Способ определения параметров h2o -и co2 - газообмена листьев растений

 

Использование: исследование гетерогенных процессов, в частности исследование процессов фотосинтеза и транспирации, и водного режима высших растений, в экспериментальной физиологии растений. Сущность изобретения: исследуемый амфистоматический лист ( лист, имеющий устьица на верхней и нижней сторонах) включают в известную двухстворчатую листовую камеру таких размеров, чтобы лист разделял камеру на две изолированные части - верхнюю и нижнюю. С помощью известной газометрической установки измеряют в стационарном режиме скорости транспирации и ассимиляции CO₂ верхней и нижней сторон листа при контролируемых концетрациях H₂O- пара и CO₂ в воздухе над обеими сторонами листа. Затем над одной из сторон листа изменяют произвольно концентрацию H₂O- пара и CO₂ , а изменившиеся при этом суммарные скорости транспирации и ассимиляции CO₂ компенсируют до их исходных значений увеличением или уменьшением концентраций соответственно H₂O-пара и CO₂ в воздухе над другой стороной листа. Измеряют вторые значения скоростей транспирации и ассимиляции CO₂ верхней и нижней сторон листа и соответствующих концентраций H₂O-пара и CO₂ в воздухе над обеими сторонами, а искомые кинетические параметры вычисляют по формулам.

Изобретение относится к способам исследования гетерогенных процессов, в частности к способам исследования процессов фотосинтеза и транспирации и водного режима высших растений, и может быть использовано в экспериментальной физиологии растений.

Известны способы определения кинетических параметров Н₂О- и СО₂-газообмена высших наземных растений: концентраций Н₂О-пара (А_i) и СО₂ (С_i) над поверхностью жидкой фазы мезофильных клеток и диффузионных сопротивлений в газовой фазе листа для потоков Н₂О-пара (R_a) и СО₂ (R_c) [1,2,3] . Экспериментально величину Аi определяют путем непосредственного измерения концентрации Н₂О-пара в окружающем лист воздухе при равновесии в системе жидкая фаза листа - воздух, т. е. в отсутствие транспирации. При таком определении А_i ее величина оказывается близкой к насыщающей даже у листьев, которые в естественных условиях во время транспирации имеют признаки завядания. На основании этих данных и наблюдаемой часто линейной зависимости скорости транспирации (Е) от влажности внешнего воздуха Аi принимают всегда насыщающей при температуре листа независимо от скорости транспирации и для определения R_a измеряют Е при некоторой контролируемой влажности воздуха над листом А, а R_a находят по формуле: R_a = , где R_a - диффузионное сопротивление потоку Н₂О-пара в газовой фазе (с ˙ см^-1), А_i - концентрация Н₂О-пара над испаряющими поверхностями мезофильных клеток листа, принимаемая равной насыщающей над плоской поверхностью чистой воды при температуре листа (г ˙ см^-3), А - концентрация Н₂О-пара в окружающем лист воздухе (г ˙ см^-3), Е - скорость транспирации (г Н₂О ˙ см^-2 ˙ с^-1). Используя полученное таким путем значение R_a, находят R_c и С_i по формулам: R_c = R_a ; C_i = C - F R_c, где R_c и R_a - диффузионные сопротивления потокам соответственно СО₂ и Н₂О-пара в газовой фазе (с ˙ см^-1), D_c и D_a - коэффициенты диффузии СO₂и Н₂О-пара в воздухе (см² ˙ с^-1), С_i и С - концентрации СО₂ в воздухе соответственно над поверхностью жидкой фазы внутри листа и над листом (г СО₂ ˙ см^-3), F - скорость диффузионного потока СО₂ (г СО₂ ˙ см^-2 ˙ с^-1).

Недостатком этих способов определения кинетических параметров Н₂О- и СО₂-газообмена растений является лежащее в их основе недостаточно обоснованное допущение, что А_i во время транспирации всегда остается насыщающей.

Данный способ определения кинетических параметров уже не отягощен предположением о насыщающей концентрации диффундирующего вещества над поверхностью раздела фаз. Но он все же имеет существенный недостаток: в основе его содержится предположение о том, что концентрация исследуемого вещества над поверхностью раздела фаз, от которой начинается его диффузия во внешнюю среду, не изменяется при различных концентрациях данного вещества во внешней вреде и соответственно при различных скоростях диффузионных потоков. Однако исследования, выполненные с использованием этого способа, показали, что Аi во время транспирации может быть существенно ниже насыщающей и что при изменении А и соответственно Е величина Аi в отдельных случаях также изменяется [4] .

