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农业气象学Agrometeorology 1 第一章 绪论 2 主要内容 1农业生产与气象条件 2农业气象学的定义及其主要内容 3农业气象学的诞生与发展 3 本章重点 农业与气象的关系 农业气象学的定义 农业气象学的主要内容 4 1农业生产与气象条件 影响农业生产的外界自然条件 气象条件对农业生产影响的主要方面 农业生产中应该重视的几个气象问题 土壤 植物 大气 系统 SPAS 5 一 影响农业生产的外界自然条件 主要包括 土壤 土壤性质 沙 壤 粘 PH值土壤肥力 有机质 氮 磷 钾气候 光 热 水 气地形地势 海拔 坡度坡向 小地形 水体 go 6 back 7 二 气象条件对农业生产影响的主要方面 1 气象条件作为自然资源 直接或间接地为农业生物的生长发育及其产量形成提供必需的能量与物质 2 农业生物的生命过程既然是在外界自然环境中完成 就不可避免地会受到有利和不利气象条件的影响 即使今后农业生产技术达到了极高水平 人们还是要根据以至于控制气象条件来安排农业生产 8 3 气象条件还会通过其它外界环境条件如土壤 水文等的作用来影响农业生产 4 在气象条件中 光 热 水 气诸因子既不能互相代替 又互相制约 综合地影响着农业生产 其不同的组合对农业生产会有不同的影响 不利的组合将导致减产 有利的组合会使农业增产 而最优的组合才有可能使农业生产高产 优质 高效 9 木桶能装多少水 不取决于最长的木板 而取决于最短的木板 木桶定律 10 三 农业生产中应该重视的几个气象问题 1 发展农业生产必须 因地因时制宜 所谓 时 实际上是指气象条件 即因气象条件制宜 2 不能认为只有气象条件影响农业生产 作物特别是农业生产过程中的农业技术措施也会反过来影响气象条件 11 3 精细农业或精耕细作等多项农业技术措施功能的发挥 几乎无一不与天气气候条件有关 4 农业生产对象的生长发育规律与影响农业生产气象条件的变化规律相结合所形成的农业气象规律 会对农业生产产生有利或不利影响 因此 要发展农业生产 必须掌握农业气象规律 12 四 土壤 植物 大气 系统 SPAS 从农业气象学科考虑 植物及其生产过程是一个作用系统 即 土壤 植物 大气 系统 或可称之为 农业气象系统 实际上 农业气象系统的垂直尺度并不大 系统的上边界距离地面最高不过20 30米左右 下边界深入土壤中在30 50厘米以至几米上下 13 14 2农业气象学的定义及其主要内容 农业气象学的定义 农业气象学的研究对象 农业气象学的目的 农业气象学的主要内容 15 一 农业气象学的定义 农业气象学是研究农业生产与气象条件的相互关系及其规律的科学 其研究内容包括农业生物及生产过程与天气气候条件及其变化的关系和规律 受气象条件影响和制约的农业问题及其解决途径 农业生产技术和措施对周边气象环境的影响及其调节等 以谋求合理地利用气候资源 战胜不利气象因素 促进农业发展 16 二 农业气象学的研究对象 农业气象学的研究对象是生物有机体与气象条件两者相互作用的规律及其影响 一方面要研究农业生产对气象条件的要求和气象条件对农业生产的影响 另一方面也要研究农业生产对气象条件的影响 17 三 农业气象学的目的 农业气象学的目的是从农业生产实际出发 围绕农业现代化及加强农业基础建设 实现农林牧渔全面发展和科学种养等需要 不断地认识和解决农业生产中出现的气象问题 使农业生产能充分合理地利用气候资源 战胜不利气象因素 逐步提出促进农业生产 高产 优质 高效 和可持续发展的气象条件和气象措施 18 四 农业气象学的主要内容 1 农业气象基本理论与方法研究a 农业气象监测及试验研究方法研究b 农业气象仪器研制c 农业生产与气象条件关系研究d 农业气象指标研究e 农业气象模式研究2 农业气候资源分析及其合理开发利用研究与服务3 农业气象情报 预报方法研究与服务 19 4 农业气象灾害规律及防御措施研究与服务5 农业微气象学研究与服务另外 从农业生产对象的角度出发 农业气象学主要包括 作物气象 林业气象 畜牧气象 渔业气象 20 3农业气象学的诞生与发展 中国古代的农业气象成就 中国近代农业气象学的发展 中国现代农业气象学的发展 国外农业气象学的主要进展 未来农业气象学研究的重大问题和学科发展任务 农业气象学科发展迫切需要解决的问题 21 一 中国古代的农业气象成就 1 记载中国古代丰富的农业气象经验与知识的古籍主要有 吕氏春秋 战国 氾胜之书 西汉 齐民要术 北魏 农书 宋 元 农政全书 明 二十四节气 22 2 具体例子 农时 节令 授时 农候占验 顺天时 量地力 则用力少而成功多 任情返道 劳而无获 齐民要术 北魏 伎儿鸟春来则种禾 秋去则种麦 宋本太平寰宇记 宋 23 农田小气候利用与改良技术 冬雨雪止 辄以蔺之 掩地雪 勿使从风飞去 后雪复蔺之 则立春保泽 冻虫死 来年宜稼 氾胜之书 西汉 24 农业气象灾害防御技术 凡五果花盛时 遭霜则无子 天雨新晴 北风寒切 是夜必霜 此时放火作煴 少得烟气 则免于霜矣 煴音y n 意思是没有火焰的暗火 齐民要术 北魏 25 二 中国近代农业气象学的发展 中国的近代气象观测于19世纪中叶开始由西方国家在沿海陆续兴建 辛亥革命以后才开始兴办气象站 1912年直隶农事试验总场设立了农业测候所 