农业气象学第二章

第二章，太阳辐射与农业生产，主要内容是1光的生物学意义和植物的光学特性2光强度对植物的影响3光强度对植物的影响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与分析，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、光能利用状况和提高途径分析。 本章难点：光周期学说及其应用、光光合作用关系理论分析。 1光的生物学意义和植物的光学性质，1、光的生物学意义，2、植物的光学性质，1、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生物的主要能源太阳辐射是大气运动和各种气象现象的主要能源。 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对植物的地理分布也有相当大的影响。 各种辐射带对植物的重要性见表2.1。 表2.1辐射带及其对植物生命活动的重要性，3、光照对植物影响的主要方式，光照主要从三个方面影响植物：光照长，即光照时间长。 光的强度，即光的强度。 光质，即光谱组成的差异。 4、研究太阳辐射和农业生产的重要意义，绿色植物通过光合作用合成的物质约占干重的9095%太阳辐射投射到植物体上，用于植物的光合作用部分很少。 光能利用率低。 因此，提高作物光能利用率是农业生产的重要课题之一，也是农业气象学的主要任务之一。 二、植物的光学特性，一、单叶叶片对光的反射、透射和吸收(一)的基本概念反射：将投射到叶面的太阳辐射直接反射到宇宙的部分称为外反射，将进入叶片内部的叶片未吸收而从投射侧返回的空气中的部分称为内反射，将内反射之和称为反射。 吸收：进入叶子内部的太阳辐射被叶子吸收的部分叫做吸收。 透射：进入叶片内部，不被叶片吸收，从投射面侧逃到叶片外的部分称为透射。 反射率r、透射率t与吸收率a的关系： R T A=1，(2)绿色叶片的能量平衡，a .能量是用于光合作用的b .叶向周围环境散热的能量c .馀下的能量转化为热能，使623640克的水分膨胀，光合作用约1克的(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，植物种类叶龄、叶片表面形态、颜色叶片水分含量光的投射角度、天气状况季节、生长期，因此叶片对太阳辐射的反射率、透射率和吸收率有日变化、季节变化2、集体叶片对日光的反射、透过和吸收，太阳辐射进入植被内部，经过植被中茎叶层的反射、透过和吸收，当然包括泄漏在内都减弱，形成了比较复杂的过程。 关于集体叶片对日光的反射、透过和吸收能力，可以总结以下4点看法。 (1)同一田间植被对于不同波长的放射线，反射、透过、吸收能力不同。 (2)同一波长的辐射、不同作物、同一作物的不同生长状况(包括品种、密度、叶龄、叶形、叶的颜色和含水量等)，其反射、透过和吸收能力不同。 (3)反射、透射、吸收率不一定，任何光谱都有一定的宽度。 (4)群体对日光的反射率和透射率明显小于单叶，但吸收率明显高于单叶。如稻、麦作物，叶向上倾斜，其反射和透射光一般比单叶少一半左右，在抽穗开花期，群体反射率约为57%，透射率约为47%，群体吸收率高达8590%。 三、群体中光的分布，一、群体中光的分布规律受作物品种、群体几何结构及密度等的影响，植被中光强的垂直变化非常复杂，但其垂直分布有一定规律。 油菜、小麦等(图2.1 )。 图2.1相对总辐射分布在植被中。 (翁笃鸣等) 1981 )相100相对80油菜总60射20小麦1112卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡光透过率：以小数或百分比表示测定的高度下的照度与农地上方的照度之比，也称为相对照度。 农田透光率分布曲线与光强分布曲线完全一致，深度急速减小，其减小率与叶片垂直分布有密切关系。 田间各高度的透光率同日变化，根据太阳高度的角度变化，白天的透光率最大，早晚的透光率小。 例如棉花观测表明，开花期早晚透光率为10%，中午透光率可达41%。 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)和理论推断两个方面建立了光强度对叶面积的依赖关系。 