植物与光的关系

第四章 植物生活与环境4.2 植物与光的关系4.2 植物与光的生态关系n 4.2.1 光的生态意义n 4.2.2 光对植物的生态作用n 4.2.3 植物的光合功能型4.2.1 光的生态意义n 太阳能是地球一切生物能量的源泉n 太阳辐射为维持生命的环境创造了必要的条件。n 有害方面：紫外线的杀伤作用n 光的信号作用4.2.2 光对植物的生态作用 光照强度的生态作用及植物的生态适应 光质的生态作用 日照长度的生态作用 光与水生植物光照强度的生态作用及植物的生态适应n 光照强度的生态作用n 植物对光强的适应类型光合作用的过程n 原初反应光能的吸收、传递和转换过程。n 电子传递与光合磷酸化电能转变为活跃化学能n 碳同化光反应 (light reaction)内囊体膜暗反应 dark reaction叶绿体基质光合作用的实质是将光能转变成化学能。CO2+2H2O* (CH2O)+O2*+H2O 糖糖其他有机化合物其他有机化合物淀粉淀粉纤维素纤维素细胞呼吸细胞呼吸CO2O2H2O叶绿体叶绿体C 反应反应光反应光反应三三 C糖糖(PGA)光光光合作用光合作用GAP三、光强的生态作用n 光强与植物的形态建成n 光强与植物的发育n 光强与植物的光合作用 q 光补偿点q 光饱和点q 光抑制q 光呼吸气体交换气体交换光饱和光饱和点点光补偿光补偿点点净光合净光合总光合总光合黑暗中释放的 CO2量光照强度CO2吸收量吸收量CO2放出量放出量光合速率与呼光合速率与呼吸速率相等时吸速率相等时的光照强度的光照强度光合速光合速率达到率达到最大值最大值时的光时的光强强光强超过光强超过一定范围一定范围后，光合后，光合功能下降功能下降的现象的现象光抑制光抑制植物对光强的适应类型植物对光强的适应类型植物阳性植物阳性植物耐荫性植物耐荫性植物阴性植物阴性植物适应 强光强光 环境，耐荫力弱，对 强光强光 的利用力强介于阳生植物与阴生植物之间适应 弱光弱光 环境，耐荫力强，对 弱光弱光 的利用力强比 较 特征 阳性植物 阴性植物形态特征树 木特征枝叶稀疏，透光，自然整枝良好；枝下高 长 ； 树 皮厚；叶色淡；植物开花 结实 力 较 大；生 长 快，寿命短枝叶茂密，透光度小，自然整枝不良；枝下高短； 树 皮薄；叶色深；植物生 长缓 慢，寿命 较长。茎 外形 较 粗， 节间 短，分枝多。 茎 细长 ， 节间长 ，分枝少。内部结 构细 胞体 积 小，胞壁厚，木 质 部与机械 组织发 达， 维 管束多， 细 胞结 构 紧 密，含水量 较 少。细 胞体 积 大，胞壁薄，木 质 部与机械 组织 不 发 达， 维 管束少， 细胞 结 构疏松，含水量 较 多。叶外形叶子 较 小，厚；角 质层 厚；叶脉 细密而 长 ；有的叶子表面具有 绒毛； 叶子常常与直射光排列呈一定的角度。叶子 较 大，薄；角 质层 不 发 达；叶脉 较 稀；叶面光滑；叶柄 长 短不 齐 ，呈 镶 嵌状排列。内部结 构细 胞排列 紧 密， 细 胞小，胞壁厚，气孔小而数目多， 栅栏组织发达，海 绵组织 不 发 达细 胞排列疏松， 细 胞大，胞壁薄，气孔大而数目少， 栅栏组织 不发 达，海 绵组织发 达生理生化特征耐 荫 力弱；光 补偿 点、光 饱 和点高；呼吸作用与光合作用 强 ；渗透压 大；叶 绿 素含量小；抗性高耐 荫 力 强 ；光 补偿 点、光 饱 和点低；呼吸作用与光合作用弱；渗透压 小；叶 绿 素含量高；抗性低阳性植物和阴性植物的比较阳性植物（ a）与阴性植物（ b）光补偿点（ CP）示意图三、光质的生态作用及生物的适应n 微波和无线电波n x射线和 射线n 红外线n 紫外线n 可见光太阳辐射能 (仿 A. Mackenzie et. al,1999)o 光的性质：波长 150 4000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在 380 760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是 380 700nm之间。