第四章 作物与大气.ppt

第四章作物与大气 第一节大气成分及其对作物的生态作用一 大气成分以体积计算 N2 78 O2 21 CO2 0 032 以及水汽 CH4和 xO等 氮气是植物有机体中氮元素的间接来源之一 大气中虽然含量大 但它不能被绝大多数作物直接利用 但是它可以通过少数植物的根瘤菌类等生物固氮 工业固氮以及闪电固氮等形式 为植物所利用 大气中的氧气占大气体积的21 其中有一部分进入土壤或溶于水中 大气 土壤空气和水层中的氧是植物茎叶和根系进行呼吸必不可少的成分 在农业生物层中 CO2既是植物进行光合作用 制造有机物的原料 又对气候的形成有特殊作用 大气与作物群体中的CO2浓度不仅与能量 风速和大气稳定性有关 而且还受许多生物的环境因子的制约 因此它的浓度是在不停变化的 水汽 在大气组成中 水汽的含量是不定的 它主要来源于水面及潮湿路面的水分蒸发及植物蒸腾 水汽含量对植物生长发育有很重要的作用 它影响植物蒸腾 土壤蒸发 并间接制约着植物对二氧化碳的吸收 病菌的萌发和发展 水汽的凝结物更是作物所必需的 二 CO2与O2的生态作用 一 CO2的生态过程 CO2浓度的年变化 百万分之一 二 O2的生态作用 大气中的O2主要来源于光合作用 生物界所需要的能量 主要靠氧化代谢产物 以提供机体需要 是生物生存必不可少的物质 三 大气中CO2与O2的平衡 通过光合作用 CO2进入植物内部 形成碳水化合物 释放出O2 同时 植物 动物通过呼吸作用 吸收植物释放出的O2后 释放出CO2 使整个大气层中CO2和O2处于动态平衡状态 由此可见 绿色植物是大气环境中二氧化碳和氧气的主要 调节器 它吸收二氧化碳释放出氧气 能够恢复和维持大气中的二氧化碳与氧的平衡 第二节CO2的生物学效应 一 作物吸收CO2 一 CO2进入作物体内的途径第一段 CO2从大气主要通过湍流和对流交换输送到叶片附近 距离最长 阻力最小 第二段 CO2从叶片周围气孔进入到叶肉细胞表面 第三段 从叶肉细胞到叶绿体 距离最短 阻力最大 湍流是指流场中某点流动速度的大小和方向随时间不规则地变化的流动 CO2在叶内扩散量的表达式为 假定空气中CO2浓度为300ppm 二 作物群体中的CO2的循环 二 CO2浓度与光合速率的关系 1 光合速率 mol m2 s photosyntheticrate单位时间内单位面积上光合作用吸收的CO2量或放出CO2量来表示 或者用光合产物的干物质累积量表示g m2 h 2 CO2浓度饱和点与补偿点饱和点 在辐射充分满足的条件下 作物的光合速率不在随CO2浓度的增加而增大时的CO2浓度 补偿点 植物光合作用所消耗的CO2与呼吸作用释放的CO2达到平衡时 环境中的CO2浓度为补偿点 此时光合速率为0 3 CO2利用率与光照强度有关 弱光时 作物只能利用较低的CO2浓度 强光时 作物能利用较高的CO2浓度 4 CO2浓度不足是影响光合速率的限制因子 如果每日每平方厘米叶面积生产20mg干物质 约需29mg二氧化碳 一般农田土壤每日可供应1 10mg左右二氧化碳 其余部分只能取自高空大气 则需消耗约50升空气中全部的二氧化碳 则在正常的光照条件下 只要一分钟的光合作用就会耗尽叶层周围空气中的二氧化碳 因此要通过湍流扩散输送周围空气的CO2 但是作物群体湍流扩散率很低 一般为10 100cm s 但作物要求至少应达到1000cm s 5 一般作物CO2浓度饱和点远远大于空气中CO2的浓度 CO2浓度为1275ppm时 其幼苗鲜重 干重 早期产量均比二氧化碳浓度为233ppm时高 早期增产18 2704 2779 三 作物群体中CO2条件 一 农田生态系统中的CO21 日变化 不同季节的日变化 日变化与光照强度之间的关系 各高度CO2浓度日变化 2 垂直变化 CO2浓度最低点出现在作物的某一高度 最低点 CO2浓度汇 浓度最低点 的位置变化 二 设施园艺内的CO2浓度的日变化 1 温室中CO2的收支情况 2 大棚内CO2浓度日变化 通风换气后CO2浓度变化 50ppm 3 设施高度与CO2浓度的关系 4 是否施有机物对CO2浓度的变化 5 