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素能提升課3　植物光合速率和呼吸速率的關系及測定
第5章　細胞的能量供應和利用
1．表示方法及相互關系
(1)細胞呼吸速率：植物非綠色組織(如蘋果果肉細胞)或綠色組織在黑暗條件下測得的值——單位時間內一定量組織的CO2釋放量或O2吸收量。
(2)凈光合速率：植物綠色組織在有光條件下測得的值——單位時間內一定量葉面積所吸收的CO2量或釋放的O2量。
(3)真正光合速率＝凈光合速率＋細胞呼吸速率。
提升點1　光合速率和呼吸速率的關系
2．判定方法
(1)根據坐標曲線判定
①當光照強度為0時，若CO2吸收值為負值，該值的絕對值代表細胞呼吸速率，該曲線代表凈光合速率，如圖甲。
②當光照強度為0時，光合速率也為0，該曲線代表真正光合速率，如圖乙。
(2)根據葉綠體與線粒體之間氣體交換圖判斷
(3)根據關鍵詞判定
檢測指標 細胞呼吸速率 凈光合速率 真正(總)光合速率
CO2 釋放量(黑暗) 吸收量 利用量、固定量、消耗量
O2 吸收量(黑暗) 釋放量 產生量
有機物 消耗量(黑暗) 積累量 制造量、產生量
(4)根據實驗條件判定
實驗結果所給數值若為黑暗條件下綠色植物的測定值，則為呼吸速率；若所給數值為有光條件下綠色植物的測定值，則為凈光合速率。
1．用某種大小相似的綠色植物葉片，分組進行光合作用實驗：已知葉片實驗前重量，在不同溫度下分別暗處理1 h，測其重量變化，再立即光照1 h(光照強度相同)，測其重量變化，得到如下表所示結果。僅考慮表中的四個溫度，下列相關敘述錯誤的是(　　)
組別 甲 乙 丙 丁
溫度/℃ 27 28 29 30
暗處理后重量變化/mg －1 －2 －3 －1
光照后與暗處理前相比重量變化/mg ＋3 ＋3 ＋3 ＋1
A．27 ℃與30 ℃時，該植物的真正光合速率不相同
B．若每天光照12 h，該植物在29 ℃條件下不能正常生長
C．該植物在28 ℃時，光照1 h能制造7 mg有機物
D．溫度可通過影響酶的活性來影響細胞的光合速率
√
B　[暗處理1 h后重量減少量，即為其每小時的呼吸速率；光照1 h后與暗處理前相比重量變化＝每小時總光合速率－2×每小時呼吸速率，27 ℃該植物的真正光合速率(即每小時總光合速率)＝3＋2×1＝5；30 ℃該植物的真正光合速率(即每小時總光合速率)＝1＋2×1＝3，即27 ℃與30 ℃時，該植物的真正光合速率不相同，A正確。該植物在29 ℃條件下每小時總光合速率＝3＋2×3＝9，每小時的呼吸速率＝3，若每天光照12小時，則一天的凈光合量＝一天總光合量－一天呼吸量＝12×每小時總光合速率－24×每小時的呼吸速率＝12×9－24×3＝36，由于一天的凈光合量大于0，說明植物可以積累有機物，可以正常生長，B錯誤。該植物在28 ℃條件下每小時總光合速率＝3＋2×2＝7，即其光照1 h能制造7 mg有機物，C正確。植物光合速率需要酶的催化，溫度會影響酶活性，進而影響細胞的光合速率，D正確。]
2．葡萄和草莓都是人們喜愛的水果，如圖表示25 ℃時，葡萄和草莓在不同光照強度下CO2吸收量的變化曲線。據圖回答以下問題：
(1)據圖可知，__________更應該種植在陽光充足的地方，在M點對應條件下，葡萄的真正光合速率為________________(用CO2吸收量表示)。已知葡萄光合作用和細胞呼吸的最適溫度分別是25 ℃和
30 ℃，若將環境溫度由25 ℃改變為30 ℃，其他條件不變，則P點向________移動，M點向________移動。
葡萄
10 mg·m-2·h-1
右
左下
(2)在25 ℃的環境中，若白天和黑夜的時間各為12 h，白天平均光照強度為Y klx，則草莓一天中單位面積葉片積累的葡萄糖約為________mg。(保留小數點后兩位)
