第二章-作物与温度

第二章作物与温度,第一节温度及其变化规律一、地球表面的热量平衡（一）裸露地的热量平衡1、热量平衡过程地球表面吸收太阳辐射后，会通过各种热量吸收的方式，产生能量的转换和输送达到平衡，这样的物理过程称为热量平衡过程。,2、平衡方程式,L汽化潜热（2.5KJ/g）E蒸发量或凝结量,（二）农田中的热量平衡,简化形式,二、作物群体内的温度变化规律,1、作物体的温度作物属于变温生物，地上接近气温、地下接近土温，并随环境的变化而变化，但是落后于环境温度的变化。叶温与气温的换算关系：,2、作物群体内的温度,（1）群体内温度分布的一般特征在作物不同的生育时期，其温度分布呈现不同的变化。（2）群体下的土壤温度的变化白天：群体下的土壤温度比裸露地表低夜间：群体下的土壤温度比裸露地表高,第二节温度的生物学效应,一、作物对温度的要求（一）作物生命活动的基本范围,（二）三基点温度,1、三基点温度生物的生命活动都要在一定的温度范围内进行，不论是一般的生命活动还是生长、发育，都有三个温度基本点，即维持生长发育的生物学下限温度，最适温度和生物学的上限温度，合称为三基点温度,在最适温度下，植物生长、生理活动能最有效进行，光合产物积累速度高。在最低温度和最高温度之间，作物能够维持正常的生理和生长发育。低于最低温度和高于最高温度时，植物停止生长发育，但仍可维持正常生命活动。温度低于最低温度和高于最高温度过多，就会对作物产生不同程度的危害，在一定温度条件下甚至导致死亡，这样的温度称为致死温度(最高、最低致死温度)。温度三基点根据植物种类、品种、生育阶段和生理活动的昼夜变化以及光照等条件而有不同。,2、同一作物不同的发育阶段、不同作物的三基点温度不同。,3、不同生理过程三基点温度不同,在一定温度范围内，植物光合强度随气温的升高而提高，增长较快时，每提高1，光合强度可提高约10%，超过此范围光合强度反而会降低。呼吸作用一般随气温提高而增强。在较低的温度下，植物光合作用强度低，光合产物少，生长缓慢；温度过高，光合强度增长减缓或降低，呼吸消耗增长大于光合作用增长，同样不利于光合产物的积累。最利于植物光合产物积累的温度条件随光照条件的不同而变化，一般光照越强，最适温度越高。光照较弱时，如气温过高，光合产物较少，呼吸消耗较多，植物中光合产物不能有效积累，会使植物叶片变薄，植株瘦弱。,4、共性,三基点温度不是一个具体的温度数值，而具有一定的变化范围。无论是生存、生长还是发育，其最适温度范围基本上是同一个变化范围。不同生物的最低温度差异很大，最低温度距离最适温度的差异范围较大。各种生物最高温度指标彼此差异小，最高温度接近最适温室。,（三）积温（AccumulatedTemperature）,1、积温温度对作物和变温动物生长发育的影响，包括温度强度和持续时间两个方面，积温就是衡量这两个方面的综合效应的一种指标。,如下限温度为0，出苗到开花要求600的积温，则均温度为15，出苗到开花期需要40天；20时需要15天。,积温学说可以归纳为：,在其他条件得到满足的情况下，温度因子对生物的发育起主要作用；生物开始发育需要一定的下限温度；完成某一阶段的发育需要一定的积温。,两种积温比较，活动积温统计比较方便，常用来估算地区的热量资源；有效积温稳定性较强，常用来表示作物生长发育温度的要求。,2、分类,A、活动积温（Y）,tiBt,B、有效积温（A）,tiBt,高于生物学下限温度的日平均温度之和,3、温度带,4、农业生产中的应用,作物与品种特性的重要指标用来分析农业气候热量资源作为物候预报、收获期预报、病虫害发生发展时期的预报等,（四）对温度适应的生态类型,耐寒多年生作物1、耐寒作物耐寒一、二年生作物半耐寒作物2、喜温作物3、耐热作物,（五）不同生育期适宜温度的动态变化,种子发芽（较高）幼苗期（低些）营养生长期（提高些）生殖生长（较高温度）成熟时期（更高温度）,二、节律性变温管理,（一）作物的感温性和温周期现象1、感温性：生物长期适应环境温度的规律性变化，形成其生长发育对温度的感应特性。