1922年竺可桢发表 气象与农业之关系 一文 成为中国农业气象学的奠基人 30年代40年代蒋丙然 涂长望等我国气象学家陆续发表了一批农业气象论文 编写出版了 农业气象学 教材 但总的看 由于长期战乱 中国农业气象事业基本处于停顿状态 26 三 中国现代农业气象学的发展 1 初创探索时期 1953 1958年 农业气象成为体系完整的一门学科是新中国成立以后的事情 经中国科学院副院长竺可桢的倡导 中国科学院与农业部协商 由中国科学院地球物理研究所与华北农业科学研究所合作 于1953年3月在华北农业科学研究所成立了农业气象组 并在1957年中国农业科学院成立后扩大为农业气象研究室 人员由中国农业科学院 中国科学院地理研究所和中央气象局三方派人组成 1958年中央气象局为适应全国农业气象业务工作开展的需要成立农业气象研究室 1953年起各大区和部分省相继成立农业气象研究机构 1957年起在全国建立了一批农业气象试验站 27 1953年北京农业大学招收了我国第一批农业气象研究生 同年农业部委托军委气象局举办首届农业气象训练班 1956年北京农业大学创办了农业气象专业 1954年中央气象局成立了农业气象组 同年改为农业气象科 1956年改为农业气象处 形成了系统的农业气象业务管理体系 1955年开始在全国布置一些台站开展农业气象观测 1954年开始陆续编制农业气象观测方法的有关规定 28 2 发展 调整 稳步发展时期 1958 1965年 1960年南京气象学院成立农业气象系 其他一些农业院校和气象大中专院校也先后设立过农业气象专业 全国绝大多数农业院校都开设了农业气象课 1963年在 全国农业发展纲要 中增加了加强农业气候和农业气象以及农业区划的内容 1964年 竺可桢发表论文 论我国气候的几个特点及其与粮食生产的关系 1965年 黄秉维发表论文 发展农业生产的途径与农业自然条件的研究 另外 该时期农业气象灾害指标和农田小气候等研究取得了较大的进展 29 3 停滞时期 1966 1976年 1969年中央气象局的农业气象工作被取消 1971年中国农业科学研究院农业气象研究室下放到地方 各地的农业气象机构也多被下放 合并或撤消 农业气象高等教育停止招生 30 4 重建发展时期 1977年以后 1977年农业气象高等教育恢复 80年代以后许多院校建立了农业气象的硕士点 2005年以来中国农业科学院 南京信息工程大学 前南京气象学院 中国农业大学 前北京农业大学 先后设立了以农业气象为主要内容的博士点 标志着中国的农业气象教育事业已形成完整的体系 1978年中国气象学会农业气象专业委员会成立 1981年中国农学会农业气象研究会成立 1992年改为农业气象分会 1979年中国农科院创办了 农业气象 1988年改为 中国农业气象 是我国目前唯一公开发行的农业气象专门学术刊物 31 20世纪70年代末至80年代初开展全国农业气候区划工作 并在90年代进一步深化细化 为我国农业生产的合理布局提供了基本依据 20世纪80年代中期以后我国农业气象科研和业务进入稳定发展的新时期 建设了居世界先进水平的全国农业气象观测和业务网络 开展了一批有影响的农业气象科研项目 如作物产量气象预报 作物生长数值模拟 亚热带山区气候资源开发利用 重大农业气象灾害防御技术等 国际学术交流日益活跃 从1979年起中国开始参加世界气象组织农业气象委员会的各项活动 除派出大量人员出国参加学术交流与考察 进修外 在中国也召开过多次农业气象国际学术会议 世界气象组织还在南京建立了农业气象培训基地 32 出版了多部农业气象专著 1986年中国农业出版社出版了由中国农业气象界共同编撰的 中国农业百科全书 农业气象卷 1999年出版了 中国农业气象学 和 中国农业气候学 2001年出版 中国林业气象学 1991年中国气象局组织编写出版了 中国的气候与农业 中英文版 三十年来 我国的农业气象科学技术水平得到了迅速提高 成为当今世界农业气象事业较为发达的国家之一 为我国农业的发展作出了积极贡献 33 四 国外农业气象学的主要进展 1 近代农业气象学进展1735年 法国DeR aumur提出热量常数的概念 指出各种作物完成每个发育期都需要相应的温度总和 1854年 L Blodge在美国政府的农业报告中发表了一篇农业气象报告 1854年 俄国 出版了世界第一本 农业气象学 标志着农业气象学科理论体系的初步形成 1854年 L Blodge首次提出农业气候相似理论 34 1872年起 美国国家天气局开始发布每周天气和作物公报 这是最早的规范化农业气象业务工作 1875 1878年 F Haberlandt给出了大多数作物的积温指标 1880年 在奥地利举行了首次国际农业和森林气象学会议 1881年 德国R Assmann发起成立了农业气象协会 并根据250个观测站的资料编印 农业气象月报 1885年 俄国建立了世界上第一批12个农业气象站 于1897年成立了俄国的农业气象机构 组建了农业气象站网 按照平行观测原则制定了农业气象观测方法 从1922年起编制农业气象旬报 35 1913年 国际气象组织 IMO 设立了农业气象委员会 CAgM 1919年 美国W W Garner和H A Alard发现了光周期现象并逐步形成了光周期理论 1927年 德国R Geiger出版了 近地面气层气候 1937年 