他们假设叶层是由叶等植物器官组成的均匀介质，将大厦(Beer )规律引入群体，研究光强度的垂直分布，提出了着名门司佐伯的公式。 门司-佐伯式：I=I0exp(-kF )式，I0是冠层(群顶部)的光强度，I是各层的光强度，k是集体叶层的光强度衰减系数或集体衰减系数，f是各层以上的部分的叶面积之和。 此外，集团衰减系数k值可以用k=(-ln(I/I0)/F式求出I/I0即透光率. k值为无量纲数，表示叶的遮荫程度，上层叶面积大，k值大，光强衰减明显。 注意：实际上大田内部情况非常复杂，影响k值的因素很多，包括叶片大小、厚度、表面平滑度、叶绿素含量、叶片含水量等影响叶片反射、透射和吸收的因素在内的入射光方向和光谱成分叶片角度和组成季节、天气、时间等。 因此，k值不是一个稳定的值。 在实际应用中，谷类作物的k值稳定，因此用平均值代替。 通常，k的值小于1。 据门司和佐伯说，草中k值为0.30.5，水平叶作物层中的k值为0.71.0。 中国科学院上海植被测定的水稻叶层k值在0.670.74之间，平均达到0.71 (表2.3 )。 表2.3叶层光分布和光强衰减系数(上海植被处，1959 )，注意：门司佐伯式适用的条件不能满足均匀介质的要求。 但是，在实际观测中，由于光在集团中的垂直变化确实符合负指数法则，门司佐伯式现在仍然得到广泛应用。 2光照长度对植物的影响，一、植物光照周期现象二、光照长度与植物发育关系的一些解释三、光照周期对植物生长的影响四、光照周期学说在农业生产中的应用，一、植物光照周期现象，一、日照长度与光照长度日照长度。 是指从日出到日落的日照时间，是一定地区各年间比较稳定的气候因素。 光的长度。 也称为光长，与日照长不同，包括日照长和曙暮光期间。 2、光周期地球上不同纬度地区的温度、雨量、昼夜长度等随季节规律变化。 在各种气象因子中，昼夜长度的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正确的。纬度越高，夏季白天越长，夜晚越短，冬季白天越短，夜晚越长，春分和秋分的情况下，各纬度地区昼夜的长度相等，均为12小时。 自然界一昼夜的光暗交替称为光周期。 北半球不同纬度地区昼夜长度的季节变化、3、植物光周期现象、(1)植物光周期现象的概念昼夜光与黑暗交替对植物发育(主要是开花)有显着影响的现象称为光周期现象(photoperiodism )。 植物的开花、休眠和落叶、鳞茎、块茎、球茎等地下贮藏器官的形成可以通过昼夜的长短来调节，但植物的光周期现象中研究最重要的是植物成花的光周期诱导。 (2)发现光周期现象1919年，美国园艺家加纳和阿拉德(GarnerandAllard )在烟草变种(marylandallamoth )在华盛顿地区夏季生长时，株达35m时也不开花，但冬季转移到温室栽培后，株高他们试验了温度、光质、营养等各种条件，发现日照长度是影响烟草开花的重要因素。 夏天用黑布复盖，人为地缩短日照的长度，烟在开花的冬天用人工光在温室内延长日照长度，烟保持营养状态不开花。 他们得出了短日照是烤烟开花的重要条件。 4、根据光照长度影响植物开花情况的植物分类，(1)长日性植物。 是指光的长度超过一定的阈值(临界光的长度)时才开花，否则保持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。 是指光的长度比一定阈值短时才开花的植物。 例如水稻、玉米、棉花等原产于低纬度地区的作物。 (3)中日性植物。 昼夜长度比例相等时开花的植物。 甘蔗等。 (4)中间型植物。 开花是指受光照长度影响较小的植物，又称光期钝感植物。 西红柿、黄瓜等。 另外，还发现了长日性和短日性植物等。 5、临界光的长度(临界光的长度)是指引起植物开花的光的长度极限。 长日性植物的开花不能使光的长度比这个极限的长度短，短日性植物的开花不能使光的长度比这个极限的长度长。 3种主要光周期反应类型6、光周期诱导机制(1)光周期诱导敏感的植物，经过适当的日照条件诱导才开花，但引起植物开花的适当光周期处理不必持续到花芽分化。 植物达到一定的生理年龄时，经过充分天数的适当光周期处理后，即使是不适当的光周期，也会保持这种刺激的效果开花，这种效果被称为光周期诱导(photoperiodicinduction )。 