2、温周期现象：在自然条件下气温是呈周期性变化的，许多生物适应温度的某种节律性变化，并通过遗传成为其生物学特性，这一现象称为。,（二）温周期对作物生长发育的影响,1、昼夜不同的温度管理方式比昼夜恒温的生长效率高,2、变温能够提高发芽率,3、温度的日变化影响品质,例如草莓在形成甜味和颜色时，要求较高的温度，但在形成草莓特有的香味时，则要求较低的温度(10左右)。10左右的低温，只在春天早期收获的草莓可以得到满足(清晨或夜晚)，故早期收获的草莓香味浓。在以后收获的草莓，虽有一定的日温差，但由于日平均温度增高，满足不了草莓对低温的要求，故香味较淡。,在光温综合影响下，日温差适当大一些对作物有利，可增加白天制造的光合产物而减少夜间呼吸消耗，使有机物质累积较快。所以日温差大的地区，作物子粒的粒重较大，瓜果含糖量高，优质高产。,（二）变温管理,将一天的温度管理分为四个时段：上午采取适当高于白天适温以促进光合产物的形成；下午适当低于白天的适温以节省能源，确保一定的强度及产物的输送；前半夜适当高于夜间的适温以促进光合产物的输送与分配；后半夜适当低于夜间适温以抑制呼吸消耗。,变温管理模式图,黄瓜、番茄四段变温管理指标,果菜,时间,温度设定,应注意的问题：,气温与地温的关系气温高时，要求地温底些；地温高时，要求气温低些，以控制地下和地上部分的生长，营养生长与生殖生长达到平衡。光照与变温管理的方式光照充足时，较高的温度可提高同化作用；光照不足时，较底的温度可降低呼吸消耗。,（三）春化作用（Vernalization）,1、定义：起源于高纬度或高海拔地区的植物，在其发育过程中需要一定的低温环境或刺激才能正常生长和发育。2、时期和部位时期：在种子萌发期到植物营养体生长的苗期都可感受低温而通过春化部位：茎尖的生长点3、作用它对作物发育的影响是诱发性的，而不是直接的，作物通过低温春化后还需要长日照才能开花。,4、春化作用的条件,（1）温度和时间通常，春化的温度范围为0一15，并需要一定的持续时间。（2）水分将已萌动的小麦种子干燥处理，使其含水量低于40时，用低温处理，则不能通过春化，即40是小麦种子通过春化的临界含水量，而活跃生长时的含水量则为80一90。（3）氧气充足的氧气也是植物通过春化作用必需的外界条件。试验证明，在真空、氮气或缺氧条件下萌发的小麦种子含水量即使超过40，仍不能完成春化作用。（4）养分通过春化时必须具有足够的营养物质，否则低温处理无效。例如，将小麦的胚培养在富含蔗糖的培养基中，在低温下可通过春化；若培养基缺乏蔗糖，尽管其他条件具备，仍然不能通过春化。,三、极端温度对作物的影响,(一)低温灾害1、分类：霜冻害：在温暖季节，土壤表面或作物表面的温度下降到足以引起作物遭受伤害或死亡的短时间的低温冻害。越冬冻害：冬季，越冬作物和果树林木，因遇到0以下强烈低温或剧烈变温所造成的灾害。冷害：指温度在0以上，有时甚至是接近20条件下对农作物产生的危害。热带作物寒害：热带作物受0或0以上低温的侵袭而造成的一种灾害。,2、危害,低温使细胞间隙结冰而引起伤害，即冰晶的形成使原生质膜发生破裂和蛋白质变性。降温速度越快，作物受伤害越严重。,冷害主要是由于作物的氧化磷酸化解，ATP含量明显下降，因此原生质流动缓慢或完全停止，正常代谢紊乱。春季冷害影响蔬菜、花卉的生长和上市时间以及质量；秋季冷害使秋季蔬菜（黄瓜等）生长不良，品质下降。