(3)在草莓的大棚種植中，若要提高草莓的產量，則可以采取的措施是_________________________________________________(答出2點即可)。
40.91
適當增加光照時間、增施有機肥、夜間適當降低溫度
[解析]　(1)據題圖可知，X是草莓的光補償點，此時光合作用與呼吸作用強度相等，N點是草莓的光飽和點，與草莓相比，葡萄的光補償點和飽和點都比草莓的高，因此葡萄可能是陽生植物，草莓可能是陰生植物。故葡萄更應該種植在陽光充足的地方。植物的真正光合速率＝呼吸速率＋凈光合作用速率，故在M點對應條件下，葡萄的真正光合速率＝葡萄的呼吸速率＋葡萄的凈光合作用速率＝2＋8＝10 mg·m-2·h-1。P點表示呼吸速率與光合速率相同，若將環境溫度改變為30 ℃，細胞呼吸速率增加，需要更強的光照才能達到CO2吸收量平衡，所以P點將右移，M點向左下移動。
(2)據題圖可知，草莓的呼吸速率為1 mg·m-2·h-1，凈光合作用速率為
6 mg·m-2·h-1，白天和黑夜的時間各為12 h，白天平均光照強度在Y klx，則草莓一天的CO2吸收量＝12×6－12×1＝60 mg，根據光合作用的總反應式可知，消耗6 mol CO2會產生1 mol葡萄糖，則草莓一天中單位面積葉片積累的葡萄糖約為(180×60)/(6×44)＝40.91 mg。(3)適當增加光照時間來增加光合作用合成有機物的量，增施有機肥增加CO2濃度來提高光合作用強度從而提高有機物的合成量，夜間適當降低溫度以降低呼吸速率，減少有機物的消耗量，故這些措施均可提高草莓的產量。
1．裝置中溶液的作用
在測細胞呼吸速率時，NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在測凈光合速率時，NaHCO3溶液可提供CO2，保證容器內CO2濃度的恒定。
提升點2　植物光合速率與呼吸速率的測定
2．測定原理
(1)在黑暗條件下甲裝置中的植物只進行細胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了細胞呼吸產生的CO2，所以單位時間內紅色液滴左移的距離表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。
(2)在光照條件下乙裝置中的植物進行光合作用和細胞呼吸，由于NaHCO3溶液保證了容器內CO2濃度的恒定，所以單位時間內紅色液滴右移的距離表示植物的O2釋放速率，可代表凈光合速率。
(3)真正光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率。
3．測定方法
(1)將植物(甲裝置)置于黑暗中一定時間，記錄紅色液滴移動的距離，計算呼吸速率。
(2)將同一植物(乙裝置)置于光下一定時間，記錄紅色液滴移動的距離，計算凈光合速率。
(3)根據呼吸速率和凈光合速率可計算得到真正光合速率。
4．物理誤差的校正
為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應設置對照實驗，即用死亡的綠色植物分別進行上述實驗，根據紅色液滴的移動距離對原實驗結果進行校正。
3．圖示實驗裝置是研究環境因素對植物光合作用影響的經典裝置。下列對實驗過程中裝置條件及實驗結果的敘述錯誤的是(　　)
A．為了實驗的準確性，應設置一組容器內放置一盆等體積死植株的對照組
B．若X溶液為CO2緩沖液，液滴移動距離可表
示植株的凈光合強度
C．若X溶液為CO2緩沖液并遮光處理，液滴移
動距離可表示植株的有氧呼吸強度
D．若X溶液為NaOH溶液并將植株換為消毒的萌發種子，則該裝置可用來判斷種子的呼吸方式
√
