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Detection of photosynthetic effective radiation (PAR) in tree canopy by Reinecke salt actinometer

用Reinecke盐液曝光计检测树冠内的光合有效辐射



全 文 :应 用 生 态 学 报    年 ! 月 第 ! 卷 第 ∀ 期
#∃ %& ∋ (∋ )∗ + , & − . ∗/ − 00. %∋ 1 ∋ #∗ .∗2 3 , − 04 5    , ! 6∀7 , ∀  8一∀∀ 9
用 , :;< : = > : 盐液曝光计检测树冠内的光合有效辐射 ’
陈 凯 6南京农业大学 , 南京 ? 9 9 !7
章文才 6华中农业大学 , 武汉 ! 9 9≅ 。7
决奴 Α;Β < ΒΧ 0Δ Β Α韶Ε5 ΑΔ :Α ;: : ΧΧ: =+ Φ : 4Γ Η以 ;Β < 60− , 7 ;< Α4: =Γ < Β 0Ε Ι Ε 取加: :> : ϑΓ ΚΑ Γ#Α ;< Β Λ: Α: 4 ·# Δ : < ΜΓ ; 6& Γ < Ν;< Ο −Ο 4;:Π ΚΑ Π 4 ΓΚ+ < ;Φ :4 ϑ;ΑΕ , & Γ < Ν;< Ο ∀  9 9  ! 7 Γ < Η ΘΔ Γ < Ο Ρ : < : Γ ; 6∃ Π Γ Σ ΔΒ < Ο − Ο 4 ;: Π ΚΤΑΠ 4Γ Κ + < ;Φ : 4 ϑ ;ΑΕ , Ρ Π ΔΓ < ! 9 9 ≅ 9 7一#Δ ;< 5 ) 5 −0 0%5 ∋=Β Κ5 ,    , ! 6∀ 7 ? ∀  8一 ∀ ∀ 9 5−= :Β 4Η ;雌 Α Β ΑΔ: Υ 4 ;< : ;ΥΚ: ϑ Β Χ ΥΔ Β ΑΒ :Δ : Λ ;:Γ Κ 4: Γ : Α;Β < Γ <Η ΑΔ : : : Β Υ Δ”;Β ΚΒ Ο ;: Γ Κ : ΔΓ4 Γ :Α :4 ;ϑ Α;: ϑ Β Χ Υ ΔΒ ΤΑΒ ϑ”ΑΔ : ϑ;ϑ Β Χ Α4: : Κ: ΓΦ : ϑ , ΑΔ : 4 : ΚΓ Α;Φ : Η ;ϑ Α4;Ι Π Α;Β < Β Χ Υ Δ Β ΑΒ ϑ Ε< ΑΔ: Α;: : Χ : : Α;Φ : , 4 Γ Η ;Γ Α;Β < 60− , 7 ;<
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9 5 Β ;Ω , :;< : : >: ϑΓ Ξ Α ΨΓ Λ Λ Β < ;Π Λ 4 : ;<: : > Γ Α: , 。Λ Λ Β < ;Π Λ Α: Α4Γ ΑΔ ;Β : Ε Γ< ΒΗ ;Γ Λ Λ Β < Β :Δ 4 Β ΛΓ Α: , & ∃ Ζ [# 46& ∃ , 7 ? 6(# & 7 5 Ξ · ∃ ?∗ 75 ∴ Δ : :ΧΧ:= Α;Φ : ΓΙ ϑ Β 4Υ Α;Β < ] Γ Φ : Κ: < Ο ΑΔϑ Γ 4 : Γϑ ] ;Η : Γϑ ς 9 一 ≅ ς 9< Λ Γ < Η Λ : : Α
ΑΔ: Η : Λ Γ < Η ΧΒ 4 0− , ;< Α4 : : Κ: Γ Χ ΥΔ Β ΑΒ ϑ Ε< ΑΔ :ϑ; ϑ 5 ∴ Δ : < : ] Α: :Δ < ;⊥ Π : ς 4: Κ;Γ ΙΚ: , ϑ;Λ ΥΚ: , : Β < Φ : < ;: < Α ,
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4;Β 4 ΑΒ ΑΔ : Α4 Γ Η;Α;Β < Γ Κ Λ : ΑΔ Β Η ϑ 6: 5  5 Π ϑ ;< Ο ΥΔ Β ΑΒ Λ : Α: 4 , 4 ΓΗ ;Β Λ :Α :4 , ⊥ Π Γ < ΑΒ Λ : Α :4 7 ;< 4 : Υ 4 : ϑ : < ΑΓ Τ
Α;Φ : < : ϑϑ Γ < Η 4 : Υ : Γ ΑΓ Ι ;Κ;ΑΕ 5 ∴ Δ : 4 : ΧΒ 4 : , ;Α ς Γ Υ Υ 4 Β Υ 4 ;ΓΑ : ΧΒ 4 ϑ ΑΠ ΗΕ;吃 ΑΔ : ΥΔ Β ΑΒ ϑ Ε< ΑΔ: Α;: : : Β Υ ΔΕϑ ;Β ΚΒ Ο Τ