设施内各部分CO2的分布情况 四 CO2施肥 将温室CO2浓度提高到高于大气浓度的适当水平 可获得增加光合强度 增加园艺产品产量的效果 一 增施CO2对作物生长发育的影响1 发育期高浓度CO2条件下 碳素营养的增加有时也可以使作物某些器官的生产和形成的物候期提高 2 生物量 重量 株高 叶片 根 CO2浓度增加后 可使根的总干重及其分布密度增加 特别是干旱条件下生长的作用 其根干重增加最为明显 700ppm浓度处理的棉花 地下部分形成了一个密集而庞大的网络结构 从而增加根系摄取地下水分和无机养分的面积 3 产量 4 成分 3691530CO2浓度 100ppm 含有率 含有量 3691530CO2浓度 100ppm CO2浓度 100ppm 含有率 含有量 二 CO2的应用 1 适宜的浓度 2 施用场地 CO2是气体物质 易扩散 在露地 大田使用效果不佳 适宜在玻璃温室 塑料大绷等较密闭的环境中施用 特别在冬季蔬菜 花卉栽培中 为了保温而减少通风换气 不易从大气补充足量的CO2 白天因光合作用CO2浓度有时可低于5 10 6 作物时常处于CO2饥饿状态 及时补充CO2会取得较好的效果 3 施用量 Ci 室内空气CO2设定浓度 g m3 1mL L 1 83 10 3g m3 Co 室外空气CO2浓度 一般可取为0 6g m3 n 换气次数 次 h 一般1 3次 h V 温室内容积 m3 Fs 温室地面面积 m2 P 单位植物叶面积对CO2的平均吸收强度 与植物的种类 生育阶段 生长情况 温度及光照强度等因素有关 一般约为0 5 0 8 103g m2 s fc 植物叶面积指数 一般为2 5 Ps 单位温室面积的土壤CO2呼出强度 g m2 s 与土壤中有机质含量 土壤温度 含水量和通气状况等有关 一般情况可取为0 03 0 2 10 3g m2 s 应高于补偿点 低于饱和点 CO2的饱和点远大于大气中的CO2浓度 一般为800 1800mL L或更高 光照越强饱和点越高 施用浓度晴天 1000 1500mL L 阴天 500 1000mL L 4 施用时期 适宜施用CO2的植物生长期 叶菜和根菜类在前期施用 果菜类蔬菜 为避免茎叶过于繁茂 应在开花结果期 CO2吸收量较快增长时开始施用 一天之内的施用时间 光合产物量 一般作物上午占全天的3 4 下午仅占1 4 光合产物分配 上午施用的CO2在果实 根中的分配比率较高 下午施用时 在叶内积累较多 将促使枝叶过于繁茂 还可能造成叶片内淀粉积累而早衰植物产品产量 果菜类蔬菜上午施用CO2的产量较高 一般选择在上午施用CO2 下午一般不考虑施用施用开始时间 日出后1小时左右 在北京地区冬季上午9时左右 施用时间长短 根据栽培目标与环境温度 光照条件而定 换气之前30分钟应停止施用 在整个栽培过程中 在施用首期和末期 每天施用时间应短些 浓度渐变 以便作物驯化 逐步适应新的CO2环境 避免植株早衰 每天施用2 3h 雨天不施为宜 5 CO2肥源及施肥设备 有机肥发酵依靠有机物分解产生CO2 肥源成本低 简单易行 但CO2的发生量 发生时间较为集中 不便调控 燃烧碳氢化合物依靠燃烧煤油 天然气或液化石油气等燃料获得CO2 燃烧后的气体中的SO2及CO等有害气体不能超过对植物产生危害的浓度 因此要求燃料纯净 并采用专用的CO2发生器 该方法控制容易 但成本较高 在国外采用较多 国内应用较少 1 肥源 采用化学药剂的二氧化碳发生器 设备构造简单 操作简便 费用低 副产物硫酸铵可作化肥使用 发生设备 燃烧普通燃煤或焦炭产生CO2 燃料来源容易 一般1kg煤燃烧后约产生2 4kgCO2 燃烧过程中常产生SO2及CO等有害气体 不能直接作为气肥使用 图示国内厂家开发的采用普通炉具的CO2发生设备 将普通煤炉燃烧的烟气经过过滤器除掉粉尘和煤焦油等成份 再用气泵送入反应室 烟气通入特别配置的药液中 通过化学反应 有害气体被吸收后 输出纯净的CO2 液态CO2 为酒精工业等生产的副产品 CO2经压缩盛放于钢瓶内 使用时打开阀门释放到温室内 为方便控制 钢瓶出口装设压力调节阀 将CO2压力降至0 1 0 