实验中光照强度与植物的优化选择

摘要

为探讨分析“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验的原理，使用照度计测试不同功率LED灯在不同距离下的光照强度，并选择几种阳生植物和阴生植物进行实验，借此说明光补偿点的差异。研究结果表明，增加光源灯泡的功率或者改用阴生植物材料，可以取得更好的实验效果，从而为实验教学提供了有益的参考。

Graphical abstract

关键词

光照强度 / 阳生植物 / 阴生植物 / 优化选择 / 环境因素 / 光合作用 / 光补偿点

“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，既是高中生物学的经典实验之一，也是学生进行探究性学习的重要媒介。从该实验的改进方向来看，主要是对实验装置、实验材料等方面进行创新性改进，其意义并不仅限于提供新的方法，更对教学实践产生了多方面的积极影响。然而，诸多研究者在实验改进中，往往侧重于操作步骤的优化，却缺乏对背后原理的深入探究，导致改进的原因分析不够透彻。一个关键的例证，便是忽略了“光补偿点”这一核心生理参数存在显著的种间差异。

1 实验原理分析

光照强度，是影响光合作用的重要因素。植物在一定的光照下，光合作用制造的有机物与呼吸作用消耗的有机物量相等，也就是光合强度与呼吸强度相等，此时的光照强度称为光补偿点（Light Compensation Point，LCP）；当光照增强到一定程度时，光合作用达到最大值，植物的光合作用不再随着光照强度的增强而增强，此时光照强度为光饱和点（Light Saturation Point，LSP）^［1］。如图1所示。

在图1中，当光照强度处于OA段时，光照强度不足，植物在光补偿点A以下，此时植物的呼吸作用大于光合作用，消耗储藏的有机物；当光照强度达到光补偿点A时，有机物的形成和消耗相等，不能累积干物质；当光照强度处于AB段范围时，光合作用大于呼吸作用，植物积累有机物并释放氧气，并且随着光照强度的增强，光合作用也不断增强；光照强度达到光饱和点B后，光合作用依然大于呼吸作用，植物积累有机物并释放氧气。然而，随着光照强度的持续增强，光合作用不再增强。

2 阴生植物与阳生植物的区别

植物按照对光照需求的不同，分为阳生植物（Sun Plants）与阴生植物（Shade Plants），其光补偿点与光饱和点如表1所示^［2］。

光补偿点是植物光合作用的同化产物与呼吸作用所消耗的物质达到平衡时所接受的光照强度的下限。阴生植物的光补偿点比较低，是因为阴生植物的呼吸速率比较低，较弱的光照强度便可以使光合作用净CO₂交换速率达到零，从而观察到光合作用释放氧气的现象；而阳生植物的光补偿点比较高，则需要较强的光照强度，才能观察到光合现象^［3］。

3 不同功率LED灯光照强度测定

本研究以不同功率的LED灯（白光）作为光源，使用泰仕牌（TES）1332A型照度计（测试范围0~200 000 lx），测试不同距离下的光照强度，结果如表2所示。

在光合作用研究中，光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation， PAR）特指波长400~700 nm范围内植物可用于光合作用的辐射通量密度，其单位为mol·m⁻²·s⁻¹（单位时间内辐射到单位面积上的量子数）。由于PAR直接测量需专用量子传感器^［4］，而照度（单位：lx）可通过常规照度计快速获取，且在一定条件下可与PAR进行近似换算。因此，为便于实际操作与数据采集，本文暂以照度（lx）作为光强指标进行表述与分析。

由表2可以看出，LED灯功率、距离的不同，会导致其光照强度有很大的不同。以5 W的LED灯为例，在光源与植物叶片距离10 cm时，其光照强度仅为532.67 lx，在大部分的阴生植物和少量阳生植物（常绿木本）光补偿点以上（参考表1），此时光合作用大于呼吸作用，实验可观察到光合现象；而大部分阳生植物未达到光补偿点，它们的呼吸作用大于光合作用，不能观察到光合现象。5 W的LED灯在距离20 cm处，其光照强度仅为188.67 lx，即仅有少量阴生植物（常绿木本）能处于光补偿点以上，可观察到光合现象，其他植物均不能观察到光合现象；在距离30 cm处，其光照强度仅为97.67 lx，所有植物均未能达到光补偿点，均不能观察到光合现象。故而，5 W的LED光照强度不能满足大多数植物的光合作用实验要求。

为了方便学生进行实验探究，教师经常会选择购买人教版高中生物学必修1教材中推荐的菠菜^［5］，或者生活中常见的小白菜等青菜叶作为学生做实验的材料^［6］。然而，青菜类植物属于阳生植物，光补偿点较高，必须在接近光源10 cm以内，即光合作用大于呼吸作用时，实验才能正常进行；若距离超过10 cm，则光照强度达不到植物的光补偿点，即光合作用小于呼吸作用，氧气没有净释放，植物叶片就浮不上来，这也是很多研究者改进实验的初始原因。