;: Γ Κ Υ Δ: < Β Λ : < Β < ;< Α4 : : 0Β 0Π ΚΓ Α;Β < 5
Μ : Ε ]Β 4 Η ϑ 0Δ Β ΑΒ ϑ”ΑΔ : Α;: : ΧΧ: : Α;Φ : 4Γ Η ;Γ Α;Β < , ∴ 4 : : : Γ < Β ΥΕ , 0Δ Β ΑΒ : Δ : Λ; : Γ Κ 4 : Γ : Α;Β < , , : ;< : : >: ϑ Γ ΚΑ
ϑ Β ΚΠ Α;Β < 5
引 言
传统的植物光合生理生态研究中 , 多用照度计来
测定光照指标 , 它以人眼对光亮度的响应特性为基础 ,
与植物叶片对光照的响应曲线差异很大 [’, ‘〕Ζ而太阳光
谱 中只有 ! 9 一 ≅ Β Β< Λ 的波段才是 光合有效辐射
60− , 7 , 因此 , 有人认为在植物光合生理生态研究中应
放弃这种计量系统 [ 5 ‘, ‘〕5 气象学中常用辐射计来测量
光照 , 但它对红外光 、可见光和紫外光的吸收无选择
性 , 而太阳光谱中红外光占 ς9 _以上 , 植物叶片进行
光合作用时主要吸收可见光 , ’ , 显然 , 用该计量系统来
衡量光照指标也不适合光合生理生态研究 5 0− , 的辐
射密度5虽可用光通量来表示 , 但植物的作用光谱曲线
并非是常数 , 它与光合物质的产生无定量关系 , 0− ,
光量子通量密度是建立于爱因斯坦光化学当量定律的
基础上 、能定量地反映植物的光谱量子产量特性的一
种计量系统 , ’ , 它可用单位光量子所产生的光合物质随
光波长的变化来表示 [ϑ, ϑΞ , 最适合植物光合生理生态的
研究 , 国际上 己越来越普遍地采用这种计量系统〔, 一 ‘〕5
美国 .Κ 一 #∗ , 公司产的 . Κ 一 #∗ ,  8 ς⎯ 瞬时光量子 α
光辐射 α光照度计可以在较短的时间内“同时”检测光
照的 种计量指标 , 并有较好的吸收光谱响应曲线和
测量精度” , 是国际公认的尖端科学研究适用仪器.,5 ’」5
然而 , 在实际观测时由于存在太阳视运动和阵风吹动
枝 、叶等影响.Α) , 使高大树冠内的光照水平经常大幅度
变化 , , , 用该仪器测定一次或数次的结果难以反映出真
实的光照分布水平 , 且需要一定的实验条件 , 操作十分
繁琐5 有人曾根据物理化学原理 , 用氢碘酸 、慈苯溶液 、
草酸双氧铀 、孔雀绿无色氛化钠 、硝酸苯甲醛和二苯甲
酮等光敏化学物质作为曝光剂来测量受光水平〔卜 ’Ξ 5
但上述光化学反应物质与植物叶绿素的吸收光谱曲线
相差很大 [’5 βΞ , 其有效吸收 光谱范 围也 与 0− , 不
符 [ 5 , 一川 5 因此 , 这种测定结果在植物光合生理生态研
究中的适用性较差 5 目前 , 这方面的研究尚无新的进
展 5
‘, 陈凯 5    9 5 柑枯高产优质的生态生理条件写适地适栽
优化模式的研究 5 华中农业大学博士学位论文 5
∀ 7⎯ ;Ο Ο ϑ , Ρ 5 Ρ 5  8 β 5 , Γ Η ;Γ Α ;Β < Λ : Γ ϑ Π 4 : Λ : < Α 5 . Κ 一 #∗ ,
%< : 5 .;< : Β ;< , & : Ι 4Γ ϑ > Γ β 8ς 9 ! , + (− , 一 9 5
, 陈凯 5   8! 5 青梅树叶幕光能分布对光合生产和生长 、
结实的效应 5 南京农业大学硕士学位论文 5 一 ! 5
, 国家自然科学基金资助项目 5
本文系陈 凯在华中农业大学的博士学位论文一部分 5
本文于    9 年  ∀ 月  ≅ 日收到 ,     年 ∀ 月 ∀≅ 日改回 5
依据原理
根据光化学反应原理 , 我们筛选出 , :; <: => : 盐[’Ξ
的水溶液作为曝光剂 5 该物质系深红色结晶 , 易溶于 !9
一 ς。℃温水 5 其水溶液有效吸收光谱范 围在 ς9 一
≅ς 9< Λ 之间 , 比 0−, 的光波段指标略宽 5 该物质吸收
光谱特征曲线与树木叶片中叶绿素的吸收光谱特性的
∀ 期 陈 凯等 ?用 , :; <: => : 盐液曝光计检测树冠内的光合有效辐射 ∀  
相符性显著地好于其它一些光化学反应物质〔, 一” Ξ 5
, :; < := >: 盐水溶液曝光后发生下列光化学反应 ?