Таким образом, все указанные выше способы определения кинетических параметров Н₂О- и СО₂-газообмена высших растений связаны с допущениями, которые не всегда выполняются, и следствием которых могут быть обычно необнаруживаемые и следовательно неподдающиеся оценке ошибки в определении вышеназванных параметров.

Известен способ определения кинетических параметров Н₂О- и СО₂-газообмена листьев растений - А_i, R_a, C_i, R_c, - который свободен от указанных выше допущений [5] . Сущность способа заключается в том, что сначала в стационарном режиме экспонирования и соответственно состоянии листа измеряют скорости транспирации и ассимиляции СО₂ при контролируемых концентрациях Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над листом, затем изменяют неизвестные диффузионные сопротивления в газовой фазе для Н₂О-пара и СО₂ в известных отношениях α и β , а изменившиеся при этом скорости газообмена компенсируют до их исходных значений путем изменения концентраций в воздухе Н₂О-пара и СО₂ до вторых контролируемых значений и кинетические параметры рассчитывают по формулам.

Основной, принципиальный недостаток этого способа заключается в том, что он неприменим при ширине устьиц меньше трех микрон. Это связано с тем, что при малых сечениях устьиц фиковский механизм диффузии переходит постепенно в кнудсеновский, при этом величины α и β уменьшаются, к тому же в воздухе, содержащем гелий, это уменьшение происходит быстрее, чем в обычном воздухе.

Наиболее близкое техническое решение к предлагаемому изобретению заключается в том, что у исследуемого листа предварительно измеряют количество устьиц на единицу площади, длину и ширину устьиц и толщину эпидермиса, затем в стационарном режиме измеряют скорости транспирации и ассимиляции СО₂ при контролируемых концентрациях Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над листом, потом неизвестные диффузионные сопротивления в газовой фазе для Н₂О-пара и СО₂ изменяют в известных отношениях α и β путем замены в воздухе азота гелием, а изменившиеся при этом скорости газообмена компенсируют до их исходных значений путем изменения концентраций Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над листом до вторых контролируемых значений и кинетические параметры рассчитывают путем решения системы нелинейных уравнений [6] .

Применение данного способа в течение трех лет для исследования кинетики Н₂О- и СО₂-газообмена листьев растений не обнаружило у него принципиальных недостатков. Вместе с тем опыт эксплуатации газометрической установки, реализующей этот способ, свидетельствует о значительных технических сложностях практического осуществления данного способа, а именно: 1. При замене азота в воздухе на гелий изменяются не только коэффициенты диффузии Н₂О-пара и СО₂ в воздухе, но и коэффициент теплопроводности воздуха, что ведет к изменению температуры листа даже при термостатировании корпуса листовой камеры, а поскольку на температуру листа оказывает влияние и транспирация, то после замены в воздухе азота гелием привести к исходным значениям скорость транспирации и температуру листа оказывается возможным только путем последовательного приближения. Это ограничивает быстродействие способа и не позволяет решать ряд задач по исследованию Н₂О- и СО₂-газообмена растений, в частности одновременно и дифференцированно определять указанные выше кинетические параметры для верхней и нижней сторон листа с целью исследования их взаимного влияния.

2. Неизвестные кинетические параметры находят путем решения системы нелинейных уравнений, которую решают только с помощью ЭВМ и только численным методом, т. е. также путем последовательных приближений, что еще больше снижает быстродействие способа.

3. Использование в этом способе искусственного воздуха связано с применением достаточно громоздкой газосмесительной установки, которая даже при наличии портативных газоанализаторов не позволяет практически использовать этот способ в полевых условиях для исследований по экологической физиологии растений.

4. Гелий, используемый в реализации этого способа, не всегда доступен и достаточно дорогой.

Целью данного изобретения является одновременное и дифференцированное определение кинетических параметров Н₂О- и СО₂-газообмена верхней и нижней сторон амфистоматических листьев растений.

