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基于单色光的植物光合响应曲线及其模型研究

王洪 刘银春 陈美香 邱雯婷 陈雄 郭建

王洪,刘银春,陈美香,等. 基于单色光的植物光合响应曲线及其模型研究 [J]. 福建农业学报,2023,38(6):753−760 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.06.015
引用本文: 王洪,刘银春,陈美香,等. 基于单色光的植物光合响应曲线及其模型研究 [J]. 福建农业学报,2023,38(6):753−760 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.06.015
WANG H, LIU Y C, CHEN M X, et al. Light Response Curves and Photosynthesis Models on Plants Exposed to Monochromatic Lights [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2023,38(6):753−760 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.06.015
Citation: WANG H, LIU Y C, CHEN M X, et al. Light Response Curves and Photosynthesis Models on Plants Exposed to Monochromatic Lights [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2023,38(6):753−760 doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.06.015

基于单色光的植物光合响应曲线及其模型研究

doi: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.06.015
基金项目: 教育部高等职业教育创新发展行动计划(教职成厅函〔2019〕8号)
详细信息
    作者简介:

    王洪(1982 —),男,硕士,讲师,研究方向:农业光电子应用(E-mail:wizardwh@sina.com

    通讯作者:

    刘银春(1954 —),男,教授,研究方向:农业光电子工程(E-mail:907500696@qq.com

  • 中图分类号: Q945

Light Response Curves and Photosynthesis Models on Plants Exposed to Monochromatic Lights

  • 摘要:   目的  研究不同植物幼苗在多种单色光条件下的光合响应曲线及其数学模型,为植物工厂作物栽培架等现代农业种植设施的研发提供理论依据。  方法  应用植物特征光谱试验方法及其测试系统,获取10种植物幼苗的22种单色光的光合响应曲线;选择红椎与马褂木两个具有代表性的植物,得出对应单色光光合响应曲线的数学模型;根据渐近线型单色光植物光合响应曲线的特点提出准饱和点光强的概念及计算方法,再依据所测定的植物幼苗22种单色光的饱和点光强,比较理论计算值与实际测定值的偏差程度,并以此为基础绘制植物光合作用饱和点曲线。  结果  植物幼苗的光合响应曲线可分为两类,以红椎为代表的一类植物光合响应曲线呈渐近线型,这类曲线没有极值;以马褂木为代表的一类植物光合响应曲线则有拐点,这类曲线有极值。模型计算得到的准饱和点光强与实际测定的饱和点光强具有较高的拟合度,经过对数据的综合处理,获得对应的饱和点曲线和补偿点曲线。  结论  采用植物特征光谱试验方法及其测试系统可以得到植物在单色光条件下的光合响应曲线,揭示了不同植物光合作用的规律及特点。由此提出的植物光合响应数学模型与实测值具有较高拟合度,可作为研究分析植物光合作用现象的重要参考。
  • 图  1  红椎的光合响应曲线

    Figure  1.  LRC of C. hystrix

    图  2  马褂木的光合响应曲线

    Figure  2.  LRC of L. chinense

    图  3  红椎和马褂木对3种不同波长的光合响应曲线

    A、B、C分别表示波长为435、600、700 nm。

    Figure  3.  LRCs of C. hystrix and L. chinense exposed to lights of 3 different wavelengths

    A, B and C represent wavelengths of 435 nm, 600 nm and 700 nm respectively.

    图  4  红椎与马褂木的饱和点曲线和补偿点曲线

    Figure  4.  Light saturation and compensation curves of C. hystrix and L. chinense

    表  1  多种单色光发生器产生的22种单色光

    Table  1.   Twenty-two monochromatic lights produced by light generating device

    波长
    Wavelength λ/nm
    半峰全宽
    Full width of
    half peak ∆λ/nm
    波长
    Wavelength λ/nm
    半峰全宽
    Full width of
    half peak ∆λ/nm
    420 13.9 575 22.6
    435 17.9 600 20.3
    445 12.9 620 17.9
    450 19.4 630 17
    465 15.6 650 20.5
    475 25 660 11.8
    500 24.2 675 26.3
    520 20.5 690 26.6
    535 18.7 700 33.7
    550 22.4 730 28.2
    565 15.7 750 28.8
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    表  2  红椎的光合响应曲线对应22个单色光的参数值