D　[為了實驗的準確性，應設置一組容器內放置一盆等體積死植株的對照組，排除環境因素(如氣壓、氣溫等)對實驗的影響，A正確；若X溶液為CO2緩沖液，瓶內O2的增加會導致液滴移動，且液滴移動的距離表示的是植株的凈光合強度(O2的釋放速率)，B正確；若X溶液為CO2緩沖液并遮光處理，則此時植株不能進行光合作用、只能進行呼吸作用，有氧呼吸消耗O2，產生等量的CO2被緩沖液吸收，即O2的減少會導致液滴左移，故液滴移動距離可表示植株的有氧呼吸強度，C正確；若X溶液為NaOH溶液并將植株換為消毒的萌發種子，此時液滴移動距離僅表示種子呼吸時吸收O2的量，但無法判斷種子具體的呼吸方式，D錯誤。]
4．圖1中的甲表示光照強度對凈光合速率的影響曲線圖，圖1中的乙表示溫度對凈光合速率和呼吸速率的影響曲線圖，圖2表示探究與光合作用相關的實驗裝置示意圖。據圖回答下列問題。
(1)據圖1可知，在相應的溫度條件下，蘋果樹幼苗的呼吸速率_____ (填“大于”“等于”或“小于”)梨樹幼苗的呼吸速率，光照強度大于b時，限制光合速率的主要環境因素是___________________。一般條件下，蘋果樹幼苗生長速率大于梨樹幼苗，原因是___________________________________________________________________。
小于
溫度和CO2濃度
相同光照
強度下，蘋果樹幼苗吸收CO2的速率(或凈光合速率)大于梨樹幼苗
(2)據圖1中的乙分析，最適合植物生長的溫度是_________，溫度從30 ℃升至35 ℃后，植物的呼吸速率、實際光合速率和生長速率的變化情況：_____________________。
25 ℃
升高、不變、降低
(3)利用圖2所示的裝置_________(填“能”或“不能”)一次測定出植株的實際光合速率。假設CO2濃度改變不影響呼吸速率，用該裝置可以驗證適宜濃度的CO2范圍內，隨著CO2濃度的升高光合速率逐漸增大，請簡述實驗處理方法及實驗結果： ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
處理方法：用圖中的
不能
裝置設置A、B、C三組，裝置內NaHCO3溶液的濃度適宜且大小為A>B>C，其他條件適宜且相同，一段時間后測定裝置內的氣體增加量；實驗結果：氣體增加量的大小關系為A>B>C
[解析]　(1)圖1甲中坐標曲線的起點表示呼吸速率，起點越靠下說明呼吸速率越大，據圖可知，蘋果樹幼苗的呼吸速率小于梨樹幼苗。當光照強度大于b時，限制光合速率的主要環境因素是溫度和CO2濃度。植物的生長速率取決于凈光合速率，從圖1甲中可以看出，相同光照強度下，蘋果樹幼苗吸收CO2的速率(或凈光合速率)大于梨樹幼苗，所以蘋果樹幼苗的生長速率大于梨樹幼苗。
(2)據圖1中的乙可知，在25 ℃時植物的凈光合速率最大，所以該溫度下植物生長速率最快。實線表示呼吸速率，虛線表示凈光合速率，二者之和為實際光合速率，所以溫度從30 ℃升至35 ℃后，植物的呼吸速率、實際光合速率和生長速率的變化情況為升高、不變、降低。(3)由于實際光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率，但在光照下植物同時進行光合作用和細胞呼吸，所以用圖2所示的裝置不能一次測定出植株的實際光合速率。裝置中的NaHCO3溶液的濃度大小可以調整CO2濃度，所以用該裝置可以驗證適宜濃度的CO2范圍內，隨著CO2濃度的升高光合速率逐漸增大，具體操作方法及實驗結果如下：
處理方法：用圖中的裝置設置A、B、C三組，裝置內NaHCO3溶液的濃度適宜且大小為A>B>C(模擬CO2濃度的不同)，其他條件適宜且相同，一段時間后測定裝置內的氣體(O2)增加量；實驗結果：氣體增加量的大小關系為A>B>C。

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