苏联 出版了 世界农业气候手册 1939年 G Azzi将农业气象学与农业生态学联系起来 划分了意大利小麦自然地理区 开创了农业气候区划的先河 1945年 日本大后美保发表了 日本作物气象的研究 1948年 英国H L Penman综合辐射平衡和空气动力学方程得出了蒸发量计算公式 36 2 现代农业气象学的进展20世纪50年代以后农业气象学家对作物与气象关系进行了更加深入的研究 热量平衡和空气动力学方法开始应用于农田水分平衡与灌溉管理 英国的J L Monteith在Penman公式的基础上进一步提出了可用于植被蒸散量估算的Penman Monteith公式 60年代以后各国开展了土壤 植被 大气连续体SPAC和人工气候室模拟实验研究 70年代以来 随着计算机技术 卫星探测技术 地理信息系统 全球定位系统及电子测试技术的发展和广泛应用 农业气象学研究在观测方法 实验手段 数据分析到理论模式研究方面都提高到了一个新的水平 37 五 未来农业气象学研究的重大问题和学科发展的任务1 农业气候资源高效利用与食物 能源安全 1 农业气候资源生产潜力评估与农业结构调整及产地优化布局 2 主要粮食作物高产优质高效生产的农业气象保障 3 中国与世界短期气候预测 产量预报及农产品贸易对策 4 气象能源 生物能源生产与气象条件的关系及调控原理 5 农业气象在生物技术开发中的应用 38 2 农业气象减灾与生态安全 1 主要农业气象灾害的发生机理 减灾对策 预警预报与补救技术 2 农业气象灾害的风险管理与农业灾害保险 3 农业气象学与水土保持及土地资源高效利用 4 有害生物入侵与气象的关系及防治对策 5 气候鉴定在农业工程 生态安全及生物多样性保护中的应用 39 3 农业气象学在应对水资源危机及高效用水中的作用 1 农业气象在旱作节水农业中的应用 2 农业气象在非常规水资源开发利用中的应用 3 农业气象在流域水资源优化配置与高效利用中的应用 40 4 生物气象与特色农业 1 生物气象基础指标鉴定与生物气象模式创建 2 植物生物气象原理与发展特色农业 3 动物生物气象原理与畜牧气象服务 4 鱼类生物气象原理与渔业气象服务 5 昆虫生物气象原理与虫害预报 6 微生物生物气象原理与发展微生物产业 41 5 农业小气候调控与设施农业及农业产业化 1 农田小气候与调节改良 2 林地小气候与调控 3 设施小气候与设施农业 4 地形气候与气候资源利用 5 农机作业与农事活动的气象要求与调控技术 6 农产品运输贮藏加工中的小气候调控 42 6 气候变化对农业的影响及适应对策 1 气候变化对中国与世界农产品产量与市场的影响及贸易对策 2 不同气候区应对气候变化的农业适应对策研究 3 农业源温室气体减排技术研究 4 气候变化对中国农业气象灾害发生的影响与减灾对策 43 7 农业气象与农业信息化现代化 1 3S 技术在气候资源保护 利用中的应用 2 农业气象环境要素的精确遥测与隔测技术 3 作物模式在产量预报 精准农业管理和农产品贸易中的应用 4 农业气象灾害与农业生态环境监测预警系统建设 44 六 我国农业气象学科发展迫切需要解决的问题1 加强农业气象基础理论的研究2 稳定机构与队伍 科研 业务 教学 推广形成良性互动的有机整体3 加强农业气象观测试验网络建设 重视基础性技术工作4 加快引进国际先进仪器设备的国产化和国产仪器的创新研制5 研究和应用推广先进适用的农业气象调控技术6 农业气象信息资源的共享与向农民服务的有效手段7 制定鼓励农业气象科技人员深入生产第一线的政策8 引进人才和加快农业气象人才的培养9 中国农业气象科技要走向世界 45 第二章 太阳辐射与农业生产 46 主要内容 1光的生物学意义与植物的光学特性 2光照长度对植物的影响 3光照强度对植物的影响 4不同光谱成分对植物的影响 5光能利用率及其提高途径实习1 作物光能利用率的计算及分析 47 本章重点与难点 本章重点 光合有效辐射 光周期现象 感光性 光饱和点与光补偿点 光能利用率等基本概念 光周期学说在农业生产中的应用 光 光合作用关系分析 光能利用状况及提高途径分析 本章难点 光周期学说及其应用 光 光合作用关系理论分析 48 1光的生物学意义与植物的光学特性 一 光的生物学意义二 植物的光学特性三 光在群体中的分布 49 一 光的生物学意义 1 太阳辐射的重要性 太阳辐射是地球上生物有机体的主要能量源泉 太阳辐射是大气运动和产生各种天气气候现象的主要能量源泉 50 2 光的生物学意义 太阳辐射对植物的作用 光合效应 热效应 光的形态效应光还在相当程度上影响植物的地理分布 各种辐射波段对植物的重要性见表2 1 51 表2 1辐射波段及其对植物生命活动的重要性 52 3 光对植物影响的主要方式 光主要从三个方面对植物产生影响 光长 即光照时间的长短 光强 即光照的强弱 光质 即光谱组成的不同 53 4 研究太阳辐射与农业生产的重要意义 绿色植物通过光合作用所合成的物质约占其干重的90 95 太阳辐射能投射到植物体上真正为植物所利用进行光合作用部分却很少 光能利用率低 因此 提高作物的光能利用率是农业生产中的一个十分重要的课题 当然也是农业气象学的主要任务之一 54 二 植物的光学特性 1 单叶叶片对光的反射 透射和吸收 1 基本概念 反射 投射到叶面的太阳辐射被直接反射到太空中去的部分称为外反射 