Δ Φ# 4 6& ∃ ? 7? 6& # ( 7不 万万二全 #4 6& ∃ ? 7? 6& # ( 7 ? 6∃ ? 9 7 χ
月之口
& # ( 一
同时 , 使反应液由深红色逐渐变淡 , 透光率则随之由小
增大5 因此可以根据曝光前后或经过不同的曝光程度
后该反应液的透光率变化推算出不同处理部位所接受
的 0− , 相对水平 5
适宜的使用浓度
经对不同浓度梯度的 , :; < := >: 盐水溶液检测结果
表明 , 以 。5 9 Λ ΒΚ · . 一 ’最理想5 当浓度超过上述指标
的一个数量级时 , 在分光光度计上检测其在 0− , 范围
内的最大吸收值为无穷大 ,说明这种浓度已过大 , 当浓
度降低到 。5 9 9ς 或 Β 5 Β9 Λ ΒΚ · . 一 ’时 ,其有效吸收值
下降到显著低的水平 6图  7 ,难以获得较稳定的检测结
果 , 会加大与树木叶片中叶绿素吸收特征光谱曲线的
差异 5 因此 , 我们确定以 。5 9 ΛΒ 卜 . 一 ’的 , :; <: => : 盐
水溶液作为光化学反应曝光剂5
异 5 据此 , 可选用容积最小者作为光化学反应曝光计5
! 光化学反应稼定性
将装有 9Λ Κ 9 5 Β ΚΛΒ Κ · . 一 ’, : ;< : : > : 盐液的曝光
计在晴天悬挂于裸地 自然光照条件下接受光照半天和
一天后收回 , 立即在分光光度计上检测其吸收光谱特
征曲线 , 并与未经赚光处理的原液比较 6图 ∀7 5 结果表
明 , 经过不 同时间长度曝光处理的反应液的吸收光谱
特征完全一样 , 都在 ς∀ 9< Λ 处有最大的吸收峰5 为此 ,
可选定该特征峰处的波长指标为检测标准 , 将上述
种不 同的反应液在室内暗处静置 β 、 ∀ 、 8 和 ∀! 小时
后再次检测其吸收曲线和特征峰值 ,都没有发生变化5
由此足以证明用 , :; <: => : 盐液作为光化学反应曝光剂
不会发生可逆的化学反应 , 具有很好的化学稳定性 5 此
外 , 经在不同的温度和 0− , 水平的天气条件下检测试
验 , 也同样证明其吸收光谱特性十分稳定可靠 5
次  9 9
图 
波长 ] Γ Φ :一。< Ο 4Δ 6< Β 5 7
不同浓度的 , :; <: = > : 盐液的吸收光谱曲线
图 ∀ 不 同一 光时阿长度的 , :; <: => : 盐液吸收光谱曲线
69 5 9  Λ Β Κ · . 一  7
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一 未 吸光 6原液 7& Β : δ Υ Β ϑ Π 4 : ,  5 曝光 β 小时 ∋ δ Υ Βϑ Π 4 : Η ΧΒ 4
β Δ ,  5 曝光 ∀ 小时 ∋ δ Υ Β ϑ Π 4: Η ΧΒ 4  ∀ Δ 5
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< Ο 5  (Υ := Α 4 Γ Κ ΓΙ ϑ Β 4 ΥΑ ;Β < : Π 4 Φ : ϑ Β Χ , : ;< : : > : ϑ Γ ΚΑ ϑ Β ΚΠ Α ;Β < Γ Α
Η ΚΧΧ: 4 : < Α : Β < : : < Α4 Γ Α ;Β < ϑ 5
 5 9 5 9 Λ Β Κ · . 一 Κ ,  5 9 5 9 9弓Λ Β Κ · . 一 Κ , Κ 5 9 5 9 9  Α< Β Κ · . 一  5
为使曝光计受光面尽可能与树冠叶片受光情况相
