黑白瓶法測定初級生產量

下面是2006年高考江蘇卷生物試題中第40題的題目：為了調查太湖某一水層是否有自養生物存在及其產氧量能否維持本層水體生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法測定該水層生物晝夜平均代謝率來判定。白瓶為透明玻璃瓶，其水體溶解O₂的晝夜變化值為水中生物光合作用產生的O₂與呼吸消耗的O₂的差值(以WD0表示)；黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水體溶解O₂的晝夜變化值為水中生物呼吸消耗的O₂(以BD0表示)。請完成下列實驗。

(1)實驗步驟：

①用采水器取該層水樣，分別注滿500mL黑、白瓶并密封，剩余水樣用于測________；

②將黑、白瓶___________；

③_________________。

(2)設計記錄所測數據的表格。__________。

(3)預測實驗結果并分析。___________。

此題中利用了黑白瓶法測定植物的初級生產量，那么什么是初級生產量?黑白瓶法的方法、原理怎樣?

綠色植物固定太陽能是生態系統中第一次能量固定，所以植物所固定的太陽能或所制造的有機物質就稱為初級生產量或第一生產量。在初級生產量中，也就是說在植物所固定的能量或所制造的有機物質中，有一部分是被植物自己的呼吸消耗掉了，剩下的部分才以可見有機物質的形式用于植物的生長和生殖，所以我們把這部分生產量稱為凈初級生產量，而把呼吸消耗在內的全部生產量稱為總初級生產量。從總初級生產量(GP)中減去植物呼吸所消耗的能量(R)就是凈初級生產量(NP)，這三者之間的關系是：GP=NP+R，即NP=GP-R，凈初級生產量代表著植物凈剩下來可提供給生態系統中其他生物(主要是各種動物和人)利用的能量。初級生產量通常是用每年每平方米所生產的有機物質干重(g／m²·a)或每年每平方米所固定能量值(J／m²·a)表示。

初級生產量的測定方法有多種，例如收割法、二氧化碳同化法、黑白瓶法、放射性同位素測定法等。

黑白瓶法適應于水生生態系統，主要是對含氧量進行測定。1927年，賈德等科學家首次將這種方法用于海洋生態系統生產量的研究。首先是從池塘、湖泊或海水的一定深度采集含有自養生物(如藻類)的水樣(水樣中難免也含有某些異養生物如細菌和浮游動物等)，然后將水樣分裝在成對的小樣瓶中，樣瓶的容積通常是125～300mL。在每對樣瓶中總是有一個白瓶和一個黑瓶，所謂白瓶就是透光瓶，里面可進行光合作用；所謂黑瓶就是不透光瓶，里面不能進行光合作用，但有呼吸活動。黑瓶和白瓶同時被懸浮在水體中水樣所在的深度，放置一定時間后(通常是4～8h，也可為24h)便從水體中取出，用標準的化學滴定法或電子檢測器測定黑瓶和白瓶中的含氧量。根據白瓶中含氧量的變化可以確定凈光合作用量和凈光合作用率，根據黑瓶中所測得的數據可以得知正常的呼吸耗氧量。同時利用黑瓶和白瓶的測氧資料就可以計算出總初級生產量。

黑白瓶的基本假設條件是：植物的呼吸作用在黑瓶和白瓶中是一樣的。這一點對于某些種類的植物來說和對于短時間的實驗來說是可以成立的，但也有很多種類的植物在光照和黑暗條件下常表現出不同的呼吸率。黑白瓶法的另一不足之處是，它必須把整體群落的一部分(一個取樣)完全密封起來，而這個取樣往往不能完全反映取樣所屬種群的實際狀況(可通過多次重復實驗進行校正)。此外，取樣中異養生物的數量變化也會使呼吸消耗偏離正常值。再有，取樣中的水是靜止的，而在實際情況下水是不斷流動的，使運動中的各種營養物質不斷到達和離開光合作用發生地點。最后，從一定水深處采上來的水樣如果曝光時間太長也會發生光合作用。

黑白瓶法的基本原理是測定水中含氧量的變化，另一種類似的方法是在1d時間內(24h)每隔2～3h對水生生態系統的含氧量進行一次自動監測。如果把一個電子檢測器接到一個自動裝置上，就可以連續24h對一個水生生態系統的含氧量進行取樣。這個方法的優點是直接測定整個生態系統而不是測定一些小的取樣，此法還用自然光周期取代黑瓶對夜晚的模擬?？傊?，上述方法均運用各種計算確定氧的凈生產量，然后再利用光合作用方程計算總初級生產量。