紫外线 可见光 红外线400 630 1000 2500 4000波长(nm)能量强度红外线及其生态作用n 增热效应n 温室效应 （greenhouse effect） 的产生紫外线及其生态作用n 紫外线的生态作用 由于其具有高能量，紫外线有杀伤生物的作用 紫外线参与动物体内维生素 D的合成 参与植物的形态建成，诱导向光性及色素形成n 臭氧层对紫外线的吸收 当光穿过大气时，紫外线大部分被臭氧层吸收，使生物避免紫外线的伤害。 空气中的污染物如氯氟烃类会通过化学反应破坏臭氧层，使地球上一些地区尤其是高纬度地区形成臭氧层漏洞。可见光及其生态作用n 红（ 760-620nm）n 橙（ 620-590nm）n 黄（ 590-560nm）n 绿（ 560-510nm）n 青（ 510-490nm）n 蓝（ 490-460nm）n 紫（ 460-380nm）可见光与光合作用n 生理有效辐射能被植物光合作用所吸收利用的光辐射称为生理有效辐射或光合有效辐射。红橙光蓝紫光n 生理无效光绿光在植物的光合作用中很少被吸收，因此又称绿光为生理无效光。这是因为绿色叶子对绿光反射和透射的结果。n 光质对光合作产物的影响可见光的生态作用（ 1）蓝紫光、青光抑制植物体内某些生长激素的形成，从而抑制植物的伸长生长，造成植物矮化。（ 2）青蓝紫光促进花青素的形成。（ 3）青蓝紫光引起植物向光性的敏感。（ 4）蓝紫光、青光是支配细胞分化最重要的光线。日照长度的生态作用n 光周期与植物的开花n 光周期现象（ photoperiodism）植物对于白天和黑夜相对长度规律性变化的反应 。n 植物对光周期的反应n 长日照植物n 短日照植物n 中日照植物n 中间型植物n 光周期对植物休眠和地下器官形成的影响n 对植物伸长生长的影响光与水生植物光光强强水水深深深深 弱弱补偿深度在水体中，随着 水深度的增加，光合作用减弱，当光合作用合成量减少到与呼吸作用消耗量平衡时的水深。补偿深度是水体 中光合植物垂直分布的下限。补偿深度随着水 的透明度而变化。4.2.3 植物的光合功能型n 植物功能型 (plant functional types， PFTs)具有确定植物功能特征的一系列植物的组合，是研究植被随环境动态变化的基本单元。n 植物的光合功能型 C3植物 C4植物 CAM植物C3植物n C3途径q 固定 CO2的最初产物 3-磷酸苷油酸q 采取这种途径的植物称为 C3植物。q C3植物叶片的维管束鞘细胞小，几乎不含叶绿体，叶肉细胞排列松散，叶绿体大而多， CO2吸收、固定与碳水化合物合成均在这类细胞中完成。q 光呼吸C4植物C4途径（ Hatch-Slack循环）n CO2首先与 PEP结合，形成一种四碳化合物即草酰乙酸 (OAA) 。n C4植物特点叶片具花环结构C4植物对 CO2的净固定是由叶肉细胞和维管束鞘细胞密切配合而完成的。n 没有光呼吸 叶肉叶肉细胞细胞CO2OAA(四四 C糖）糖）卡尔文循环卡尔文循环CO2维管维管束鞘束鞘细胞细胞糖糖 淀粉淀粉纤维素纤维素细胞呼吸细胞呼吸其他有机化合物其他有机化合物PEP羧化酶羧化酶不能固不能固定定 O2C4 途径途径 C4植物植物CAM植物植物CO2CO2OAAPEP羧化羧化酶酶苹果酸苹果酸 苹果酸苹果酸 CO2Calvin 循环循环糖糖 淀粉淀粉纤维素纤维素细胞呼吸细胞呼吸其他有机化合物其他有机化合物夜晚夜晚 白昼白昼液泡液泡CAM途径途径 CAM植物植物特征 C3植物 C4植物 CAM植物植物 类 群 大部分 绿 色植物，如水稻不包括藻 类 、蕨 类 植物和针 叶 树 ，常 见 于有花植物，如玉米，甘蔗、高梁、狗尾草等肉 质 植物，如波 萝 、仙人掌、景天属植物等生境特征 广泛 开 阔 、温暖、 盐 生 开 阔 、干旱、温暖、盐 生维 管束鞘 细 胞 无花 环 型 结 构 花 环 型 结 构 无花 环 型 结 构CO2固定途径 Calvin循 环 C4途径 CAM途径初始 酶 及 对 CO2亲 和度Rubisco酶亲 和度低PEP羧 化 酶亲 和度高PEP羧 化 酶亲 和度