进入叶片内部不能被叶片吸收从投射一侧返回空气中的部分称为内反射 外 内反射之和称为反射 55 56 吸收 进入叶片内部的太阳辐射被叶片吸收的部分称为吸收 透射 进入叶片内部不能被叶片吸收从投射对面一侧向叶外逸出的部分称为透射 反射率R 透射率T和吸收率A之间关系 R T A 1 57 58 2 绿色叶片的能量平衡 a 能量用于光合作用 b 能量用于叶子向周围环境散热 c 余下的能量转化为热能 可使623 640克的水分燕腾 并在光合作用中形成约1克物质 59 3 影响叶片对光的反射 透射 吸收能力的因素 太阳光谱成分表2 2绿叶对不同波段的平均反射 透射 吸收率 60 植物种类 叶龄 叶片的表面形态 颜色 叶片的水分含量 光的投射角度 天气状况 季节 生育期因此 叶片对太阳辐射的反射率 透射率和吸收率存在着日变化 季节变化 不是一个定值 有一定的变化范围 61 2 群体叶片对日光的反射 透射和吸收 太阳辐射进入植被内部 经过植被中茎叶层层的反射 透射和吸收 当然还包括漏射 而被削弱 形成了一个较复杂的过程 关于群体叶片对日光的反射 透射和吸收能力 可归纳出以下四点看法 62 1 同一种农田的植被 对于不同波长的辐射 其反射 透射和吸收能力不同 2 同一种波长的辐射 不同作物 同一作物不同的生长发育状况 包括品种 密度 叶龄 叶形 叶片的颜色和含水量等等 其反射 透射和吸收能力不同 63 3 反射 透射和吸收率不是一个常数 在任一光谱中有一定幅度 4 群体对日光的反射率和透射率要比单叶明显地小 而吸收率却明显地高于单叶 如稻 麦作物 叶片向上斜立 其反射和透射光几乎都比单叶少一半左右 一般在抽穗开花期 群体的反射率约5 7 透射率约4 7 而群体的吸收率则高达85 90 64 三 光在群体中的分布 1 光在群体中的分布规律由于受作物品种 群体的几何结构以及密度等因素影响 植被中光强的垂直变化十分复杂 但其垂直分布有一定的规律 如油菜 小麦等 图2 1 65 图2 1相对总辐射在植被中的分布 翁笃鸣等 1981 相100对80油菜总60辐40射20小麦 0100806040200相对株高 油菜株高158厘米 小麦株高123厘米 66 在实际工作中常用透光率来表征农田中的透光情况 透光率 所测高度处的照度与农田上方照度的比值 用小数或百分数表示 也称相对照度 67 农田中透光率的分布曲线与光强的分布曲线完全一致 亦随深度迅速递减 其递减率与叶片的铅直分布关系密切 68 农田中各高度透光率存在着相同的日变化 由于太阳高度角的改变 中午时透光率最大 早晚时透光率较小 例如在对棉花的观测中发现 在始花期 早晚的透光率为10 而正午时透光率可达到41 69 2 光在群体中垂直分布规律的数学描述 门司正三和佐伯敏郎 日本 1953年从实际观测 大田切片法 和理论推算两个方面建立了光强对叶面积的依赖关系 他们假定 叶层是由叶片等植物器官所组成的均一介质 并把比尔 Beer 定律引入到群体中光强垂直分布的研究 提出了著名的门司 佐伯公式 70 门司 佐伯公式 I I0exp kF 式中 I0为冠层 群体顶部 的光强 I为各层的光强 k为群体叶层光强衰减系数或群体消光系数 F为各层次以上部分的叶面积之和 71 群体消光系数k值可用下式求算 k ln I I0 F式中 I I0即透光率 k值是一个无量纲数 它描述了叶片的遮阴程度 当上层叶面积大时 k值就大 光强衰减就明显 72 注意 实际上 大田内部的情况十分复杂 影响k值的因素非常多 包括叶片大小 厚薄 表面光滑度 叶绿素含量以及叶片含水量等影响叶片反射 透射和吸收的因素 入射光的方向和光谱成分 叶片角度及群体的结构 季节 天气以及时间等 因此 K值不是一个稳定的值 73 在实际应用中 禾谷类作物K值较稳定 因而使用平均值代替 一般地 k值小于1 据门司和佐伯测算 草中的k值为0 3 0 5 水平叶子作物层中的k值为0 7 1 0 而中科院上海植生所测得的水稻叶层的k值在0 67 0 74之间 平均达到0 71 表2 3 74 表2 3叶层的光分布及光强衰减系数 上海植生所 1959 75 注意 门司 佐伯公式适用的条件象均一介质是不可能满足的 但在实际观测中 光在群体中的垂直变化确实符合负指数规律 所以门司 佐伯公式目前还是得到了广泛的应用 76 2光照长度对植物的影响 一 植物的光周期现象二 光照长度与植物发育关系的几种解释三 光周期对植物生长发育的影响四 光周期学说在农业生产中的应用 77 一 植物的光周期现象 1 日照长度和光照长度 日照长度 是指一地每天从日出到日落之间的日照时数 是一种在一定地区各年之间比较稳定的气候要素 光照长度 也称为光长 它和日照长度不同 它包括日照长度和曙暮光时段 78 2 光周期地球上不同纬度地区的温度 雨量和昼夜长度等会随季节有规律地变化 在各种气象因子中 昼夜长度变化是最可靠的信号 不同纬度地区昼夜长度的季节性变化是很准确的 纬度愈高的地区 夏季昼愈长 夜愈短 冬季昼愈短 夜愈长 春分和秋分时 各纬度地区昼夜长度相等 均为12h 自然界一昼夜间的光暗交替称为光周期 photoperiod 79 北半球不同纬度地区昼夜长度的季节变化 80 3 植物光周期现象 1 植物光周期现象的概念昼夜光照与黑暗的交替对植物发育 主要是开花 有显著影响的现象称为光周期现象 photoperiodism 