第12章藥用植物生態學研究方法
12．2 藥用植物生理生態學研究方法
12．2．1 植物氣體交換的測定
12．2．1．1 測定的意義
植物氣體交換主要是植物葉片與大氣進行的co2和h2o的交換。氣體交換引數包括光合速率、暗呼吸速率、蒸騰速率、氣孔導度與水分利用率。氣體交換是植物最重要的生命活動之一，其研究測定廣泛應用於農業、林業和植物生理及生態等研究領域。
具體地說，氣體交換測定的意義表現在：1）研究植物的生態適應與進化。植物的光合作用等是植物種的特徵，更是植物功能型的特徵，不同的植物以及不同環境下生長的同種植物具有不同的氣體交換特徵；2）判斷植物的光合碳同化途徑。
植物進行光合作用固定co2的途徑主要有c3、c4和cam，它們在pmax（最大淨光合速率）、ci(胞間co2濃度)、光呼吸（後二者沒有）、光和co2補償點與飽和點等光合特徵上明顯不同。通過它們的氣體交換特徵研究及建立判別模型，可以鑑別三類不同光合功能型的植物；3）研究植物的抗逆性及汙染物對植物的危害，如鹽害、凍害、旱害等引起植物的生長發育受阻；另外，大氣中的一些汙染物質等會引起植物的傷害反應，可通過氣體交換研究作出及時診斷；4）遺傳育種和退化生態系統恢復中的先鋒植物篩選。作物在選種時，那些高光合、低光呼吸、低co2補償點和光補償點的植物更適應不良環境，具有高的生產潛力。
同時相關的蒸騰作用、水分利用效率、氣孔導度等也表現出變化，在遺傳育種時或在退化生態系統恢復的先鋒樹種選擇時，篩選那些具有高光合潛力的植物無疑是十分有利的，對一些特徵值的獲得需要進行光合作用的研究；5）全球變化中的植物生理生態學研究。全球變化主要是由co2增加引起的溫室效應，植物對於co2和溫度響應就變得十分重要。而要研究這些反應，就要進行不同的co2和溫度下氣體交換能力的測定，這方面的研究得到了國內外學者普遍的重視。
6）選擇最佳的人工生態調控措施和管理模式，藥用植物選擇最佳的種源，最佳採藥期，最佳的灌水施肥栽植密度等管理模式的選擇，都可以通過氣體交換引數的測定作出科學的早期判斷。(生態人居,生物防火,沿海防護林….)
12．2．1．2測定方法的改進
早期的植物氣體交換測定方法主要在植物光合作用的測定上應用。最初使用方法為半葉法，即使一半葉片照光，一半不照光，然後比較一定時間後的葉片重量的差異。僅僅適於室內少量樣品的測定，資料粗糙且變異較大，需要配套儀器測定並手工記錄環境引數（光照、溫度、濕度等）。
約在20世紀40年代發展了氣流法，即通過測定流入、流出葉室（含植物樣品）氣流的co2濃度差而計算光合速率，但對co2變化量的測定用酸鹼滴定法，比較費時費力。
從20世紀50年代開始，紅外co2氣體分析儀法（或光合作用測定儀法）得到充分發展，但植物葉室（或樣品室）與紅外分析儀分離不易攜帶。這些方法因儀器笨重（體積與重量較大）或輔助器較多或適應範圍限制（如受交流電源限制）等因素，不能夠對大範圍內的大量植物快速測定。
近年來，國際上開發了可攜式的光合作用測定系統，則在測定速度、精度、適應範圍、資料的自動記錄與貯存等方面做了革新，成為非常流行的光合作用研究儀器。這些新開發的光合作用測定系統可同時測定：光合作用（pn）、蒸騰作用（e）、氣孔導度（gs）、胞間co2濃度（ci）、暗呼吸作用（rd）、水分利用效率（wue）等，並可以在野外自然狀況下控制葉室內的環境條件，測定植物葉片的氣體交換引數及其葉溫、氣溫、相對濕度、光照強度、co2濃度等生態因子引數，測定光合作用的日變化季節變化曲線，光合作用-光響應曲線，光合作用-co2響應曲線，研究植物葉片的氣體交換引數與生態因子引數間的關係。
12．2．1．3 現代常用的儀器裝置及基本原理
現在國內外常用的測定植物氣體交換的儀器裝置主要有美國li-cor公司li-6400可攜式光合測定儀（如圖12．1），該儀器在國內已有300多台，由基因******銷售和售後服務。英國adc公司的ldclci超輕型光合作用測定儀；英國adc公司的ldclcprot可攜式光合作用/蒸騰測定系統，該儀器在國內上海澤泉科技****負責銷售和售後服務。德國walz公司生產的可攜式光合作用--螢光測定系統--gfs—3000。