符 ,并能简便实用 , 可用普通容量瓶作为光化学反应曝
光计材料 5 主要考虑其圆锥体部分的倾斜角与树冠叶
片的开张角度 6约 ∀。一 ! 9 。7较相近 , 且整个容量瓶在
接受曝光处理时其圆锥体不同部位和方向的受光情况
恰好能代表树冠叶群中处于不同叶位和方向的叶片受
光条件 ,此外 , 容量瓶取材方便 , 价格便宜 , 瓶 口的密封
性能好 ,使用简便 ,存放反应液不会因蒸发而损失 , 也
便于在树冠内任意部位悬挂和进行实验操作 5 经用 9 、
∀ϑ 、 ς 9 和  9 肠Λ Κ等不同容积的容量瓶作为曝光计进行
平行比较试验 , 证明它们之间对实验结果无显著性差
ς 操作步软
用 , :; <: = > : 盐液作为光化学反应曝光计 ,检测树
冠内不同部位 0− , 分布水平的具体做法是 ? 准确称取
5 ς ! ! ≅ Ο , : ;< : : > : 盐晶体 , 用 ! 9 一 ς 9 ℃水溶解 , 冷却后
过滤除去杂质 , 定容至 9 ΒΛ Κ即得 。5 ΒΚ Ω 的曝光剂
原液 5 原液要随配随用 , 在弱光处操作 , 以便消除系统
性实验误差5 将原液先存放在棕色瓶中 , 曝光前分装于
9 Λ Κ容量瓶中至满刻度为止 5 日出前将这些曝光计
6容量瓶 7挂于树冠内各测点上 , 盖紧瓶盖 , 让其自然地
接受一整天的曝光 5 日落后收 回 , 在分光光度计上
ς∀ 9< Λ 处检测各处理曝光后反应液的透光率 , 并以相
同时间内悬挂在裸地上接受自然曝光后的反应液透光
∀∀。 应 用 生 态 学 报 ! 卷
率为 9 _ , 即可推算出树冠内各测点的相对 0− , 指
标6即占全日照 0− , 的百分率工
‘ 优点与局限性
经在实验室匹配稳压电源和人工调控光照强度的
条件下 ,甩 , :; <: => : 盐液赚光计法和 Π 一 #∗ , 8 ς⎯
衰  两种不同方法侧定相对 0− , 结果的比较
光量子计法同时进行平行比较测脸的结果 6表 7 表明
这两种方法所得实验结果无显著差异 , 而且经 ! 种不
同光强处理 、! 次重复测脸结果的变异系数均φ ς_ , 证
明用 , :; < := > : 盐液曝光计法测定的结果具有良好的重
复性 5 因此 , 用这种新方法在树冠内不同高度层次和方
位测定的相对 0− , 指标完全可靠 5
∴5 Ι 5  #Β Λ 种山ΒΠ Β4 4 :ΚΓ +Φ5 Φ 一%Π :ϑ ΒΑ 0− , 5 创5 5 4Η 勿 Α份 Β Η 五44:陀 < Α 5 :ΑΔ Β Η ,
。 5 ‘ 取;< := >: 盐液 5 光计法 Π 一 =Β , 8ς ⎯ 光Α 子计法竺 严 , : ;< := > : ϑ ΓΚΑ ϑ Β ΚΠ Α ;Β < Γ : Α ;< Β Λ : Α: 4 . Κ一 #∗ , 8 ς⎯ ⊥ Π Γ < Α Β Λ : Α : 4Κ 4 :舀Α 4< 吧< Α ——− ⎯ # 1 − ⎯ # 1‘9!口乙九)∗一几‘ 一 !∀#,三口∃⋯八石一七%&∃二 一&∋(%)∗,‘几)甘恤%介+, − .肠 /∗值及差异显著性∗ 0 123 4 1 % 5 6∗ 7 7 68 % 6964 1 % 4 4 : ; 。 ∋ <: ; 。 = :: ; 。 ∋ <: ; 。 ; :: ; 。 > >∋ 。 > < ;2 。 > ? & < > ∃ ? ? = < ∃ & ≅ :; ∃ ∋ ∋ > ∋ ∃ = :< > ∃ ? ? = ; ∃ ∋ Α :; ∃ ? > > & ∃ < ?