植物的开花 休眠和落叶 以及鳞茎 块茎 球茎等地下贮藏器官的形成都受昼夜长度的调节 但是 在植物的光周期现象中最为重要且研究最多的是植物成花的光周期诱导 81 2 光周期现象的发现 1919年 美国园艺学家加纳和阿拉德 GarnerandAllard 在观察到烟草的一个变种 marylandmammoth 在华盛顿地区夏季生长时 株高达3 5m时仍不开花 但在冬季转入温室栽培后 其株高不足1m就可开花 他们试验了温度 光质 营养等各种条件 发现日照长度是影响烟草开花的关键因素 在夏季用黑布遮盖 人为缩短日照长度 烟草就能开花 冬季在温室内用人工光照延长日照长度 则烟草保持营养状态而不开花 由此他们得出结论 短日照是这种烟草开花的关键条件 82 4 根据光长影响植物开花情况对植物的分类 1 长日性植物 是指只有在光照长度超过一定临界值 临界光长 时开花 否则即停留在营养生长状态的植物 例如麦类 豌豆 亚麻 油菜 胡萝卜等原产于高纬度地区的作物 2 短日性植物 是指只有在光照长度短于一定临界值时开花的植物 如水稻 玉米 棉花等原产于低纬度地区的作物 83 3 中日性植物 是指当昼夜长短的比例接近于相等时才能开花的植物 如甘蔗等 4 中间型植物 指开花受光长影响较小的植物 又称光期钝感植物 如西红柿 黄瓜等 84 5 临界光照长度 临界光长 是指引起植物开花的光照长度界限 长日性植物的开花要求光长不能短于这个界限长度 而短日性植物的开花要求光长不能长于这个界限长度 85 86 三种主要光周期反应类型 87 对不同日长的几种开花反应1 日中性植物 2 相对长日植物 3 绝对长日植物 4 绝对短日植物 5 相对短日植物 在纵坐标上数目字后面的K字表示这些数字是任意的 88 6 光周期诱导的机理 1 光周期诱导对光周期敏感的植物只有在经过适宜的日照条件诱导后才能开花 但研究表明 引起植物开花的适宜光周期处理 并不需要一直持续到花芽分化 植物在达到一定的生理年龄时 经过足够天数的适宜光周期处理 以后即使处于不适宜的光周期下 仍能保持这种刺激的效果而开花 这种效应叫做光周期诱导 photoperiodicinduction 因此 光周期成花反应是个诱导过程 花芽的分化并不一定是在适宜光周期处理的当时 植物可以保持这种诱导状态 不同种类的植物通过光周期诱导的天数不同 89 90 2 有效光强 植物的光周期反应不需要很强的光强 几个勒克司的弱光即对光周期反应有效 几个勒克司的弱光例如曙暮光和路灯 虽不能使植物进行光合作用 但仍能起到延长光照长度的作用 91 3 光周期诱导中光期与暗期的作用自然条件下 一天24h中是光暗交替的 即光期长度和暗期长度互补 所以 有临界日长就会有相应的临界暗期 criticaldarkperiod 那么 是光期还是暗期起决定作用 许多试验表明 暗期有更重要的作用 92 暗期间断对开花的影响 93 试验结果 光周期效应决定于暗期长度而不决定于光期长度或光暗期之比 短日性植物需要一定时间以上的暗期才能开花 而长日性植物暗期过长也不能开花 94 即使给予足够长的暗期 如暗期中途给以 光中断 则暗期效果消失 而光期中途的 暗中断 处理则无变化 因此在研究植物光照阶段的发育速度时 有人提出暗长积量的概念 即将光照阶段内每日暗期时间之和称为暗长积量 认为满足所需的暗长积量 作物才能完成光照阶段 95 7 光周期性形成与生态条件 植物光周期性的形成与原产地发育期间自然光照的绝对长度和它的变化趋势有着密切的关系 植物光周期性的形成 是植物长期适应原产地发育期间自然光照条件的结果 在人工选育的条件下 植物的光周期性是可以改变的 96 二 光照长度与植物发育关系的几种解释 1 光周期学说 经典 解释现象 认为植物通过合适的光周期 就能完成它的发育过程 这是植物本身的生物节律即植物只在符合它本性的黑暗与光照交替下 才能够正常发育 否则 就会延迟发育或者不发育 而且不同植物需要不同时间长度的光照与黑暗的交替 97 2 光照阶段学说 李森科 认为植物的生长发育不决定于光周期 而决定于通过一定的发育阶段 光照阶段 李森科提出植物发育要经过两个阶段即春化阶段和光照阶段 98 长日性植物需要连续的光照 昼长夜短 这是因为长日性植物的茎生长点 只有在光照条件下才能够进行必要的阶段质变 而短日性植物需要连续的黑暗 昼短夜长 这是因为短日性植物的茎生长点只有在黑暗条件下才能进行必要的阶段质变 并认为植物发育对光暗反应是在一定的具体阶段中进行的 并不是在全生育期或笼统地在开花以前进行的 99 3 光谱成分学说或光质学说 沙垠 认为植物的发育不是决定于光周期 也不是要求光或暗 实质上是需要一定波长的光 长日性植物的发育需要长波的光 短日性植物的发育需要短波的光 这是植物在长期生活环境下自然选择的结果 100 在低纬度地区 一日里太阳高度在30 以下的时间较短 30 以上时间几乎比前者多达一倍 表2 4 而30 以上的时间内 短波的百分比较大 表2 5 植物长期适应的结果 就形成了需要短波的短日性植物 而在高纬度地区则正好相反 101 表2 4夏至日在不同纬度地平线30 以上和以下可照时数 102 表2 5不同高度太阳光谱各波段辐射占总辐射比例 103 4 光敏色素学说 Hendrichs和Borthwith 认为高等植物对光照长度的反应决定于植物的光敏色素系统 104 