易任远 曾 峰

（1.湖南师范大学附属中学 湖南长沙 410006）

（2.湖南省教育科学研究院 湖南长沙 410005）

1 前言

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》要求开展的实验，也是人教社2019年版生物学《必修1·分子与细胞》中第五章第四节的内容。教材中的方案将装有叶圆片的烧杯放在强、中、弱3种光照下，比较同一时间段内各烧杯中叶圆片浮起的数量。在实际操作过程中，强光照下的两组叶圆片尽管所在的烧杯有一定的距离，浮起的时间段也会非常集中，而中、弱光照下，离光源越远的叶圆片浮起的越晚。这个现象引起了笔者的注意，于是和学生一起用量化分析、数学建模的方法，进行了以下实验，对这一现象进行了深度探究。

2 材料与方法

2.1 材料和试剂

菜市场购买的红薯叶、质量分数为2%的碳酸氢钠溶液。

2.2 仪器

100 W白炽台灯、数字照度计、Li-6400便携式光合作用测量系统、计时器、打孔器、20 mL注射器、50 mL烧杯。

2.3 方法

2.3.1 光合曲线的绘制

实验室温为22℃。取12个50 mL烧杯，各加入20 mL质量分数为2%的碳酸氢钠溶液，如果烧杯规格不一，应配平至同一高度。打开台灯，将盛有碳酸氢钠溶液的烧杯放在照度计上，找到光照强度为6 250、5 800、4 500、3 500、3 000、2 500、2 000、1 500、1 300、1 000、800、0 lx的点，并用标签纸做好标记，将烧杯放在上面，注意避免烧杯前后的阴影遮挡，然后关闭台灯。用直径为6 mm的打孔器在生长旺盛的红薯叶上打出72个叶圆片，尽量避开叶脉。将叶圆片分批置于20 mL注射器内，吸入蒸馏水后，用手指堵住注射器前端的小孔并拉动活塞，使叶圆片内的气体溢出，重复2～3次，使叶圆片全部沉到水底。将叶圆片放入盛有碳酸氢钠溶液的烧杯中，每个烧杯放6片。打开台灯的同时，用计时器开始计时，记录每一个叶圆片从烧杯底部浮起到液面需要的时长。记录完成后，求出每个烧杯中6个叶圆片浮起需要的平均时长。因为净光合速率越快，叶圆片积累氧气的速率越快，叶圆片浮起的时长也就越短，因此净光合速率和浮起时长成反比关系，可以用浮起时长的倒数体现净光合速率。最后以光照强度为横坐标，平均浮起时长的倒数为纵坐标，绘制出光合曲线，计算光饱和点，再对饱和点前段的线性区间进行线性拟合，计算出光补偿点。2.3.2 光饱和点和光补偿点的检验

选取生长旺盛的红薯枝条，插在水中。用便携式光合作用测量系统的传感器夹住其中的一片叶子。待气孔导度、光合速率等数值稳定后，设置程序，测量室温和大气二氧化碳浓度下红薯叶的光补偿点和光饱和点（图1）。然后与叶圆片法测算的数据进行比较分析。

3 结果与分析

3.1 光合曲线的绘制

表1为不同光照强度下叶圆片浮起时间的测量结果。其中对照组0 lx的烧杯中无叶圆片浮起，说明叶圆片的浮起并不是由呼吸作用积累的二氧化碳导致。光照强度和净光合速率做出的光合曲线为图2，可以得出光饱和点在5 000 lx左右。对800～2 500 lx之间光照强度的净光合速率进行线性拟合，其表达式为y=0.000 9x-0.205 2，线性系数R=0.992 02，线性关系较好。设y=0，可以计算出光补偿点约为278 lx。

表1 不同光照强度下叶圆片的浮起时间

3.2 光饱和点和光补偿点的检验

用便携式光合作用测量系统测得红薯叶光补偿点为4.18 μmol/（m2·s），光饱和点为744.04 μmol/（m2·s）。μmol/（m2·s）是光量子通量密度的单位，是单位时间照射于光合作用表面的有效辐射（400～700 nm）的光量子数。根据林植芳等的白炽灯光照强度和光量子通量密度换算公式得出，测得的红薯叶光补偿点为177 lx，饱和点为309 50 lx。叶圆片法得出的结果和测得的结果相比，光补偿点相接近，但叶圆片法的光补偿点偏大；光饱和点差距较大，叶圆片法的光饱和点远小于光合作用测量系统测得数据。