,2、防御措施,（1）根据地区气候资源，作物和品种合理布局（2）在北方寒冷地区，适时早播，春防秋霜害（3）加强田间管理，合理灌溉施肥，促进作物早熟（4）选用抗寒性强的品种，培育壮苗，提高作物抗寒能力。（5）为了防止低温危害，在生产上可以利用设施园艺栽培方式种植蔬菜、花卉等作物。,（二）高温热害,1、对作物生育的影响高温会引起蒸腾量增大、根系吸水不足，致使作物体水分平衡失调，导致原生质脱水；当气温升到最适温度以上时，作物生长速度就会急剧下降。如果高温干燥，而蒸腾量又小，致使叶温或果温高于气温，于是叶子或果实的表面就会引起“日灼”而出现枯斑。,高温对农业动、植物的新陈代谢、生长发育和产量形成所造成的危害。,2、防御措施,（1）水稻应掌握好开花灌浆期的水浆管理，开花时应浅水勤灌、昼灌夜排、适时落干、防止断水过早。小麦灌浆朗应注意灌水，改善田间小气候，以利于灌浆进行，籽粒饱满。（2）喜温果菜类蔬菜应适时早播，加强前期管理，促进枝叶繁茂以减轻日晒。（3）覆盖遮阴栽培。,第三节设施园艺的温度条件及其调节,一、设施园艺内的热量条件(一)热量来源白天：太阳辐射北纬3040地区，晴好天气、正午时刻冬季350650W/m2（温室内150400W/m2）夏季9001000W/m2（温室内300600W/m2）夜间：加温温室采暖系统的加温热量为100300W/m2。不加温温室土壤和围护结构蓄积的热量释放。,温室的传热与能量平衡：,Qm+Qs+Qh+Qr+Qvi=Qvo+Qw+Qf+Qe+Qp（W）Qm设备发热量（电机、照明等），W；Qs温室内吸收的太阳辐射热量，W；Qh加温热量，W；Qr作物、土壤等呼吸放热量，W；Qvi通风气流带入的显热量，W；Qvo通风气流带出的显热量，W；Qw经过覆盖材料的传热量（对流、辐射）WQf地中传热量，W；Qe温室内水份蒸发吸收（显热转化为潜热）的热量，W；Qp温室内植物光合作用耗热量，W。,（二）白天设施园艺内的热量条件,（三）夜间设施园艺内的热量条件,在一般温室中设备发热量Qm作物、土壤等呼吸放热量Qr与其他能量收支项相比很小，可忽略不计植物光合作用耗热量Qp则：Qm+Qs+Qh+Qr+Qvi=Qvo+Qw+Qf+Qe+Qp因此，温室的能量平衡关系可简化为：Qs+Qh=(QvoQvi)+Qw+Qf+QeW,经过覆盖材料的传热Qw在通风较少时是温室热量散失的主要部分，尤其是在冬季夜间温室完全密闭的情况下，一般占总热量损失的60%95%。传热形式包括辐射、对流、传导等，辐射、对流传热起主要作用。通风传出的显热量QvoQvi在通风量大时是温室向外传递热量的主要部分。在冬季夜间温室密闭的情况下，仅有少量冷风渗透，因冷风渗透损失的热量约占总热量损失的20%以下。,水份蒸发消耗的热量Qe植物蒸腾与土壤水蒸发吸收潜热，随蒸发水进入空气并随通风气流传出室外。大小与室内地面潮湿状况、作物繁茂程度、空气湿度及通风量等因素有关。在太阳辐射强烈的白昼，通风量较大时，蒸发蒸腾吸收热量一般可达室内吸收的太阳辐射热量的50%65%。在通风量较少的夜间，室内空气湿度较大，蒸发蒸腾作用很弱，吸收室内空气热量很小，尤其是在密闭情况下可以忽略不计。,地中传热量Qf根据不同情况其热量传递方向有不同。白昼：一般热量从地面向下传递。夜间：加温温室，传递方向朝下，一般约占温室总热量损失的20%以下；不加温温室，热量传递方向是从地面向上，即土壤中热量传入温室。室内不同部位地面传热量不同，在温室周边，热量横向向室外土壤传递，地温较低，越接近温室周边的部位，向温室外传热量越大。,二、设施园艺的热特性,（一）温室效应1、温室效应：指在没有人工加温的条件下，设施园艺内获得与累积的太阳辐射能，使设施内的气温高于外界环境气温的一种能力2、出现原因：温室覆盖材料对光热辐射的选择性透过作用较好地透过大部分太阳辐射（0.33mm），太阳辐射热量大量进入温室内。