《中国新农民种菜手册》第五章 植物的光合作用和呼吸作用

第一节 光合作用

植物是地球生态中食物链的生产者，它们通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量，以获得自身生长发育所需的养分，植物因此被称为自养生物。植物光合作用将光能转换为生物能的能量转换效率大约为6%，而普通太阳能电池板将光能转化为电能的能量转换效率一般也只有18-25%左右。动物和人作为异养生物即食物链的消费者，通过进食吸收植物所贮存的能量，转换效率约为10%左右。

光合作用的关键参与者是植物细胞内部的叶绿体，叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶片内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为糖（即碳水化合物），同时释放出氧气：

二氧化碳+水+光能 >>> 葡萄糖+氧气+水

（图片来自Khan Academy）

植物的光合作用可分解为光反应和碳反应两个步骤：

光反应：12H2O +光能 >>> 12H2 + 6O2

碳反应：12H2 (来自光反应) + 6CO2 >>> C6H12O6 (葡萄糖) + 6H2O

影响植物光合作用的因素就是光合作用的几个参与者，即光的强度、水、氧和二氧化碳含量。大气中的二氧化碳浓度很低，大约只占空气的0.04％，在封闭性好的大棚中，由于棚室作物集中在一个封闭空间进行呼吸，在光合作用下吸进二氧化碳，呼出氧气，降低了大棚环境中的二氧化碳浓度，导致大棚作物的有机物即干物质的积累减少，这被认为是大棚作物口感不好的主要原因。

第二节 呼吸作用

人和动物有像鳃、肺那样专门分化出来进行气体交换的呼吸器官，植物并没有分化出专门的组织器官，而是用全身的细胞，准确地说是两个不同的细胞组织与大气间进行两种相反的气体交换。第一种气体交换就是我们上面说到的光合作用，由植物细胞中的绿叶体参与，吸入空气中的二氧化碳，呼出氧气。

第二种气体交换则特指植物的呼吸作用，由植物细胞中的线粒体参与，通过分解由光合作用合成的葡萄糖来吸入氧气，呼出二氧化碳，同时产生为植物的生长以及各种生命活动提供能量的ATP：

葡萄糖 + 氧气 >>> 二氧化碳 + 水 + ATP能量

（图片来自Wikimedia Commons）

ATP，中文名称叫三磷酸腺苷，是一种细胞内各种生化反应都要用到的高能化合物。光合作用合成的有机物之所以还要通过呼吸作用分解，主要目的就是要为细胞进行生理活动提供能量和中间物质。糖、脂质等也是能量物质，但它们必须转换为ATP才能被细胞使用，所以ATP也被称作是细胞内的能量货币。

植物表皮上的气孔由两个半月形（双子叶植物）或像一对哑铃（单子叶植物）的保卫细胞构成，保卫细胞间的空隙就是气孔，保卫细胞的膨压随着光合作用的强度和形成糖的产量多少而增减，膨压增加，保卫细胞的两片半月形组织伸直膨大，使半月形组织间的空隙减少，呼吸作用减缓。除了碳水化合物产量外，另一个影响保护细胞膨压从而影响气孔开闭的因素是细胞中的钾离子浓度。

双子叶植物的保卫细胞（图片来自百度百科）

呼吸过程中有机物分解产生一系列的中间产物，这些中间产物还会进一步合成其他有机物，它们都是对植物生命活动非常重要的营养物质。

植物的叶片扁而薄、气孔众多，使细胞与大气间进行气体交换比较方便，因此叶片担当着最多的呼吸功能；土壤中的根也需要呼吸，疏松透气的土壤才能为根部提供充足的氧气。

植物的光合作用是一种合成代谢，而呼吸作用则是一种分解代谢。在有氧条件下，呼吸作用将光合作用产生的糖等有机物在酶的催化下氧化分解，产生ATP、二氧化碳和水。

在低氧或短时间无氧条件下，植物体内的糖等有机物也可以部分分解，产生代谢中间产物、少量二氧化碳并释放出少量ATP，以维持低水平代谢和植物的低水平生命活动；但无氧呼吸导致有机物分解不彻底，如土壤缺氧的情况下，植物根尖细胞进行无氧呼吸，会使植物体内的葡萄糖转化为对细胞有毒害作用的中间产物酒精，而导致根系腐烂。

植物的光合作用和呼吸作用是一对相反的过程，光合作用是白天有阳光的时候才会发生，而呼吸作用则无论白天还是晚上都在随时进行。光合作用吸入二氧化碳放出氧气制造有机质，呼吸作用则吸入氧气放出二氧化碳并消耗有机质，植物的光合作用大于呼吸作用，即光合作用吸入的二氧化碳大于呼吸作用呼出的二氧化碳，植物就能够持续生长，并且产生有机质积累（在蔬菜、水果中通常称为干物质，即去水后的糖、蛋白质、脂质、芳香物质等各种有机质）。

植物的呼吸速率因植物种类、生长期和生理状态的不同而不同。幼嫩组织、旺盛生长的组织呼吸速率高，成熟期和衰老的组织呼吸速率低；有些植物苗期的幼叶常常在夜间闭合，应该就是植物自身的一种呼吸速率调节机制。另外，植物的花和果实、种籽等生殖器官的呼吸速率比叶、茎等营养器官要高，毕竟它们生长的目的，就是为了繁殖，所以会把整株光合作用产生的营养物质尽情输送给它们的果实和种子。

果实和种子在贮藏中呼吸旺盛会消耗掉贮藏物质，影响种子寿命和果实品质，常用控制含水量的办法降低种子的呼吸速率，对新鲜水果、蔬菜除了降温冷藏外，还可以采取降低氧气浓度或提高二氧化碳浓度来控制呼吸速率，实现保鲜。

影响呼吸作用的因素除了大气中的氧气和二氧化碳浓度外，最重要的外界环境条件是温度，温度影响的是植物细胞中呼吸酶的活性，从而影响植物的呼吸速率；呼吸速率越高，植物体内有机质消耗就越多，这会降低番茄、黄瓜等茄果类蔬菜以及各类水果中干物质的积累，影响它们的甜度和口感。

我国宁夏、甘肃和新疆地区夜温低、昼夜温差大，意味着光合速率相对较快，呼吸速率相对较高，干物质营养成分积累较多，出产的番茄、葡萄、甜瓜、哈密瓜等水果的甜度高、口感好。

萝卜、莴笋都是块茎类蔬菜，它们的地上和地下块茎膨大，用以储存糖等有机质，转入生殖生长阶段后，块茎中的有机质就会在抽薹开花结籽的过程中消耗掉，一部分会输送给种籽储存，作为来年种籽发芽出苗的营养和能量。所以萝卜和莴笋抽薹开花后，口味就会迅速下降。