)與所述t的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及所述t與所述光合固碳量(mg · πΓ2)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將 各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的所述凈光合速率(ymolC02 · πΓ2 · ?Γ1)和各t對(duì)應(yīng)的所述光合固碳量 (mg · πΓ2)進(jìn)行擬合，獲得擬合曲線方程，記為方程2;
[0011] 所述方程1和所述方程2即為所述估算模型；
[0012] (b)利用步驟(a)建立的所述估算模型計(jì)算待測(cè)區(qū)域待測(cè)時(shí)間段內(nèi)所述目標(biāo)植物 的光合固碳量(mg · πΓ2);所述待測(cè)區(qū)域在所述待測(cè)時(shí)間段內(nèi)的氣候條件與步驟(a)中所述 試驗(yàn)區(qū)在所述參考時(shí)間段內(nèi)的氣候條件無(wú)顯著差異。
[0013]步驟(a)中所述估算模型的構(gòu)建方法也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0014] 在所述方法的步驟(al)中，在各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)測(cè)定所述目標(biāo)植物的凈光合速率(μ mo 1C02 · πΓ2 · ?Γ1)具體可為:在所述試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取若干棵所述目標(biāo)植物，做好標(biāo)記;在每 棵所述目標(biāo)植物上選取不同方向、不同層面的葉片5-10片，清除葉片表面泥土灰塵后于所 設(shè)定的若干測(cè)試時(shí)間點(diǎn)測(cè)定凈光合速率(ymolC0 2 · πΓ2 · ?Γ1)，每個(gè)所述測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果 取均值。
[0015] 在所述方法的步驟(a2)中，根據(jù)步驟(al)在各測(cè)試時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的所述凈光合速率 (ymolCOs · πΓ2 · ?Γ1)計(jì)算各t所表示的時(shí)間段內(nèi)所述目標(biāo)植物在單位葉片面積上的光合固 碳量(mg · nf2)的具體計(jì)算方法包括:1)運(yùn)用等差數(shù)列計(jì)算相鄰兩個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)之間所述目 標(biāo)植物在單位葉片面積上的光合固碳量(mg · !^2)。2)根據(jù)步驟1)算出的每個(gè)時(shí)間段(相鄰 兩個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)之間）的光合固碳量(mg · πΓ2)進(jìn)行累加求和算出各t所表示的時(shí)間段內(nèi)所 述目標(biāo)植物在單位葉片面積上的光合固碳量(mg · πΓ2)。
[0016] 具體公式如下：Sn = 60 X (tn_tn-1) X (Vn+Vn-l)/2+Sn-1
[0017] Sn-每個(gè)t所表示的時(shí)間段內(nèi)所述目標(biāo)植物在單位葉片面積上的光合固碳量(mg· m-2);
[0018] tn-測(cè)試時(shí)間點(diǎn)離所述參考時(shí)間段的起始時(shí)間的分鐘數(shù)；
[0019] Vn-每個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的凈光合速率(μπι〇?α)2 · m-2 · s-〇。
[0020] η-對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的次序(η 2 2)。
[0021] 在所述方法的步驟(a3)和(a4)中，進(jìn)行所述擬合時(shí)選取擬合度最高的擬合曲線方 程作為所述估算模型。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具體是采用excel進(jìn)行曲線擬合的，擬合 時(shí)選取R 2值最接近1的擬合曲線方程作為所述估算模型。
[0022]在所述方法的步驟(b)中，所述待測(cè)區(qū)域的土質(zhì)與步驟(a)中所述試驗(yàn)區(qū)的土質(zhì)相 同（即土質(zhì)條件無(wú)顯著差異）。
[0023] 在所述方法中，具體可采用光合儀(如便攜式光合儀，具體如li-6400系列便攜式 光合儀)測(cè)定所述目標(biāo)植物的凈光合速率。
[0024] 所述估算模型在如下中的應(yīng)用也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍：估算待測(cè)區(qū)域待測(cè)時(shí)間 段內(nèi)所述目標(biāo)植物的光合固碳量。其中，所述待測(cè)區(qū)域在所述待測(cè)時(shí)間段內(nèi)的氣候條件與 所述試驗(yàn)區(qū)在所述參考時(shí)間段內(nèi)的氣候條件無(wú)顯著差異;所述待測(cè)區(qū)域的土質(zhì)與所述試驗(yàn) 區(qū)的土質(zhì)相同（即土質(zhì)條件無(wú)顯著差異）。
[0025]在所述方法中，所述氣候條件具體指光強(qiáng)、氣溫、空氣濕度、氣壓、地表溫度和降水 量等指標(biāo)。相應(yīng)的，所述待測(cè)區(qū)域在所述待測(cè)時(shí)間段內(nèi)的氣候條件與所述試驗(yàn)區(qū)在所述參 考時(shí)間段內(nèi)的氣候條件無(wú)顯著差異具體是指:所述待測(cè)區(qū)域與所述試驗(yàn)區(qū)的光強(qiáng)、氣溫、空 氣濕度、氣壓、地表溫度和降水量等參數(shù)在所述待測(cè)時(shí)間段和所述參考時(shí)間段中無(wú)顯著差 異。
[0026]在所述方法中，所述土質(zhì)具體是指土壤的結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地;所述土壤結(jié)構(gòu)主要指 土壤的疏松性和保水保肥能力（如沙土透氣性好，但保水保肥能力差，粘土透氣性差，但保 肥保水能力強(qiáng)等）；所述土壤質(zhì)地主要指土壤的肥力等，主要體現(xiàn)在土壤pH值，電導(dǎo)率，土壤 氮、磷、鉀含量等。
[0027] 在本發(fā)明中，所述參考時(shí)間段具體可為如下任一:一天或一天中的一段時(shí)間、一個(gè) 月或一個(gè)月中的一段時(shí)間、一年或一年中的一段時(shí)間。
[0028] 所述待測(cè)時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)度最好小于等于所述參考時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)度。
[0029] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述目標(biāo)植物為玉米;所述參考時(shí)間段為1.5小時(shí);所 述試驗(yàn)區(qū)在所述參考時(shí)間段內(nèi)的氣候條件如下:光強(qiáng)為12001UX、氣溫為24°C、空氣濕度為 25%、氣壓為100.09KPa、地表溫度為23°C、無(wú)降水;所述試驗(yàn)區(qū)的土質(zhì)為沙土，具體為采自 北京市北沙灘地建筑沙土，土壤最大飽和持水量為21.6%，土壤pH值為7.44,土壤電導(dǎo)率為 840ys/cm，土壤速效磷含量為4.95mg/kg，土壤速效鉀含量為24.56mg/kg，土壤有機(jī)碳含量 為0.34mg/kg，土壤全氮含量為0.05mg/kg;所述若干測(cè)試時(shí)間點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的凈光合速率和 光合固碳量，具體如表1-表4所不。
[0030] 本發(fā)明所提供的估算目標(biāo)植物光合固碳量的方法操作方便，更加便捷，為計(jì)算碳 平衡及研究碳氮循環(huán)提供借鑒作用。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為室內(nèi)盆栽玉米(處理1)在9:30-11:00時(shí)間段凈光合速率(ymoic〇2 · nf2 · S一〇 隨時(shí)間的變化曲線圖。
[0032]圖2為室內(nèi)盆栽玉米(處理1)在9:30-11:00時(shí)間段凈光合速率與光合固碳量(mg · πΓ2)變化關(guān)系圖。
[0033] 圖3為室內(nèi)盆栽玉米(處理2)在9:30-11:00時(shí)間段凈光合速率(ymolC02 · m-2 · s一〇 隨時(shí)間的變