查缺补漏 | 2.4 净光合作用速率和总光合作用速率及相关计算

提纲

核心点拨

1．呼吸速率、总(真正)光合速率与表观光合速率的关系的确认

(1)光合作用速率表示方法：通常以一定时间内CO₂等原料的消耗量或O₂、(CH₂O)等产物的生成量来表示。但根据测量时的实际情况，光合作用速率又分为净光合速率和真光合速率。在有光条件下，植物同时进行光合作用和细胞呼吸，实验容器中O₂增加量、CO₂减少量或有机物的增加量，都可代表净光合速率，而植物真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。而呼吸速率是将植物置于黑暗中，实验容器中CO₂增加量、O₂减少量或有机物减少量都可表示呼吸速率。

(2)不同情况下净光合量、真光合量和呼吸量的判定

条件	题目中常见的关键语句	所指的含义
光照条件下	植物“产生”的O2量，或植物“合成”的有机物的量	实质上是在叶绿体中产生的量，即光合作用总量或真正光合作用量
	植物“释放”的O2量，或植物“积累”的有机物的量	实质上是净光合作用量，即光合作用总量－细胞呼吸消耗量
	植物“吸收”的CO2量	实质上是净光合作用量
黑暗条件下	植物“释放”的CO2量	实质上是细胞呼吸释放量
	植物“吸收”的O2量	实质上是细胞呼吸吸收量

(3)有机物积累量的表示方法：一昼夜有机物的积累量(用CO₂的量表示)可用式子表示为：积累量＝白天从外界吸收的CO₂量－晚上呼吸释放的CO₂量。

2．有关细胞呼吸计算的规律总结

规律一：细胞有氧呼吸时，葡萄糖∶CO₂∶O₂＝1∶6∶6；无氧呼吸时，葡萄糖∶CO₂∶酒精＝1∶2∶2或葡萄糖∶乳酸＝1∶2。

规律二：消耗等量葡萄糖时，则酒精发酵与有氧呼吸产生的CO₂的摩尔数之比为1∶3；有氧呼吸消耗氧气摩尔数与有氧呼吸和酒精发酵产生的二氧化碳摩尔数之和的比为3∶4。

规律三：产生同样数量的ATP时，无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖的摩尔数之比为19∶1。

规律四：在进行有氧呼吸和无氧呼吸的气体变化计算及反应速率比较时，应使用C₆H₁₂O₆＋6H₂O＋6O_2→6CO₂＋12H₂O＋能量和C₆H₁₂O_6→2C₂H₅OH＋2CO₂＋少量能量这两个反应式，并结合化学课上所学的，根据化学方程式计算的规律和方法进行解答。

规律五：如果在题干中没有给出所要计算的具体数值，只有体积比，则可将此比值当成实际体积(或物质的量)进行计算，最后求解。

题组特训

题组一　透过坐标中数据，辨析相关规律

1．以测定的CO₂吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图甲所示。下列分析正确的是()

A．光照相同时间，在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多

B．光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃相等

C．如果该植物原重X kg，置于暗处4 h后重(X－1)kg，然后光照4 h后重(X＋2)kg，则总光合速率为3/4 kg·h^－1

D．若将乙装置中NaHCO₃溶液换成蒸馏水，则在黑暗条件下可测得B曲线

答案　B

解析　在光照时间相同的情况下，在25 ℃时，CO₂吸收量最大，即光合作用净合成量最大，积累的有机物最多，A错误；在光照时间相同的情况下，30 ℃时光合作用的总量为3.50(净合成量)＋3.00(呼吸消耗量)＝6.50mg/h，35 ℃时光合作用的总量为3.00(净合成量)＋3.50(呼吸消耗量)＝6.50mg/h，二者相同，B正确；该植物原重X kg，置于暗处4 h后重(X－1)kg，然后光照4 h后重(X＋2)kg，则总光合速率为1 kg·h^－1，C错误；将乙装置中NaHCO₃溶液换成氢氧化钠溶液，则在黑暗条件下可测得B曲线，D错误。

2．如图表示在不同温度下，测定某植物叶片1 cm²质量(mg)变化情况(均考虑为有机物的质量变化)的操作流程及结果，据图分析回答问题：

(1)从图分析可知，该植物的呼吸速率可表示为________mg·cm^－2·h^－1(用图中字母表示)，实际光合速率可表示为________mg·cm^－2·h^－1(用图中字母表示)。

