光合有效輻射的度量-光量子計

在針對植物生長的研究中,對光強的度量存在光度量、能量度量和量子度量3種標準,由于歷史原因對3者存在一定程度的混用。3種度量標準對應光在不同過程中不同的作用機制和作用效果,應根據研究的對象加以區別。

植物生長依賴光合作用的運行,研究各種生態因子對植物生長的影響應從光合機理入手。光照為光合作用提供能量動力。自1960年Hill對光合作用提出雙光系統(PSⅠ,PSⅡ)概念以來,光能在光合系統中的吸收和傳遞過程逐漸明晰。能夠被植物吸收用于推動光合作用的光輻射稱為光合有效輻射(PAR,photosynthetically active radiation),光合有效輻射波段普遍采用McCree建議的400~700 nm。光合有效輻射記錄儀就能很好的測定光合有效輻射的強度。

光合作用對光照的依賴關系,首先表現為受光照強度的影響。以往對光強的度量,多采用光度量和能量度量,分別以光照度(單位lx)和輻射照度(單位W·m-2)表征。目前廣泛使用的光合有效輻射計給出的是能量度量的結果。下面對這2種度量標準和光對植物的作用機理進行分析,以期獲得合理的標準度量光合作用中的光強。

光度量依賴于人眼對光的響應。光輻射進入人眼產生視覺,人眼對不同波長的光輻射敏感程度不同,響應曲線(見圖1),用視見函數V(λ)定量,以視見函數為基礎對光輻射的視覺強弱進行度量就是光度量。人眼對光輻射響應的波長范圍(可見光波段)為380~780 nm。視見函數V(λ)與光合作用毫無關系,因此,光度量不適用于光合光強度量。

采用能量度量便于對光能和光合產物的能量進行比較,從而進行能量平衡的研究。但從光合機理上講,光合作用中PSⅠ和PSⅡ的反應中心葉綠素分別只吸收波長為700 nm和680 nm的光量子,天線色素吸收的光經過傳遞都要轉化成這2種波長的光量子才能用于推動光合作用,因此光是以量子形式參與光合反應的。不同波長的光量子所含能量不同,因此能量度量不能準確反應光對植物的生理效用,而以光量子數目度量則使光強直接與光合速率相關,光強大小直接對應光合速率大小,具有明顯的植物生理學意義。量子度量以光合有效量子通量密度(PPFD,photosynthet-ic photon flux density,單位μmol·m-2·s-1)表征光強,McCree的研究表明,在各種光譜結構很不相同的光源照射下,葉片光合速率和光合有效量子通量密度的比值彼此差異最小。

目前量子度量標準得到廣泛推廣,但采用光度量標準和能量度量標準的研究由來已久,為有效利用前人的工作成果,避免重復勞動,有必要探索3種度量的轉換關系,以實現新舊標準下結果的比較。在得到3種度量轉換關系的情況下,各種光量子計的功能也必然得到擴展,有利于相關實驗開展。