3.3 结果差异的分析

造成这一差异的原因主要是两种方法的二氧化碳来源不同。菜市场购买的红薯叶已经离体一段时间，用便携式光合作用测量系统测得其气孔导度仅为0.01 mol H2O/（m2·s），基本处于关闭的状态，其原因是叶片缺水，脱落酸的浓度升高，导致了气孔关闭。再制成叶圆片，抽去气体，放入碳酸氢钠溶液后，碳酸氢钠只能通过叶圆片切口处的细胞间隙进入植物细胞，再由植物细胞内含有的碳酸酐酶将碳酸氢根离子转化为二氧化碳，供叶圆片进行光合作用。

用便携式光合作用测量系统测量光补偿点和光饱和点前，先要将红薯枝条插在水中培养一段时间。由于测量系统是通过探测二氧化碳的消耗量来计算光合速率，因此需要等气孔导度、光合速率等数值稳定后才能开始测量。在这个过程中,红薯叶通过吸水降低脱落酸浓度，逐渐解除了脱落酸的影响，最终气孔导度稳定在了0.35 mol H2O/（m2·s）左右。通过气孔直接吸收大气中的二氧化碳显然比通过碳酸酐酶将渗入细胞间隙的碳酸氢根转换成二氧化碳再吸收要快很多，因此叶圆片法中叶肉细胞的能利用的二氧化碳浓度相对于测量系统测量要低很多。在二氧化碳浓度尚未达到二氧化碳饱和点前，如果二氧化碳浓度升高，则暗反应所能达到的最大速率增大，消耗NADPH和ATP增多。此时，需要更强的光照才能与最大的暗反应速率实现同步，即能吸收更强的光照达到一个更大的光合速率，因此光饱和点向右移动。而呼吸作用强度并不受光照强度影响，所以较低光照强度就能达到与呼吸速率相等，光补偿点左移。

4 讨论

红薯叶是南方常见的蔬菜，叶子的质地较菠菜更硬，更适合打孔。笔者曾尝试过用更高浓度的碳酸氢钠，但碳酸氢钠质量浓度达到4%时，因为溶液密度与叶圆片密度相近，叶圆片无法沉到溶液底部，这与谭洁敏等的结果一致；也尝试过用稀释的无糖碳酸饮料作为二氧化碳来源，但在0 lx的黑暗条件下，叶圆片因为碳酸分解形成的二氧化碳附着在表面上而浮起，影响了实验结果。还尝试过直接利用水中的二氧化碳的沉水植物，如黑藻、苦草、眼子菜等作为实验材料，通过排水法测量不同光强下氧气的产生量。虽然也可以拟合出光合曲线。算出光补偿点和饱和点，但这个方法至少需要1 h才能出现明显的、可供分析的现象，而且也没有专用于研究水生植物光合特性的水下调制荧光仪进行验证。

本实验中叶圆片法和便携式光合作用测量系统测量法相比，需要通过记录每一个叶圆片的浮起时长，求出均值，然后进行拟合，消减简陋条件带来的误差。叶圆片法实验成本低，，而光合测量系统则成本较高。因此用叶圆片法绘制光合曲线，测算光饱和点和光补偿点适合在高中生物实验中因陋就简地开展。就结果来说，两种方法测得的光补偿点相接近，但饱和点差异较大。如果教师能将有差异的结果展示给学生，以气孔导度、二氧化碳来源的差异作为线索，引导学生通过小组讨论进行分析推理、归纳表达，教师再对学生表达的内容进行评价。学生可以在这个过程中进一步加深环境因素对光合作用强度影响的理解，培养归纳概括、逻辑推理的科学思维，进一步发展生物学学科核心素养。

本研究通过量化光照强度，对叶圆片的浮起时长定量分析，以叶圆片浮起时长的倒数代表净光合速率，再通过数学建模绘制出光合曲线，可以得出在一定范围内，红薯叶圆片的光合速率随光照强度的增强而加快的结论。教师将定量分析引入实验中，有助于学生在真实情境下对光合曲线、光饱和点和光补偿点等重要概念的构建，完成对光合作用中物质与能量观的理解和迁移。