這些儀器的基本原理是一致的。
植物與大氣進行氣體交換的過程中，引起葉室內co2和h2o的濃度發生變化。co2和h2o可以吸收特定波段的紅外輻射（ir），不同濃度的co2和h2o紅外線的吸收強度不同，紅外線通過co2和h2o後能量會發生損耗，其能量的損耗多少與co2和h2o變化緊密相關。紅外線通過co2和h2o能量的變化，經電容器接收後，能轉變為可以反映co2和h2o變化的電訊號，進而根據儀器的氣體流速、葉面積等計算光合速率（暗呼吸速率）與蒸騰速率，氣孔導度和胞間co2濃度等則可通過對蒸騰速率的計算獲得。
在記錄光合速率（pn）、蒸騰速率（e）、氣孔導度（gs）、胞間co2濃度（ci）、暗呼吸速率（rd）等生理生態引數的瞬間，葉室內的各種感應器同時記錄下了葉溫、氣溫、相對濕度、光照強度、co2濃度等生態因子引數。
12．2．1．4主要操作過程及注意事項（以li-6400為例）
（1）電池充電
測定前將4塊電池充足電；將電池與充電器連線，插上電源後，電源指示燈和充電指示燈亮，當電池充足電後，充電指示燈熄滅，切斷電源，充電完成。
（2）準備新鮮的鹼石灰（soda lime）、乾燥劑(desiccant)和co2鋼瓶
在校正不能接近0時，則應更換鹼石灰和乾燥劑。乾燥劑在乾燥時為藍色，吸水後變為粉紅色，如果有一半以上變為粉紅色，則應更換。co2鋼瓶，只在需要控制co2濃度時使用。
（3）連線
1）連線電池和主機。2）連線葉室和主機。在連線葉室和主機時注意葉室側和主機側的sample和reference相對應，有黑色膠帶的介面對應sample側。
3）連線進氣管：在li-6400的主機與葉室和分析儀連線好後，需要在主機的進氣口連線好進氣管和緩衝瓶。在野外的條件下，可以利用2公升以上的可樂瓶，在瓶蓋上打兩個與進氣管直徑相同的孔洞，並把進氣管通過乙個孔洞通入瓶子的底部。
這種做法基本上可以保證光合速率、co2濃度的穩定性。如果在室內或溫室做實驗的時候，由於室內的co2濃度明顯偏高，一般大氣co2濃度在390μmol·mol-1左右，而室內有的時候可以高達500-1000μmol·mol-1，這是由於空氣不流通造成的，大的濃度伴隨人為影響造成的大的濃度波動，將會造成系統濃度波動掩蓋了實際的光合速率的變化，在這種情況下，需要製作更大的緩衝，例如大的箱體和空氣袋。注意：
不能採取把進氣管放到室外而機器在室內進行實驗的方法，因為這樣會導致葉室內co2濃度大大低於葉室外（房間內）的co2濃度，同時也會產生溫度的較大差異，這樣可能會造成比較明顯的洩露和波動性。
(4)啟動儀器
在主機右側中部有乙個黑色按紐開關，在連線好機器硬體後（即把光合儀主機和分析儀葉室連線起來後），確認電池連線好並且電量充足的情況下，即可按此按鈕開啟機器開關。
機器提示chamber（葉室）和irga（紅外線氣體分析儀）是否連線好？確認連線好後，按主機鍵盤上的字母「y」確認即可進入系統主選單(如圖12．2)。從顯示上可以看到，第一行是li-6400光合儀的名稱，第二行是系統版本，第三行是使用者儲存空間已經使用的百分比，如果超過60％，則在測定前將資料轉入計算機，刪除檔案，清空**站，以確保有足夠的記憶體空間。
第四行顯示的是當前時間和電池電壓，如果時間設定不準確，可能影響對資料測量時間的確定。具體設定方法是在應用選單中選擇「set time and data」，按提示即可設定。充足電時，電池電壓為12．4v，電壓在10．8v以下時，儀器會報警，應及時更換電池。
第五行顯示的是作業系統主選單。包括歡迎選單welcome menu、配置選單config menu、校準選單calib menu、測量選單new msmnts和應用選單utility menu五個主選單。進入配置選單configuration menu，可選擇光源，葉室等。
(5)校正
由於周圍環境條件的變化，儀器的零點會發生變化。測定前必須完成流量調零和irga(co2，h2o)調零。首先進行流量調零。