15Mpa后释放 采用管道输送 沿管长方向开设小孔 或在室内采用循环风机使空气流动 以促进CO2均匀扩散 这种方式使用简便 便于控制 费用也较低 适合附近有液态CO2副产品供应的温室生产地区使用 2 发生设备 5 CO2施肥栽培管理的特点 1 选用适于增施二氧化碳的品种2 培育定植后生长势适中的优质幼苗3 施肥与灌水4 温度施肥期间 白天适温比一般的适温提高2 3 夜间要比一般适温低2 第三节氧的生物学效应 一 呼吸代谢与氧浓度的关系 一 呼吸代谢有氧呼吸 无氧呼吸 二 呼吸代谢与氧浓度的关系 氧浓度下降时 有氧呼吸速度下降 特别在1 5 低浓度范围内明显下降 氧浓度下降时 无氧呼吸增高 而有氧呼吸降低 无氧呼吸 无氧呼吸导致作物死亡 1 无氧呼吸产生乙醇 使细胞蛋白质变性 2 无氧呼吸产生的能量只占有氧呼吸的百分子几 因此要维持正常的生理需要 就要消耗更多的有机物 作物体内养分消耗过多 3 无氧呼吸造成生理过程中的许多中间产物无法形成 因此会影响作物体内其他重要有机物的形成 二 呼吸漂移与呼吸高峰 一 呼吸漂移指作物的某一生命阶段 呼吸强度起伏的总趋势 二 呼吸高峰与乙烯 1 呼吸高峰高峰型 苹果 香蕉等生长与成熟阶段明显不同 并且要经过一个明显的成熟期 果实风味最好是在呼吸高峰稍后一段时期 无高峰型 葡萄 柑橘等生长与成熟阶段无明显的界限 果实充分生长基本也就充分成熟了 2 乙烯 C2H4 乙烯是作物本身产生的一种气体化合物 作为一种成熟激素 主要作用是提高作物的呼吸代谢 加速呼吸高峰的出现 能控制作物的成熟速度 高峰型果蔬的特点 呼吸高峰与其自身产生的乙烯平起平落 外加乙烯促进呼吸高峰出现及催熟反应 无高峰型果蔬生产的乙烯很少 外加乙烯不会明显刺激内源乙烯的生产 但能够产生类似呼吸高峰模式的呼吸变化 第四节果蔬保鲜贮藏 一 调节气体成分对呼吸代谢的影响通过降低贮藏环境中氧浓度和提高二氧化碳浓度 既可降低呼吸强度 延缓衰老过程 又可抑制病原微生物生长发育 从而达到延长果蔬保鲜贮藏的目的 一 氧浓度生理效应SAM S 腺苷蛋氨酸ACC 氨基环丙烷羧酸1 氧的临界浓度二氧化碳释放量达最低点时 空气中氧浓度称为氧的临界浓度 2 贮藏氧浓度要求氧气浓度应大于氧的临界浓度值 3 不同种类的果蔬对氧浓度敏感不同 大部分果蔬氧浓度范围 二 CO2的生理效应 细胞内高浓度二氧化碳可减弱成熟衰老的速度 适当提高CO2浓度 有利于延迟后熟衰老 二氧化碳对柠檬的呼吸代谢有一定的刺激作用 三 综合作用 对抑制果蔬成熟衰老来说 适宜的温度 二氧化碳和氧浓度的综合作用大大强于某一个因子的单独作用 对大多数果蔬来说 最适宜的贮藏条件是 温度0 4 4 氧3 二氧化碳0 5 二 果蔬贮藏方式 一 简易贮藏利用气候的寒暑变化和土壤层温度变化平稳缓慢的自然特性 在土壤中开沟挖窖来进行贮藏的方式 包括沟藏 窖藏等 山东烟台的苹果贮藏沟 四川的吊金窖 西北黄土高原的窖藏等都是属于简易贮藏 优点 结构简单 投资少 贮藏效果好缺点 占地多 费工 贮藏量少 受气候变化影响大 简易贮藏的管理 在入贮初期需尽快降低产品温度和贮藏环境温度 中后期注意防冻保温 二 机械制冷 是在有良好隔热性能的库房中装置冷冻机械设备 通过压缩机制冷等人工调控措施 控制库内的温度 湿度等环境条件 可以是许多水果 蔬菜得以较长期贮藏和长途运输 实现不分寒暑 周年贮藏水果蔬菜 三 气调贮藏 是人为地调节或利用贮藏物自身呼吸作用来调节贮藏环境中O2 CO2的含量 降低贮藏物的代谢作用速度和乙烯的产生 抑制微生物的活动 从而达到延缓贮藏物衰老 败坏 延长贮藏时间提高保鲜质量的贮藏方式 常见的方式有 塑料小包装定期换气 人工降氧 气调冷藏库贮藏等 自发气调贮藏 MAstorage 由于果蔬在密闭容器中的呼吸作用 不断消耗O2 释放CO2 使容器中O2浓度降低 CO2浓度升高 当CO2和O2浓度达到一定比例时 构成适宜的气调贮藏环境 人工气调贮藏 CAstorage 气调冷藏库在普通冷藏库的基础上 对库体进行气密性处理 并配置气体调节系统 湿度调节系统 可以根据贮藏产品的特性人为调节温度 湿度 O2 CO2浓度