Цель достигается тем, что исследуемый амфистоматический лист (лист, который имеет устьица на верхней и нижней сторонах) включают в известную двухстворчатую листовую камеру таких размеров, чтобы лист разделял камеру на две изолированные части - верхнюю и нижнюю. С помощью известной газометрической установки измеряют в стационарном режиме скорости транспирации и ассимиляции СО₂ верхней и нижней сторон листа при контролируемых концентрациях Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над обеими сторонами листа. Затем над одной из сторон листа изменяют произвольно - на 20-25% от исходных значений - концентрации Н₂О-пара и СО₂, а изменившиеся при этом суммарные скорости транспирации и ассимиляции СО₂компенсируют до их исходных значений увеличением или уменьшением концентраций соответственно Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над другой стороной листа. Измеряют вторые значения скоростей транспирации и ассимиляции СО₂верхней и нижней сторон листа и соответствующих концентраций Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над обеими сторонами, а искомые кинетические параметры вычисляют по формулам: A_io= ; A_in= ; R_ao= ; R_an= ; C_io= ; C_in= ;
R_co= ;
R_cn= , где символ "о" указывает на отношение соответствующего параметра к верхней стороне листа, а "n" - к нижней стороне; А_io, А_in и С_io, C_in - концентрации над поверхностью жидкой фазы внутри листа Н₂О-пара (А) и СО₂ (С) соответственно; R_ao, R_an и R_co, R_cn - диффузионные сопротивления потокам Н₂О-пара и СО₂ в газовой фазе листа;
А_о1, А_n1 и С_о1, С_n1 - исходные концентрации Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над листом;
А_о2, А_n2 и С_о2, С_n2 - концентрации Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над листом, установившиеся после компенсации;
Е_о1, Е_n1 и F_o1, F_n2 - скорости транспирации и ассимиляции СО₂, установившиеся после компенсации. Заметим, что эти формулы получены решением двух независимых систем известных уравнений - для Н₂О- и СО₂-газообмена соответственно, - описывающих диффузионные потоки Н₂О-пара и СО₂ между листом и внешним воздухом и скорости этих гетерогенных процессов в открытой системе. Особое внимание обращаем на то, что и формулы, по которым рассчитываются искомые параметры, и уравнения, по которым рассчитываются входящие в эти формулы величины Е и F, являются линейными и решаются аналитическим способом. Необходимо также подчеркнуть следующее преимущество предлагаемого способа: в связи с тем, что при естественных концентрациях Н₂О-пара (1-2% по объему) и СО₂ (0,03% ) в воздухе они составляют незначительную долю в теплопроводности воздуха, то при компенсации суммарных скоростей массообмена листа - прежде всего, скорости транспирации - автоматически компенсируется и температура листа, что значительно, по сравнению с прототипом, упрощает и ускоряет процедуру компенсации суммарных скоростей транспирации и ассимиляции СО₂.

П р и м е р. Способ осуществляют следующим образом. Исследуемый лист растения помещают в двухстворчатую термостатируемую камеру, имеющую площадь 6-12 см², снабженную термопарой (для измерения температуры листа) и присоединенную двумя парами воздухопроводов (одна пара: вход-выход воздуха для верхней части камеры, вторая пара: вход-выход для нижней части) к двум известным газометрическим системам, каждая из которых содержит газоаналитический блок (для измерения концентраций Н₂О-пара (А) и СО₂ (С) в воздухе над листом и скоростей транспирации (Е) и ассимиляции СО₂ (F) и динамическую газосмесительную установку, предназначенную для снабжения листа в камере воздухом с регулируемыми концентрациями Н₂О-пара и СО₂. Лист выбирают такой площади, чтобы разделял камеру на две изолированные друг от друга части - верхнюю и нижнюю. Лист экспонируют в токе воздуха в открытой системе при постоянных предусмотренных экспериментом освещенности (50-500 Вт/м²), температуре (10-40^оС) и расходе воздуха через каждую половину камеры (20-30 л/ч), а также при постоянном составе воздуха на входах: содержание СО₂ - 0,01-0,1% ; О₂ - 21% ; N₂(азот) - 78% и относительная влажность воздуха 10-80% . При этом с помощью газоанализаторов и ЭВМ, осуществляющей необходимые расчеты по соответствующей программе, непрерывно регистрируют концентрации Н₂О-пара (А_о1 и А_n1) и СО₂ (С_о1 и С_n1), скорости транспирации (Е_о1 и Е_n1) и ассимиляции СО₂ (F_o1 и F_n1), а также их суммарные скорости (Е = Е_о1 + Е_n1 и F = F_o1 + F_n1). Экспонирование ведут до установления стационарного режима процессов, о чем судят по постоянству во времени скоростей газообмена и концентрацией Н₂О-пара и СО₂ в верхней и нижней частях камеры.

