光合作用的限速因素及其在农业生产中的应用

摘要：光合作用作为植物生长和农业生产的基础性过程，其效率在实际状况下往往会受到众多因素的限制。本文针对农业生产中光合作用的限速因素予以分析，揭示出光能利用效率、二氧化碳浓度以及温度等环境因素给光合作用带来的影响，并对相关优化策略展开探讨。经研究表明，群体冠层光分布不均匀、二氧化碳供应欠缺以及极端温度所产生的负面效应是主要的限制因素。为增进光合作用效率，本文提出诸如株型改良、封闭环境二氧化碳富集技术以及选择耐温品种等优化举措，期望能为现代农业生产给予理论支撑和实践引导。

关键词：光合作用；限速因素；农业生产

一、引言

近年来，伴随全球气候变化以及农业生产压力的不断增大，提高光合作用效率已然成为农业发展的关键议题之一。我国政府对农业科技创新极为重视，特别是在提升作物产量与质量方面。国家颁布了一系列的政策，以激励农业科技研究与应用，推动精准农业和绿色农业的发展。例如，《农业绿色发展规划（2021-2025 年）》明确指出，要强化对作物生长环境的调控，实现对光能、二氧化碳等资源的高效利用，从而提升农业生产效率和可持续性[1]。光合作用效率的提升，不但能够直接推动粮食生产，而且可为我国农业应对气候变化、保障粮食安全给予有力支撑。鉴于此，本研究致力于剖析光合作用的限速因素，并提出优化之策，以契合国家政策对于现代农业转型的需求。

二、农业生产中光合作用限速现状分析

（一）光能利用效率现状

在大田作物中，光能捕获率通常处于较低水平，大致在 1%至 2%之间，和理论最大值相比差距甚远。这主要是受到作物生长环境、光照条件以及品种特性等因素的限制。在传统农业里，鉴于作物种植密度、冠层结构等方面的因素，光的分布常常不够均匀，致使部分植物难以有效利用光能。伴随设施农业的发展，补光技术逐渐成为提升光能利用效率的重要途径，特别是在低光照季节或者气候条件之下，能够借助人工光源来增强光照强度。然而，补光设备能耗较高，成本问题依旧是制约其大规模应用的首要因素。

（二）CO₂浓度限制现状

二氧化碳（CO₂）乃是光合作用里至关重要的关键要素之一，其浓度对作物的光合速率有着直接影响。然而现今，大气 CO₂浓度的变动已成为制约光合作用效率的主要因素之一。在全球范畴内，尽管 CO₂浓度自工业革命起持续攀升，但在部分农业生产环境里，特别是在开放田地或自然生态系统中，CO₂的供应依旧受到限制，致使光合作用难以发挥其潜在能力。尤其在高光照强度以及干旱条件下，CO₂浓度的不足更为显著，对作物的光合作用效率形成了严重限制。

（三）温度调控现状

通常情况下，作物的光合作用在特定的温度范围内效率最高，一旦超出该范围便会致使光合速率降低。在我国，鉴于气候变化的不断加剧，极端高温现象愈发频繁地出现，诸多地区的气温已然超出了作物光合作用的适宜温度范畴，致使作物光合酶失去活性、叶片蒸腾作用增强等不良后果产生，继而对农作物的产量与质量形成影响。为有效应对这一严峻挑战，在农业领域中，已着手对温控技术展开探索，特别是在设施农业以及温室种植方面，借助环境温控系统来维系作物生长的适宜温度区间。

三、农业生产中光合作用限速现存的问题

（一）群体冠层光分布不均

由于作物植株的生长密度、株型以及排列方式存在差异，从而使得光照在整个冠层内的分布往往不均衡，致使部分植株难以充分获取到光照资源。这种光照的不均匀性，会极大程度地降低冠层下部或背光面叶片的光合作用效率，进而对整个作物群体的光合作用潜力形成限制。尤其在大田作物中，随着种植密度的增大，植株间的遮挡效应会更为显著，那些低矮或生长较慢的植株常常处于光照不佳的位置，难以实现对光能的最佳吸收。