阻止室内地面和植物等发出的部分长波辐射（波长380mm）热量透出室外。温室的封闭集热作用室内地面、植物等吸收太阳辐射温度升高通过对流等方式加热空气围护结构的封闭作用阻止室内外空气交换，保持升温后的空气中积聚的热量，阻止热量随空气流失到室外,3、其他影响因素,太阳辐射能的大小,保温比与散热比,保温比：设施园艺内的土壤面积AS与覆盖及围护表面积Aw之比，最大值为1.0。,散热比：设施内散热面积与蓄热面积之比,一般单栋温室的保温比为0.50.6作用，连栋温室为0.70.8。,（二）日温差,1、概念：指一日最高温度与最低温度之差。与室外气温变化趋势大体一致，最高、最低气温出现时刻与露地接近。上午日出后室内升温迅速（58/h），正午最高气温出现时刻比露地略提前。,2、影响因素保温比：越小，日温差越大,覆盖材料的热特性,如聚乙烯红外区长波透过率比聚氯乙烯高，前者的热传导率也高，白天易升温，但夜间也易降温，所以聚乙烯增温性强、保温性差，室内日温差大。聚氯乙烯增温性虽不如聚乙烯，但保温性好，室内日温差小。,（三）逆温现象,夜间晴朗无云和有微风的天气下，不加温温室内有时会出现气温反而低于室外的情况。逆温现象最易发生在连续阴天后，即将放晴的凌晨时刻。“逆温”现象发生的机理室内：室内地面、植物以及覆盖材料对天空辐射散热作用强烈，并通过对流交换使室内气温降低；室外：室外近地面的空气，虽也随室外地面等辐射散热而降低温度，但在微风条件下，可从与上层空气的对流和大气逆辐射获得热量，因此降温反而小于室内。,三、设施园艺内温度的分布,温室内气温因温室结构、室内太阳辐射的不均匀分布、采暖设备的布置以及室内气流运动等因素的影响，具有一定的空间分布不均匀性,水平方向温差（一般可达24，室内有循环风机运行可减少温差）n周边低于中部；n散热器附近高于远离散热器处；n通风时，进风口附近低于排风口附近。,上部温度越高，通过覆盖材料的对流换热量越大，不利于温室减少热量的损失。地面加温等方式可减少垂直温差，达到节能的目的。,垂直方向温差一般温室内气温总体上呈上高下低的分布状况，在室内供热的情况下，垂直方向上温差可达46。,温室内的地温状况,与室内气温、土壤含水量和植物遮荫等情况有关，呈24小时周期性变化，其平均温度略低于室内平均气温。因为土壤热容量大，地温变化幅度较小，且滞后于室内气温的变化，土壤深度越大，温度变化幅度越小，滞后越多。一般加温温室，在冬季15cm地温可达1520，日温度变化仅为23。在接近边墙的周边部位，因邻近室外低温的土壤，传热损失较大，土壤温度明显较温室中部低。,（一）太阳入射量的影响,（二）空气环流的影响,低温带,背风一侧多设置散热管道,（三）结构阴影的影响,双屋面比单屋面温室温度分布均匀,（四）管理技术的影响,1、加温设备,南,北,热源设在南侧，缓和了南侧和屋面的降温，温度分布趋于均匀，但炉灶管理不方便,2、通风技术,通风时一般先开天窗，随气温升高再开地窗，关闭时顺序恰好相反。,四、温度的调控,（一）加温1、采暖方式：热水采暖,圆翼型散热器,热风采暖热风采暖设备:热风炉、空气加热器、暖风机。,2、加温设计要求,（1）加温设备的容量应经常保持设施内的设定温度(地温及气温)；（2）设施内温度空间分布应均匀，时间变化应平稳，因此要求加温设备配置合理，调节能力高。（3）遮阳少、占地少，便于栽培作业操作。（4）设备投资少，加温费用低。,3、地中热交换系统,白昼蓄热,夜间放热,1、系统及运行管理简单，使用寿命长。2、白昼室内空气向管道贮热后，气温可降低68。3、夜间室内空气通过管道加温，气温升高45.5。4、夜间地中热交换系统可为温室提供3060W/m2的加温热量。5、与加温温室（或塑料大棚）相比，室内气温提高3-