在校準選單calib menu(f3)下，首先選擇」flow meter zero」後，流量計將關閉，約10秒後，流量訊號在1mv以內時（如果流量訊號過大或過小，可通過「adjust↑」與「adjust↓」鍵上調或下調），選擇f5(ok)，按esc鍵返回校正選單。再進行irga(co2，h2o)調零。按「irga zero」，開始irga(co2，h2o)調零，之前應關閉葉室並保持葉室內不夾葉片，而且讓氣流從鹼石灰和乾燥劑中通過（將soda lime，desiccant逆時針擰到scrub側），選擇「y」，等待co2r，co2s，h2or，h2os穩定調零（至少要等15分鐘，一般等20-30分鐘，如果難以調零，則要更換鹼石灰和乾燥劑），選擇」autoall」鍵，co2r，co2s，h2or，h2os全部穩定調零，按quit返回校正選單。
校正完成後，關閉鹼石灰和乾燥劑開關（將soda lime，desiccant順時針擰到by pass側）。
（6）環境控制
進入測量選單new msmnts，可對流量（flow），co2濃度（mixer），溫度（temp），光照強度進行控制。
流量控制：一般情況下，流量控制意義不大，原則是在光合比較弱的情況下，可以把流量設得小一點以降低波動造成的誤差，而在光合比較強的情況下，可以把流量調得大一些。預設條件下，流量為500μmol·s-1。
按功能鍵f2進入流量控制。選擇「flow rate」菜單行並繼續輸入流量數值（li-6400的流量控制範圍是0-700μmol·s-1）。
co2濃度控制：co2濃度的控制對於光合作用方面的研究非常重要。例如，我們可以通過a-ci曲線來研究植物一些重要的生理指標，如co2補償點、co2飽和點、羧化效率等，也可以通過控制co2濃度來提高測量準確性，降低誤差。
具體的方法如下：首先在校準選單下進行co2 mixer calibration。在測量選單下，按f3（mixer off）功能鍵進入co2濃度控制選單。
選擇其中ref co2 400μmol·mol-1一行後回車。並在彈出視窗中輸入需要控制的co2濃度。回車後在該控制選單的左面出現乙個*號，直到控制的濃度完全達到後*號就會消失。
這時葉室內co2濃度就與輸入的濃度值相同了。
溫度控制：溫度的控制對於光合研究也至關重要。具體的控制方法是在測量選單下，按功能鍵f4（temp off）進入溫度控制，選擇block temp 20．0℃菜單行後回車。
輸入需要控制的溫度後回車就可以了。
光強控制：光強對於光合速率影響非常大，按功能鍵f5(lamp off)進入光強控制。選擇quantum flux一行後回車，繼續輸入需要設定的光強即可把光強控制到相應的光合有效輻射強度了。
濕度的控制：通過調節乾燥劑開關可控制葉室內的濕度。
以上環境條件可以根據實際工作的需要來進行控制。在設定好環境條件後，夾上植物葉片等待穩定後即可測定記錄資料了。
藥用植物生態學複習題
1.什麼是環境 環境因子 包括哪些方面？答 環境既包括以空氣 水 土地 植物 動物等為內容的物質因素，也包括以觀念 制度 行為準則等為內容的非物質因素 既包括自然因素，也包括社會因素 既包括非生命體形式，也包括生命體形式。環境是相對於某個主體而言的，主體不同，環境的大小 內容等也就不同。環境因子具有...
稀缺藥用植物資源的利用和開發
植物是人類生存和發展的物質基礎之一。隨著現代工業和人類社會的發展，人口不斷膨脹，世界將面臨越來越嚴重的資源 糧食 能源 人口 環境五大難題，並且已成為制約經濟發展的重要因素。這五大難題和資源豐都存在密切關係，尤其是和作為人類生存和發展物質基礎的生態系統第一生產者的植物密不可分。由於生態的破壞和片段化...
藥用植物在園林景觀綠化中的應用
關鍵詞 藥用植物 園林綠化 應用 引言 自古以來，藥用植物與園林景觀就有密不可分的聯絡，人類很早以前就開始了對藥物植物的利用。藥用植物在園林植物中有其豐富的資源優勢和獨特的實用功能和觀賞價值，人們可以通過對其適宜栽培條件和繁殖技術的研究，擴大新穎 奇特觀賞植物的品種範圍 在現代園林綠化中合理利用藥用...