光合有效辐射的度量-光量子计

在针对植物生长的研究中,对光强的度量存在光度量、能量度量和量子度量3种标准,由于历史原因对3者存在一定程度的混用。3种度量标准对应光在不同过程中不同的作用机制和作用效果,应根据研究的对象加以区别。

植物生长依赖光合作用的运行,研究各种生态因子对植物生长的影响应从光合机理入手。光照为光合作用提供能量动力。自1960年Hill对光合作用提出双光系统(PSⅠ,PSⅡ)概念以来,光能在光合系统中的吸收和传递过程逐渐明晰。能够被植物吸收用于推动光合作用的光辐射称为光合有效辐射(PAR,photosynthetically active radiation),光合有效辐射波段普遍采用McCree建议的400~700 nm。光合有效辐射记录仪就能很好的测定光合有效辐射的强度。

光合作用对光照的依赖关系,首先表现为受光照强度的影响。以往对光强的度量,多采用光度量和能量度量,分别以光照度(单位lx)和辐射照度(单位W·m-2)表征。目前广泛使用的光合有效辐射计给出的是能量度量的结果。下面对这2种度量标准和光对植物的作用机理进行分析,以期获得合理的标准度量光合作用中的光强。

光度量依赖于人眼对光的响应。光辐射进入人眼产生视觉,人眼对不同波长的光辐射敏感程度不同,响应曲线(见图1),用视见函数V(λ)定量,以视见函数为基础对光辐射的视觉强弱进行度量就是光度量。人眼对光辐射响应的波长范围(可见光波段)为380~780 nm。视见函数V(λ)与光合作用毫无关系,因此,光度量不适用于光合光强度量。

采用能量度量便于对光能和光合产物的能量进行比较,从而进行能量平衡的研究。但从光合机理上讲,光合作用中PSⅠ和PSⅡ的反应中心叶绿素分别只吸收波长为700 nm和680 nm的光量子,天线色素吸收的光经过传递都要转化成这2种波长的光量子才能用于推动光合作用,因此光是以量子形式参与光合反应的。不同波长的光量子所含能量不同,因此能量度量不能准确反应光对植物的生理效用,而以光量子数目度量则使光强直接与光合速率相关,光强大小直接对应光合速率大小,具有明显的植物生理学意义。量子度量以光合有效量子通量密度(PPFD,photosynthet-ic photon flux density,单位μmol·m-2·s-1)表征光强,McCree的研究表明,在各种光谱结构很不相同的光源照射下,叶片光合速率和光合有效量子通量密度的比值彼此差异最小。

目前量子度量标准得到广泛推广,但采用光度量标准和能量度量标准的研究由来已久,为有效利用前人的工作成果,避免重复劳动,有必要探索3种度量的转换关系,以实现新旧标准下结果的比较。在得到3种度量转换关系的情况下,各种光量子计的功能也必然得到扩展,有利于相关实验开展。