因此，光周期的花形成反应是诱导过程，花芽的分化不一定能在适合光周期处理的时期保持这种诱导状态。 不同种类植物在光周期诱导的天数不同。 (2)有效光强植物光周期反应不需要强光强，一些勒克斯弱光对光周期反应有效。 一些勒克斯弱的光，如曙暮光和路灯，虽然不能使植物光合作用，但起着延长光的长度的作用。 (3)在光周期诱导中的光期和暗期的作用自然条件下，一天24小时内光暗交，即光期的长度和暗期的长度互补。 所以，如果有临界日长，就有相应的临界暗期(criticaldarkperiod )。 那么，决定光期还是暗期呢？根据很多实验，暗期有着更重要的作用。 另外，暗时段对开花的影响、实验结果：光周期效果取决于暗时段的长度而不取决于曝光时段的长度与暗时段的比率。 短日性植物开花需要一定时间以上的暗期，长日性植物暗期过长也不能开花。即使给予足够长的暗期，暗期中途“光中断”的话暗期效果也会消失，光期中途“暗中断”的处理不会改变。 因此，在研究植物光照阶段的发育速度时，将光照阶段内每天的暗期时间之和称为暗长积量，提出了满足必要的暗长积量作物完成光照阶段的概念。 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自然光的绝对长度及其变化趋势有着密切的关系。 植物光的周期性形成是植物长期适应原产地发育期的自然光条件的结果。 在人工选育的条件下，可以改变植物光的周期性。 二、光长与植物发育关系的一些解释认为： 1、光周期说(经典、解释现象)可以通过植物适当的光周期完成其发育过程。 这是植物本身的生物节律植物只有在适合其本性的黑暗和光线交错之后才能正常发育。 否则，发育迟缓，发育失败，不同植物交替需要不同时间长度的光和黑暗。 2、光的阶段说(李森科)认为，植物的生长发育不是由光的周期决定的，而是由一定的发育阶段即光的阶段决定的。 李森科建议植物的发育应经过春化阶段和光照阶段两个阶段。 长日性植物之所以需要连续的光(昼长夜短)，是因为长日性植物的茎的生长点只能在光照条件下进行必要的阶段性变质。 另一方面，短日性植物需要连续的黑暗(昼短夜长)。 这是因为只有在短日性植物茎的生长点较暗的条件下才能进行必要的阶段性变质。 可以认为，植物的发育是在一定的具体阶段对光线产生暗反应，不是在全生育期或大致开花前进行的。 分光成分说和光质说(沙垠)认为，植物的发育不受光周期的影响，不要求光和暗度，实质上需要一定波长的光。 长日性植物的发育需要长波光，短日性植物的发育需要短波光，这是植物在长期生活环境中自然选择的结果。 在低纬度地区，一天中太阳高度在30以下的时间较短，30以上的时间达到前者的约2倍(表2.4 )，30以上的时间短波的比例较大(表2.5 )，植物长期适应，结果形成了需要短波的短日性植物。 在高纬度地区，情况恰恰相反。 表2.4夏至日不同纬度地平线30多小时，表2.5不同高度太阳光谱各波段辐射占总辐射比例，4、感光色素学说(Hendrichs和Borthwith )认为高等植物对光长的反应取决于植物感光色素系统。 光敏色素是存在于植物体中激素，在植物体内，红色光吸收型Pr (最大吸收波长660nm )远红色光吸收型Pfr (最大吸收波长730nm)Pr和Pfr能够在一定条件下相互转化，由图可知，在光的条件下，植物体内形成的光敏色素主要是Pfr， 在该变换处于黑暗中的情况下，Pfr逐渐变化到Pr，并且Pfr到Pr的暗变换需要大约810小时的时间，这将在黑暗期间受光干扰，并且该变换未完成。 研究表明，开花激素的形成与Pfr和Pr之比有关。 短日性植物要求较低的Pfr/Pr比，为了引起开花激素的形成，需要一定程度的暗期，使Pr增加。 长日性植物是相反的。 三、光周期对植物生长的影响，一是对植物生长的影响光周期对植物生长有一定的影响，但对许多植物生长的影响很小。 实际上，光周期主要通过影响光合作用时间来影响植物的营养生长。 2、影响生殖生长的光周期最明显的作用是诱导植物开花，开花早的晚会对作物生长发育和产量形成有重要影响。因此，通过人工控制作物的光周期可以达到生产目的。 3、植物感光性水稻为例，显示了某些植物品种缩短或延长日照对开花结果的影响程度。 各植物的不同品种属于同一类型，但对光长的要求有差异，对光长的反应也不明显，这是不同品种长期适应各产地生