4 实验改进方法及结果

由于阳生植物和阴生植物的光补偿点不同，可以从增加光源灯泡的功率、改用阴生植物作为实验材料两个方面进行改进。

4.1 实验准备

（1）使用吹气法，用吸管对着500 mL水吹气10 min，得到了增加CO₂含量的实验用水；或配制1%～2%的NaHCO₃溶液，作为实验用水。

（2）使用一次性透明塑料杯子，每个杯子装实验用水50 mL（1/2杯）。

（3）使用直径0.5 cm的打孔器，每种植物打出30片以上小圆叶片。

（4）采用抽气法去除叶片内气体：将小圆叶片放入无针头的10 mL塑料注射器中，并加水约5 mL，抽拉活塞至10 mL刻度处，稍作停顿后缓缓复位，重复3～4次，排去叶片中的空气，让叶片沉于水底。

（5）每个杯子中放入叶片10片，同种植物重复3次实验。

（6）增加光源灯泡功率和改用阴生植物材料两个实验当日测得室温为21～22 ℃。

4.2 增加光源LED灯的功率实验

选择20 W的LED灯，使用青菜类等阳生植物作为材料，如菠菜、小白菜、芥菜等，以10 cm为固定距离，此时光照强度约为8 960 lx，在阳生草本植物光补偿点之上。不同阳生植物光合作用结果比较如图2所示，在实验时长20 min内，均能观察到光合作用氧气释放、叶片浮起来的现象。

4.3 改用阴生植物材料实验

选择5 W的LED灯，将实验材料改为阴生植物，如绿萝、合果芋、富贵竹等^［7-8］，以10 cm为固定距离，此时光照强度约为532 lx，在阴生草本植物光补偿点之上。不同阴生植物光合作用结果比较如图3所示，在实验时长20 min内，同样可以观察到光合作用氧气释放、叶片浮起来的现象。

5 结论与反思

“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验，需要重点考虑的因素应是光照强度中植物光补偿点的问题。增加光源灯泡功率和改用阴生植物材料两种方法，可以使“环境因素对光合作用强度的影响”实验进行得更加顺利。

植物的光补偿点和光饱和点并非固定不变，增加环境中CO₂含量，可以使光补偿点下降，并同时提高光饱和点；温度的升高，也可以提高光补偿点^［3］；等等。因此，在人教版高中生物学必修1教材设定的实验条件下（使用5 W LED灯、增加水中CO₂含量、较高环境温度），采用菠菜叶片确实能够获得理想的实验效果。但是，考虑到该实验的上课时间约为每年的十二月下旬，此时我国大部分地区已进入冬季，在没有暖气的地方，用菠菜叶可能比较难达到较好的实验效果（如本研究在使用5 W光源、t≈20 ℃实验时，无叶片上浮）。

因此，在教学过程中，若发现现光源无法满足植物（特别是喜光植物）的生长需求时，建议评估并优化照明系统，例如更换为光效更高、光谱适配的专用植物生长灯，以确保光照强度与光谱组成符合植物生长要求。同时，需注意照明设备的安装规范与用电安全。若教学环境的光照条件难以大幅改变，建议评估并选用与现有光照环境相匹配的植物材料，例如引入耐阴性良好的植物种类（如草本、冬季落叶木本、常绿木本等），以保障教学的顺利进行。

参考文献

[1] 楼仙娟.关于环境因素对光合速率影响的探讨［J］.生物学教学，2012，37（01）：25-27.

[2] 王忠，植物生理学［M］.第2版.北京：中国农业出版社，2010.

[3] 王宝山，植物生理学［M］.第3版.北京：科学出版社，2016.

[4] 孙刚，刘慧，李丽，等.光合有效辐射及其传感器研究进展［J］.农业工程学报，2023，39（08）：20-31.

[5] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书生物学必修1·分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[6] 谢婕，欧阳敏璇，生书晶，等.“绿叶在光下制造有机物”实验的优化：几种无根绿叶蔬菜的实验探索［J］.中学生物学，2022，38（08）：51-53.

[7] 王宇.“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验教学设计［J］.生物学教学，2023，48（09）：50-53.

[8] 彭黎，吴宇亮.“环境因素对植物光合作用强度的影响”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2025，42（06）：91-93.

基金资助

广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“植物生物学课程教研室”，编号：粤教高函〔2024〕9号

2023年度广东第二师范学院校级-高等教育教学改革项目“新高考背景下高中生物学与大学生物化学教材内容的衔接研究”(2023jxgg26)