光敏色素是存在于植物体中的一种激素 在植物体内以两种形式同时存在 即 红光吸收型Pr 最大吸收波长660nm 远红光吸收型Pfr 最大吸收波长730nm Pr与Pfr在一定条件下可相互转化如图 660nm 黑暗 Pr Pfr Pr 730nm 105 由图可知 在光照条件下 植物体内形成的光敏色素主要是Pfr 当转移到黑暗中后 Pfr缓慢地转变为Pr Pfr Pr的暗转化约需8 10小时 所以 在暗期中用闪光干扰 这种转化不能完成 106 研究表明 开花激素的形成与Pfr和Pr的比值有关 短日性植物要求较低的Pfr Pr比值 才能引起开花激素的形成 这就需要有一定长度的暗期 使Pr增多 而长日性植物则正好相反 107 三 光周期对植物生长发育的影响 1 对营养生长的影响光周期对植物营养生长有一定的影响 教材P37 但对大多数植物营养生长的影响不大 实际上 光周期主要是通过影响光合作用的时间从而影响植物的营养生长 108 2 对生殖生长的影响光周期最明显的作用就是对植物开花的诱导效应 而开花的早晚会对作物生长发育及产量形成产生重要影响 教材P38 39 因此 可以通过人工控制作物的光周期来达到生产的目的 109 3 植物的感光性 以水稻为例 表示某一植物品种在缩短或延长日照的情况下对开花结实的影响程度 每种植物的不同品种虽属于同一类型 但对光照长短的要求仍有差别 有的甚至对光长的反应已不明显 这是不同品种长期适应各自产地生境的结果 例如水稻 110 水稻的感光性在满足水稻生长发育所要求的温度条件前提下 在短日照条件下可使生育期缩短 在长日照条件下可使生育期延长的特性 111 衡量植物感光性强弱的指标 a 对临界光长的要求一般地 感光性强的品种或植物 对临界光长的要求比较严格 而感光性弱的品种要求不严格或不明显 112 b 感光系数或感光指数指发育速度随光照时数而变化的程度 即播种期相差一天 相应的生育期天数的差值 差值越大 则表示该品种的感光性越强 反之则表示该品种的感光性越弱 113 丁颖等的水稻地理分期播种试验 试验设8个点 158个品种 15个播期 用温度相近但光长相差较大两地同一品种在同一播期下的出穗天数之差与光长较长之地出穗天数之比的百分数作为出穗促进率 出穗促进率大 则表示短日促进出穗的作用大 称为感光性强 反之称为感光性弱 114 水稻的感光性分级 表2 6 115 四 光周期学说在农业生产中的应用 1 作物引种光周期学说应用于作物引种时应注意 1 短日性作物的北方品种向南引种时 由于光照变短 温度升高 导致生育期缩短 可能出现早穗现象 穗小粒少 南方品种向北引入时 由于光照变长 温度降低 导致延迟成熟 甚至不能抽穗开花 116 2 长日性作物的北方品种向南引种时 一般延迟成熟 但南方温度较高 生育期是否延长 还要综合考虑其光温特性 而南方品种向北引入时 一般提早成熟 但北方温度较低 发育速度减慢 生育期是否缩短也应综合考虑 117 3 纬度和海拔相近地区相互间引种 光温条件大致相似 较易成功 4 同一地区平原与高原间相互引种 光照条件没有变化 其延长或缩短生育期的日数 决定于高度差引起的温度变化 118 5 同一地区早中稻作晚稻种植时 提早成熟 而晚稻早播时 延迟成熟 因此在双季稻区 早稻可用作晚稻栽培 而晚稻不能用作早稻栽培 119 2 作物育种 杂交育种常因亲本花期不一 给育种工作带来困难 而采用人工光照处理可解决这一问题 120 如早稻和晚稻杂交育种时 可在晚稻秧苗4 7叶期进行遮光处理 促使其提早开花以便和早稻进行杂交授粉 培育新品种 121 利用中国气候多样的特点 可进行作物的跨区繁育 短日植物水稻和玉米可在海南岛加快繁育种子 一年内可繁殖2 3代 加速育种进程 缩短育种年限 122 3 其它 了解光照长度对植物的影响 对防御农业气象灾害也有作用 主要是躲 利用作物长 短日照特性 可以促进人们所需要的营养器官的发育而提高产量 主要是延长生育期 123 对以收获营养体为主的作物 可以通过控制光周期抑制其开花 如短日植物麻类 南种北引可推迟开花 增加植物高度 提高纤维产量和质量等 124 花卉栽培中 光周期的人工控制可以促进或延迟开花 如短日植物菊花 用遮光缩短光照时间的办法 可以从十月份提前至六 七月间开花 若在短日来临之前 人工补充延长光照时间或进行暗期间断 则可推迟开花 对于长日性的花卉 如杜鹃 山茶花等 人工延长光照或暗期间断 可提早开花 125 3光照强度对植物的影响 一 光强与光合作用二 植物群体的光合产量三 光照强度对植物生长发育的影响 126 一 光强与光合作用 1 光强与光合作用的关系光合作用是植物生长发育和产量形成的物质基础 而没有光便没有光合作用 因此 光强对植物生长发育的影响主要是通过对光合作用强度的影响来体现的 127 重要性 研究光强对光合作用的影响以及光强与光合作用的关系 对建立作物数值模拟模式尤为重要 同时 也是估算作物群体光能利用率及作物光能生产潜力的基础 128 1 实验观测结果 光合速度 mgCO2 dm2 h 6050C4植物4030C3植物2010020406080光强度 千勒克司 图2 2光对单叶光合作用的直接影响 129 光合叶面积系数作用大中小光强度图2 3不同叶面积系数的光 光合作用示意图 130 60光合速度 mgCO2 dm2 h 