После того, как установились и зарегистрированы соответствующие стационарному режиму скорости газообмена и концентрации Н₂О-пара и СО₂, с помощью одной из газосмесительных установок изменяют произвольно - на 20-25% от исходных значений - концентрации Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над одной из сторон листа, а изменившиеся при этом суммарные скорости транспирации и ассимиляции СО₂ приводят к исходным значениям путем увеличения или уменьшения - с помощью второй газосмесительной установки - концентраций соответственно Н₂О-пара и СО₂ в воздухе над второй стороной листа. По достижении установленного заранее и введенного в программу ЭВМ уровня нескомпенсированности исходных суммарных скоростей транспирации и ассимиляции СО₂ - 1-2% от исходных значений - ЭВМ фиксирует вторые значения скоростей газообмена и концентраций Н₂О-пара и СО₂ для каждой из сторон листа, производит вычисления искомых кинетических параметров и регистрирует их значения.

Следует подчеркнуть, что предлагаемый способ и реализующая его открытая газометрическая установка позволяют изменять концентрации Н₂О-пара и СО₂ над поверхностями листа) а следовательно, и определять указанные кинетические параметры) без применение газосмесительных установок, а именно путем изменения расхода воздуха над поверхностями листа. Для осуществления предлагаемого способа в этом варианте над одной из сторон листа расход воздуха изменяют произвольно, но настолько, чтобы концентрации Н₂О-пара и СО₂ в воздухе изменились на 15-20% от исходных значений, а над второй стороной листа расход воздуха изменяют в противоположном направлении до достижения исходных значений суммарных скоростей газообмена. Этот вариант способа, как и первый (основной), требует стабильности концентраций Н₂О-пара и СО₂ в воздухе на входах камеры; поэтому он применим только в полевых условиях, где эти концентрации изменяются медленно (по сравнению со временем измерения - 2-3 мин) и где неприменимы газосмесительные установки из-за их сложности и больших габаритов.

Использование изобретения позволит:
1) решать ряд новых задач в исследованиях кинетики фотосинтеза и транспирации высших растений, в частности в исследовании механизма засухоустойчивости и следовательно продуктивности культур;
2) при наличии нормативных газометрических систем - они уже производятся в США и Англии - повысить точность результатов исследований в экологической физиологии растений;
3) проводить экспериментальные исследования независимо от наличия дорогостоящего гелия.

Первый, основной вариант предлагаемого способа реализован в Институте почвоведения и фотосинтеза АН СССР.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ H₂O - И CO₂ - ГАЗООБМЕНА ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ путем измерения скоростей их диффузионных потоков при двух значениях концентраций соответственно, H₂O-пара и CO₂ в воздухе над листом, отличающийся тем, что, с целью одновременного и дифференцированного определения параметров H₂O- и CO₂-газообмена верхней и нижней сторон амфистоматических листьев, измеряют скорости транспирации и ассимиляции CO₂ у верхней и нижней сторон амфистоматических листьев в стационарном режиме при контролируемых концентрациях H₂O-пара и CO₂ в воздухе над обеими сторонами листа, затем на одной из сторон листа изменяют произвольно концентрации H₂O-пара и CO₂, а изменившиеся при этом суммарные скорости транспирации и ассимиляции CO₂ компенсируют до их исходных значений увеличением или уменьшением концентраций соответственно H₂O-пара и CO₂ в воздухе над другой стороной листа и измеряют вторые значения скоростей транспирации и ассимиляции CO₂ верхней и нижней сторон листа и соответствующих концентраций H₂O-пара и CO₂ в воздухе над обеими сторонами, а параметры вычисляют по формулам
A_io= ;
A_in= ;
R_ao= ;
R_an= ;
C_io= ;
C_in= ;
R_co= ;
R_cn= ,
где символ "о" указывает на отношение соответствующего параметра к верхней стороне листа, а "n" - к нижней стороне;
A_i0, A_in, C_i0, и C_in - концентрация над поверхностью жидкой фазы внутри листа H₂O-пара (А) и CO₂(C) соответственно;
R_aо, R_an, R_cо и R_cn - диффузионные сопротивления потокам H₂O-пара и CO₂ в газовой фазе листа;
A₀₁, A_n1, C₀₁ и C_n1 - исходные концентрации H₂O-пара и CO₂ в воздухе над листом;
A₀₂, A_n2, C₀₂ и C_n2 - концентрации H₂O-пара и CO₂ в воздухе над листом, установившиеся после компенсации;
E₀₁, E_n1, F₀₁ и F_n1 - исходные скорости транспирации и ассимиляции CO₂;
E₀₂, N_n2, F₀₂ и F_n2 - скорости транспирации и ассимиляции CO₂, установившиеся после компенсации;
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью одновременного и дифференцированного определения кинетических параметров H₂O- и CO₂ - газообмена листьев растений в полевых условиях, концентрации H₂O-пара и CO₂ в воздухе над листом в открытой газометрической системе изменяют варьированием расхода воздуха через листовую камеру.