（二）CO₂供应不足

尽管大气里的 CO₂浓度持续攀升，然而因气候条件、光照强度以及植物生长阶段等诸般因素的变动，CO₂的实际有效供应时常匮乏，特别是在高光照抑或高温时段，CO₂的需求骤增，可其供应却难以契合作物之需求。而在封闭环境或温室里，CO₂供应不足的状况尤为显著，虽说可借由人工控制 CO₂浓度来提升光合作用效率，可这一技术依旧受限于成本与技术实现。

（三）极端高温导致的酶失活

温度过高会致使植物体内的光合作用酶失活，对光合作用进程产生严重影响。在光合作用过程中，众多酶的活性对温度极为敏感，当环境温度超出作物的最适生长范畴时，酶的结构或许会发生变性，进而丧失催化作用，引致光合作用速率大幅下降。高温还会使植物的水分蒸发加剧，增大蒸腾作用，致使植物于高温环境下不但面临酶失活的风险，还可能因水分匮乏而对其整体生理功能造成影响。

四、农业生产中光合作用限速的优化策略

（一）株型改良与群体结构设计

对作物株型予以优化，可实现冠层光分布的改善，降低光照的遮挡与浪费情况，进而提升作物整体的光合效率。作物株型的改良可从植株高度、叶片分布以及分枝结构等方面展开，选取具备更大光捕获面积以及良好光合特性的品种。比如，通过选用矮秆且高光合效率的品种，来削减遮阴效应，保证低矮植株能够获得充足光照。与此同时，群体结构的设计也是增进光能利用的关键手段。凭借合理的种植密度与行距设计，可优化植物间的空间分布，确保每株植株都能最大限度地吸收光照，防止群体因过于密集而出现相互遮挡现象。另外，采用间作或混作的方式，将不同类型的作物引入群体中，可进一步提升光能的利用效率。

（二）开放式空气CO₂富集（FACE）

开放式空气 CO₂ 富集（FACE）技术属于通过提升大气中二氧化碳浓度以推动作物光合作用效率的一种先进方式。于这一技术中，二氧化碳会被直接引入至作物生长的开放环境内，用于模拟未来可能出现的高二氧化碳浓度情形，由此提高作物对二氧化碳的吸收和利用效率。FACE 技术的核心优势体现于可在并非完全封闭的环境里，实现对 CO₂浓度的精确把控，并保障其分布的均匀性，由此规避了传统温室中 CO₂浓度不均衡的状况。该技术能够极大地增进作物的光合作用速率，促进作物的生长并提升产量，特别是在 CO₂浓度处于较低水平时，能够有力地缓解光合作用所受到的 CO₂限制。不过，FACE 技术在广泛应用方面依旧面临着高成本以及设备维护等方面的挑战，而且在不同作物与环境条件下其效果或许会存在差异。

结语

随着气候变化的加剧和农业生产需求的提升怎样切实有效地克服相关限制以提升作物的光合作用效率，已成为推动农业发展的关键所在。株型改良、CO₂富集技术、耐温品种的选育等优化策略，给解决此问题提供了强有力的理论支撑和实践途径。在未来，伴随科技的持续进步，这些策略将会获得更为广泛的运用，从而为提升农业生产效率、确保粮食安全以及应对气候变化挑战给予更为可行的解决办法。要达成农业生产的高效、绿色以及可持续发展，依然需要我们不停地探索、创新，并且积极推进相关技术和政策的施行。

参考文献

[1]李春黎，车灵毓，罗军红，等.宜都市近30年气候变化特征及对农业生产的影响[J].人民长江，2024，55（S01）：26-28+42.

[2]沈允钢，程建峰.光合作用与农业生产[J].植物生理学通讯，2010，46（06）：513-516.