< > ∃ Α< = < ∃ & ≅ : ; ∃ &∋ > ∋ ∃ & ∋< < ∃ < < = > ∃ Α ∋ : < ∃ ? ; > ∋ ∃ = Α< > ∃ ≅∋ = < ∃ > : : ; ∃ &∋ > ∋ ∃ = =∋ ∃ > =∋ ∋ ∃ ; < : ∋ ∃ < ∋ ? ’ ∋ ∃ ; ; ?∋ ∃ Α <> ∋ 。 = : ≅ & 。 ? &? &。 Α ∋ =。∃ ; ∋ = = , 无显著性差异 Β ∃ 7∃ < >。 Α ?< > 。 ; ≅< > 。 < Α< < 。 < ;< > 。 Α ;∋ 。 <> <∋ 。 ≅Α ≅ =< ∃ ∋ >=< 。 ≅ ;= < ∃ ?Α= < 。 &<= < 。 < ;∋ 。 <> Α∋ ∃ ;Α Α2−ΧΔ又 实际应用中 , 由于高大树冠内枝 、叶分布并非绝对均匀 , 同时存在树冠内光斑跳跃等偶发性干扰因素的影响 , 使采用光量子计检测出的树冠内各位点在不同
时刻的瞬时相对 ΕΦ Γ 值的变异系数很大 ., − Η显著
地大于表 & 的实验结果 / , 因此其测定结果的代表性 、
重复性和可靠性都较差 ∃ 用 Γ 46 %4 Ιϑ 4 盐液化学曝光计
测定检测树冠内相对 ΕΦ Γ 的分布水平则是以各测点
全天可照时间内连续接受的累积 ΕΦ Γ 所引起的光化
学反应为依据 , 反映在测定结果上可以有效地避免瞬
时性偶发因家的干扰 , 因而可以保持与表 & 情况相似
的较小变异系数 , 使检测结果既稳定又可靠 ∃
此外 , 用 Γ 46 加Ιϑ 4 盐液曝光计检测树冠中相对
ΕΦ Γ 的分布水平简便易行 , 工作量小 , 不褥要大量的
贵重仪器设备 ∃ 由于其使用浓度较低 、用量不大 , 成本
也较低 , 在基层科研单位或偏僻的地方没有分光光度
计等实验条件时 , 可以根据反应液颜色变化的深浅与
标准的彩色照片对照比较 , 很快就能作出大致的判断 ∃
可见 , Γ 46 %4 Ιϑ 4 盐液曝光计有其特有的长处和应用价
值∃ 在植物进行光合生产过程中 , 直接决定光合作用光
化学反应速度的因紊是叶片吸收的 ΕΦ Γ 光量子数量 ,
而不是它所获得的太阳光辐射能量Κ>, 习 ∃ 因此 , 用 Γ 46 Χ
%4 Ι ϑ4 盐液嗓光计检测出的光合有效辐射指标更适合
于植物光合生理生态的研究∃ 本研究方法除了适用于
在高大的树冠内测定相对 ΕΦ Γ 分布外 , 还可用于在其
他矮小的植物群体内开展 ΕΦ Γ 相对指标的检测及其
光合生理生态研究 ∃
必须指出 , 采用 Γ 46 %4 Ιϑ 4 盐液曝光计检测的结果 ,
只能提供树冠任意部位在某段时间内所接受的 ΕΦ Γ
的总体相对值 , 并不能提供在某一瞬时的 ΕΦ Γ 绝对
值 , 后一指标必须用 ΕΦ Γ 光量子计检测才能获得 ∃ 在
植物光合生理生态研究中 , 如能把这两种方法结合起
来应用 , 就可以扬长避短 , 取得更好的应用效果 ∃ 此外 ,
本研究所筛选出的 Γ 46 % 4Ι ϑ 4 盐液作为光敏化学物质的
吸收光谱只是与 ΕΦ Γ 大体上一致 , 还有待进一步试验
研究 ,筛选出更适宜的光敏化学试剂 ∃
参考文献
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‘ , 1 ∗ Λ 4 Μ , Ν ∃ Ο ∃ 4 ∗ 1 2∃ & ≅Α ∋ ∃ Π 68Λ ∗ 1 % 5 268 Λ ∗ 6%8 7 Μ 7 ∗ 4 Θ 7 9Ρ Σ
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