50玉米40水稻大豆30小麦20鸭茅10榉020406080100光强度 千勒克司 图2 4各种植物的光 光合作用曲线 CO2浓度0 03 131 2 主要结论 植物的光合作用强度在很大程度上决定于光照强度 光强与光合作用关系会因植物群体的繁茂程度而有明显差异 不同的植物光 光合作用曲线不尽相同 132 2 光饱和点与光补偿点 1 光饱和点在一定的光照强度范围内 光合作用强度随光强的增强而增强 当光强达到一定的强度后 光合作用强度不再相应地增强 而是趋近于一条渐近线 这种现象称为光饱和现象 这个光强的临界点称为光饱和点 133 60光合速度 mgCO2 dm2 h 50玉米40水稻大豆30小麦20鸭茅10榉020406080100光强度 千勒克司 图2 4各种植物的光 光合作用曲线 CO2浓度0 03 134 若光强高于光饱和点 不仅不会使植物光合作用强度增强 反而会导致叶温升高 气孔关闭 叶绿素钝化 分解 破坏及植物组织灼伤 使光合作用强度下降 所以在实际测量时光强过高时光 光合作用曲线会呈抛物线状 135 2 光补偿点植物的光合作用强度和呼吸作用强度达到相等时的光强值称为光补偿点 在此光强下 光合作用制造的产物与呼吸作用消耗的产物相等 或者说同一叶片在同一时间内 光合过程吸收的CO2和呼吸过程放出的CO2等量 136 当光强在光补偿点以上 植物可以积累有机物质 当光强处于补偿点时 植物没有干物质积累 而长期处于光补偿点以下时 植物的干物质积累小于支出时 植物便会因饥饿而生长不良甚至死亡 137 138 3 有关结论 不同植物 喜阴 喜阳 C3 C4 同一植物的不同品种 同一品种不同发育期及不同部位的叶片光饱和点和光补偿点不同 光饱和点和光补偿点还因温度 水分 CO2浓度等因子的不同而变化 群体光饱和点和光补偿点均高于单叶 139 二 植物群体的光合产量 1 单叶光合作用与光强的关系根据实测资料 植物单叶的光合作用强度随着光强的变化呈直角双曲线型 其关系可用下式表示 式中 P为光合作用强度 mgCO2 dm2 h I为光的强度 a b为常数 140 常数a b的生物学意义 当I P b a 显然b a为光合作用强度的极限值 也就是说 b a是光饱和点时的光合作用强度 当I 0时 P I b 显然b为光 光合作用曲线起点 I 0 处的斜率 因此a b值可通过试验获得的资料 绘制成P I图 用上述的生物学意义来确定 当然 不同的作物 同一作物不同发育期以及环境条件不同 a b值亦不同 141 自然条件下单叶光合作用的特点 晴天条件下 一般是中午的光合作用的强度大于早晚 但若夏天光强过强且伴有高温 则中午会出现光合作用减弱 即 午休 现象 但并非每种作物都有 午休 现象 在同样光强下 阴天光合作用强度大于晴天 因为阴天的太阳辐射主要以散射光为主 散射光穿透能力比直射光强 叶片吸收光能多 142 由于云的变化 叶片的相互遮挡和风引起的叶片摆动 均会造成同一植株上不同叶片甚至是同一叶片上不同部位的光强不同 光质也不同 从而导致其光合作用强度不同 143 2 群体的光合作用 将群体内光强的垂直分布模型即门司 佐伯公式代入单叶光合作用强度公式中 并考虑植物的呼吸作用 就可得到一定光强下任意一层叶面的净光合强度计算公式 式中 P a b I0 k F的含义同前 r为单位叶面积的呼吸作用强度 144 整个群体的净光合强度就是各层叶面积光合作用强度的总和 即 这便是群体净光合强度公式之一 亦称门司公式 当然 这仍然是一个假定的公式 145 3 最适叶面积系数 指数 现象光合P呼吸P净净生R产最适叶面积系数图2 5叶面积系数与光合作用的关系 146 定义群体净生产率达到最大值时的叶面积指数称为最适叶面积指数 此时 群体最下部叶片的光合作用与呼吸作用完全抵消 计算公式 147 上式中 r可以通过实测确定 a b则由叶片光合特性所决定 主要是F与k能够有一个合适的比例关系 实测结果一般 大田作物在封行后的最适叶面积指数在3 5之间 148 光 光合作用之间的这种双曲线关系 现已广泛应用 但光合作用还受温度 CO2浓度 水分等其它环境条件的影响 因此在进行数值模拟时 应加以考虑 149 三 光照强度对植物生长发育的影响 1 光照强度对植物生长的影响 1 实验观测结果表2 9不同光强对小麦干物重的影响 150 表2 10遮光天数对小麦产量构成各要素的影响 151 152 表2 11小麦灌浆期不同时期遮光对产量要素的影响 153 表2 12不同光强下作物从播种到抽穗日数与单株重 154 2 主要结论 弱光下 叶片薄 叶面积增长快 光强不足 茎的生长加速 植株伸得很长 并将影响根系的发育 导致根系生长不良 浮在土壤上层 上述两个方面导致大田作物出现倒伏现象 155 黄化现象 即光强过弱 导致植物茎杆细弱 节间拉长 植物体内机械组织和疏导组织退化 叶片呈淡黄色 分枝减少 不同生长期光强不足 影响的植物器官不同 不同的品种对光强不足的反应也是不同的 总体上说 光强不足光合积累少 会导致产量降低 156 2 光强对植物发育的影响 光强过弱 植物体内营养物质积累少 往往会阻碍植物的发育速度 以致于延迟开花结果 光强过弱 植物体内的营养物质积累不足 导致花芽发育不良 致使花芽早期退化或死亡 引起作物产量下降 157 3 光强对产品质量的影响 光强不足 光合积累少 势必影响到蛋白质和糖分等的含量 进而对产品质量产生不利影响 