(2)从图分析，恒定在上述________℃下，维持12 h光照，12 h黑暗，该植物叶片1 cm²增重最多，增重了______mg。

答案　(1)XY＋2X(2)1436

解析　(1)由图分析可知，该植物的呼吸速率可表示为X(mg·cm^－2·h^－1)，而单位时间光照下叶片重量的增加量表示的是净光合速率，故光照1小时总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝M＋Y－(M－X)＋X＝Y＋2X(mg·cm^－2·h^－1)。(2)从结果可以看出，在14 ℃下，维持12 h光照，12 h黑暗，该植物叶片增重最多，净光合速率＝总光合速率－呼吸速率＝(3＋2×2)×12－2×24＝36(mg)。

题组二　透过表格中数据，辨析相关规律

3．科研人员为探究土壤含水量、CO₂浓度对某作物生长的影响，在最适温度和光照强度的智能温室内进行实验的结果如下表。请分析回答：

组别	土壤含水量	CO2浓度(%)	净光合速率(μmol  CO2·m－2·s－1)	相对气孔开度(%)	水分利用效率
A	适宜	0.03	12	100	1.78
B	干旱	0.03	7.5	62	1.81
C	适宜	0.06	15	83	3.10
D	干旱	0.06	9.5	47	3.25

(1)与C组相比，限制B组作物光合作用的环境因素有_____________________；若在D组的基础上适当提高温度，则该作物净光合速率会__________；提高CO₂浓度，作物对水分的利用效率会________________。

(2)研究发现，干旱胁迫导致类囊体结构破坏、光合色素含量和光反应中水的供应减少，导致为暗反应提供的______________________减少。因此，有人认为干旱主要通过影响光反应进而影响光合作用，结合表中数据分析，上述观点__________________(填“合理”或“不合理”)，理由是_____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)土壤含水量、CO₂浓度　降低(或减弱)　提高(或增大)(2)ATP和[H]　不合理　干旱通过影响气孔开度而影响暗反应；干旱对光反应和暗反应的影响大小无从判定

解析　(1)据表分析可知，与C组相比，B组与其不同之处为土壤含水量和CO₂浓度，故这两个因素为限制B组作物光合作用的环境因素。在D组的基础上适当提高温度，会超过光合作用的最适温度，则该作物净光合速率会降低；若提高CO₂浓度，光合作用增强，作物对水分的利用效率会增大。(2)干旱胁迫导致类囊体结构破坏、光合色素含量和光反应中水的供应减少，光反应减慢，其为暗反应提供的ATP和[H]会减少。干旱通过影响气孔开度而影响暗反应；干旱对光反应和暗反应的影响大小无从判定，所以认为干旱主要通过影响光反应进而影响光合作用的观点不合理。

4．某种番茄的黄化突变体与野生型相比，叶片中的叶绿素、类胡萝卜素含量均降低。净光合作用速率(实际光合作用速率－呼吸速率)、呼吸速率及相关指标如表所示：

材料	叶绿素a/b	类胡萝卜素/叶绿素	净光合作用速率(μmol  CO2·m－2·s－1)	细胞间CO2浓度(μmol CO2·m－2·s－1)	呼吸速率(μmol  CO2·m－2·s－1)
突变体	9.30	0.32	5.66	239.07	3.60
野生型	6.94	0.28	8.13	210.86	4.07

(1)番茄的黄化突变可能_________(填“促进”或“抑制”)叶绿素a向叶绿素b转化的过程。

(2)突变体叶片中叶绿体对CO₂的消耗速率比野生型降低了______ μ mol·m^－2·s^－1。研究人员认为气孔因素不是导致突变体光合速率降低的限制因素，依据是___________________。

答案　(1)抑制　(2)2.94　突变体叶片中的细胞间CO₂浓度高

解析　(1)由表格可知，突变体中叶绿素a/b与类胡萝卜素/叶绿素比值升高，叶绿素减少使叶片呈现黄化色泽，可能的原因是突变可能抑制了叶绿素a向叶绿素b转化的过程。(2)根据题表可知，突变体叶片中叶绿体对CO₂的消耗速率为净光合速率＋呼吸速率＝5.66＋3.60＝9.26(μmol CO₂·m^－2·s^－1)，同理，野生型叶片中叶绿体对CO₂的消耗速率为8.13＋4.07＝12.20(μmol CO₂·m^－2·s^－1)，突变体叶片中叶绿体的CO₂的消耗速率比野生型低12.20－9.26＝2.94(μmol CO₂·m^－2·s^－1)。由于突变体叶片中的胞间CO₂浓度较高，所以气孔因素不是导致突变体光合速率降低的限制因素。