    Table  2.   Measurements related to 22 monochromatic lights on LRC of C. hystrix

    波长
    Wavelength
    λ/nm
    PnbIc/
    (μmol·m−2·s−1
    Ic′/
    (μmol·m−2·s−1
    αλ/
    (m2·s−1·μmol−1
    R2波长
    Wavelength
    λ/nm
    PnbIc/
    (μmol·m−2·s−1
    Ic′/
    (μmol·m−2·s−1
    αλ/
    (m2·s−1·μmol−1
    R2
    420 3.45 5 12 0.015 0.995 2 575 3.14 15 14 0.01 0.995 8
    435 3.47 10 13 0.013 0.996 4 600 3.45 10 15 0.013 0.990 9
    445 3.5 10 14 0.012 0.993 8 620 3.45 10 14 0.015 0.990 1
    450 3.09 10 14 0.013 0.993 6 630 3.51 15 14 0.013 0.993
    465 3.12 15 17 0.013 0.996 8 650 3.44 15 15 0.016 0.991 7
    475 2.83 10 12 0.013 0.997 2 660 3.37 10 12 0.015 0.998
    500 3.13 15 12 0.011 0.995 8 675 3.28 10 11 0.014 0.996 3
    520 3.51 15 13 0.013 0.985 4 690 2.81 10 6 0.007 4 0.988 7
    535 3.95 15 16 0.012 0.993 1 700 3.33 25 25 0.007 8 0.991 5
    550 3.31 15 17 0.011 0.994 7 730 3.59 30 24 0.007 8 0.987 4
    565 4.47 15 12 0.006 9 0.998 750 5.64 25 20 0.002 2 0.987 5
    下载: 导出CSV

    表  3  红椎的准饱和点光强实测值$ {I_{sat}} $与理论计算值$ {I'_{sat}} $的比较($ {p'_n} = 0.001 $

    Table  3.   Measured $ {I_{sat}} $ and theoretical $ {I'_{sat}} $ at quasi-saturation point of C. hystrix$ {p'_n} = 0.001 $

    波长
    Wavelength λ/nm
    Isat/
    (μmol·m−2·s−1
    Isat’/
    (μmol·m−2·s−1
    波长
    Wavelength λ/nm
    Isat/
    (μmol·m−2·s−1
    Isat’/
    (μmol·m−2·s−1
    420 —— 273 575 —— 347
    435 300 311 600 300 313
    445 300 316 620 200 284
    450 300 293 630 200 301
    465 300 299 650 200 264
    475 200 287 660 400 276
    500 —— 328 675 400 287
    520 —— 301 690 500 416
    535 —— 338 700 500 441
    550 300 342 730 —— 449
    565 —— 506 750 —— 1154
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    表  4  马褂木的补偿响应系数、修正系数、补偿比率系数和补偿点光强

    Table  4.   Compensation response coefficient, correction coefficient, compensation ratio coefficient, and light intensity at compensation point of L. chinense

    波长
    Wavelength
    λ/nm
    ηλ
    (10−3
    βλ
    (10−3
    γλ
    (10−3
    Ic/
    (μmol·m−2·s−1
    Ic’/
    (μmol·m−2·s−1
    R2波长
    Wavelength
    λ/nm
    ηλ
    (10−3
    βλ
    (10−3
    γλ
    (10−3
    Ic/
    (μmol·m−2·s−1
    Ic’/
    (μmol·m−2·s−1
    R2
    420 37 1.3 1.8 20 21 0.982 7 575 42 0.86 2 10 17 0.991 1
    435 44 0.52 3.9 20 20 0.991 6 600 52 0.62 3.3 10 16 0.990 4
    445 61 0.48 6.2 10 15 0.992 7 620 57 0.2 6.2 20 18 0.996 2
    450 56 0.43 7.5 15 17 0.988 630 66 0.38 5.3 10 16 0.984 5
    465 39 1.1 1.1 20 18 0.992 9 650 55 0.61 3.1 15 16 0.994 7
    475 62 0.47 5.6 10 18 0.991 6 660 57 0.9 2.6 10 15 0.995 3
    500 46 1.8 9.1×10−8 10 18 0.994 9 675 67 0.31 6.5 10 14 0.996 5
    520 36 1.8 8.4×10−7 20 21 0.988 8 690 36 0.35 2.5 10 11 0.994 4
    535 41 2 0.78 15 14 0.995 700 36 0.33 2.9 25 33 0.993
    550 34 1.4 0.28 20 19 0.998 3 730 25 0.92 1.7×10−7 15 25 0.996 8
    565 38 2.4 6.3×10−7 20 16 0.991 8 750 35 1.8 0.99 20 18 0.999 1
    下载: 导出CSV

    表  5  马褂木饱和点光强的实测值与理论计算值比较($ {p'_n} = 0 $

    Table  5.   Measured and theoretical values of light intensity at saturation point of L. chinense ($ {p'_n} = 0 $)

    波长
    Wavelength λ/nm
    Isat/
    (μmol·m−2·s−1
    Isat’/
    (μmol·m−2·s−1
    波长
    Wavelength λ/nm
    Isat/
    (μmol·m−2·s−1
    Isat’/
    (μmol·m−2·s−1
    420 400 324 575 —— 429
    435 600 521 600 500 478
    445 600 465 620 800 808
    450 500 472 630 700 573
    465 300 385 650 500 494
    475 500 491 660 400 390
    500 300 281 675 600 594
    520 —— 292 690 700 755
    535 —— 249 700 900 780
    550 —— 352 730 —— 553
    565 —— 218 750 —— 252
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-07
  • 修回日期:  2022-11-30
  • 网络出版日期:  2023-07-06
  • 刊出日期:  2023-06-28

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