158 159 4不同光谱成分对植物的影响 一 太阳光谱二 紫外线对植物的影响三 可见光对植物的影响四 红外线对植物的影响五 应用 160 一 太阳光谱 1 太阳辐射光谱组成 太阳辐射是非均质的 是由各种不同波长的辐射组成的 太阳辐射主要包括无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线和宇宙射线等几个波谱范围 161 太阳辐射光谱 162 2 太阳光谱的能量分布 太阳光谱能量的密度最大波长在475nm 蓝光 由此向短波方向 各波长具有的能量急剧降低 向长波方向各波长具有的能量则缓慢减弱 图2 6太阳辐照度分布曲线 163 3 大气上界太阳辐射的能量分布 紫外线以下的波长范围内 7 可见光的范围内 47 红外线波长范围内 46 164 4 到达地球表面太阳辐射及影响因素 到达地表的太阳辐射主要为紫外线 可见光和红外线 其中 紫外辐射波谱区的能量占太阳辐射能比例因臭氧层的大量吸收而明显降低 约在0 4 影响到达地球表面的太阳辐射各种光谱比例的因素主要有 纬度 海拔 季节和气象条件 165 二 紫外线对植物的影响 从波长来讲 紫外线 10 400nm 又可分为短紫外线和长紫外线 1 短紫外线 10 290nm 对植物具有杀伤作用 但大部分被臭氧层吸收 一般达不到地面 2 长紫外线 290 400nm 大多数学者认为 长紫外线对植物不起明显作用 166 但也有人认为 波长在290 315nm的长紫外线能加快植物的发育 而波长315 400nm的长紫外线在所有情况下都没有作用 另有人认为 290 315nm的长紫外线对大多数植物有害 但可以用来消毒土壤和杀灭病虫害 315 400nm的长紫外线有成形作用 可使植物变矮 叶片变厚等 还可使果品色泽红润 深沉 167 三 可见光对植物的影响 1 生理辐射决定着最重要的植物生理过程 包括光合作用 色素合成 光周期现象和其它植物生理现象 的光谱区称之为辐射的生理有效区 或称为生理辐射 其光谱范围比可见光广泛一些 168 2 光合有效辐射 photosyntheticallyavailableradiation 1 定义 使得光合作用进行的光谱区辐射 称之为光合有效辐射 简称PAR 光合有效辐射的波长范围光合有效辐射的波段大体在可见光 400 760nm 范围以内 即400 700nm 欧美 或380 710nm 俄 169 2 光合有效辐射量的求取 进行观测应用光合有效辐射仪 通过气候学方法计算a Qpar Kq Q式中 Qpar 光合有效辐射Kq 系数Q 总辐射 170 b 太阳总辐射由太阳直接辐射和天空散射辐射组成 表达式为 Q S DQpar Ks S Kd D式中 S 太阳直接辐射D 天空散射辐射Ks Kd 系数 171 KqKs Kd的计算比较复杂 涉及到多个要素 具体的气候学计算请同学们参阅下列文献 1 周允华 项月琴 单福芝 光合有效辐射 PAR 的气候学研究 J 气象学报 1984 04 2 王炳忠 税亚欣 关于光合有效辐射的气候学计算问题 J 太阳能学报 1988 01 3 张运林 秦伯强 太湖地区光合有效辐射 PAR 的基本特征及其气候学计算 J 太阳能学报 2002 01 172 在以前实际工作中曾用下列公式来估算光合有效辐射 前苏联中国华北 173 3 计算光合有效辐射能的意义准确地计算光合有效辐射能的时空分布 有助于确定进入农田和植物群落的能量 对于拟定适宜的群体结构和估算作物的产量等方面具有重要的意义 174 3 可见光各波段的作用 可见光 400 760nm 通常又可以分为蓝紫光 黄绿光和红橙光三部分 1 蓝紫光 400 510nm 叶片吸收较多 光合作用活性较强 光合作用效率只及红橙光的一半 大多数情况下延迟植物的开花 175 2 黄绿光 510 610nm 叶片吸收很少 光合作用活性最弱 3 红橙光 610 760nm 叶片吸收最多 光合作用活性最强 光合作用效率最高 加快光周期过程 植物开花过程 176 因此 在设计人工光源时 主要应考虑蓝紫光和红橙光 才能模拟太阳光对植物的影响 一般是日光灯加白炽灯 177 178 四 红外线对植物的影响 红外线 760 3000nm 可分为近红外辐射和远红外辐射两部分 1 近红外辐射 760 1000nm 主要对植物具有特殊的伸长效应 有光周期反应 2 远红外辐射 1000nm 不参与植物的光化学反应 主要产生热效应 179 五 应用 根据不同光谱成分对植物生长的影响 可以通过人工改变光质以改善作物的生长状况 近年来有关成果在农业生产上的应用 已经取得了良好的效果 如有色薄膜的应用 教材P59 应进一步加强不同光质对植物生理过程和植物形态所起作用的研究 180 5光能利用率及其提高途径 一 太阳能利用率和光能利用率二 光能利用率的理论上限三 限制光能利用率的因素四 提高光能利用率的途径 181 一 太阳能利用率和光能利用率 1 定义光能利用率也有人称太阳辐射能利用率或太阳辐射能利用系数 1 太阳辐射能利用率它是投射到作物表层的太阳辐射能被植物转化为化学能的比率 一般是用一定时间内一定土地面积上作物增加的干重所折合的热量 与同一时间内投射到同一面积上的太阳总辐射量的比值来表示 182 2 光能利用率光能利用率是投射到作物表层的光合有效辐射能被植物转化为化学能的