第2章太阳辐射与农业生产

第二章太阳辐射与农业生产§2光的生物学意义与植物的光学特性一）光的生物学意义提供植物光合作用的能量（可见光）

光合作用CO2+H2O+光能

C6H12O6+O2+化学能促进或改变生理反应(形态和生理效应)。如种子发芽、开花、衰老、块茎形成、休眠等。提供热能。红外和可见光被植物吸收，获得热能提高体温，不参加生化反应。辐射产生变异。太空育种。

1）太阳辐射的重要性表2.1不同波段辐射及其对植物生命的重要性辐射波段光谱区(nm)太阳辐射%热效应光合效应光形态效应紫外290-3800-4不重要不重要中等PAR400-70021-46重要重要重要近红外700-400050-79重要不重要不重要远红外3000-10000重要不重要不重要2）光对生物产生影响的主要方式

光质光强光长3）研究太阳辐射与农业生产的重要意义

研究它们的相互关系，提高太阳能利用率，获得农业的高产优质。●反射：包括内反射和外反射●吸收：●透射：●吸收率、反射率和透射率之间关系：二）植物的光学特性1）叶片对辐射的反射、透射和吸收投射到叶面的太阳辐射，可分为反射、吸收、透射三部分。α(λ)、r(λ)、τ(λ)的大小因生物种类、叶龄、光的投射角度、天气状况以及叶片内各种色素的含量而异。α(λ)+r(λ)+τ(λ)=12）影响叶片反射、透射和吸收能力的因素●太阳光谱成分●生物种类●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A、叶片的反射能力植物叶子对太阳辐射的反射能力大小，主要决定于叶子本身的特点(即它的表面状态、形态、色彩、水分含量及保护覆盖物等)和太阳光谱的成分。一般，叶片对各波段光谱的反射规律是：(1)可见光域的反射大致决定于以叶绿素为主的色素种类和数量，反射率在绿色部位呈现高峰，而蓝色及红色部位最低，自670~680nm随着波长的增加而急剧升高。(2)750~1100nm的近红外波域的光谱反射大致决定于叶片内部的细胞构造。(3)1300~2800nm波域的光谱反射大致决定于叶中的含水量。

Thetransparentepidermisallowstheincidentsunlighttopenetrateintothemesophyll,whichreflectspartoftheincidentgreenwavelengthsandabsorbsalltheblueandredenergyforphotosynthesis.Near-IRreflectanceofleavesiscausednotbychlorophyllbutbytheinternalcellstructure.B、叶子的透射能力根据观测，通常植物叶子的光谱反射能力与透射能力相当，即凡是植物反射较强的光谱段，植物对其透射能力也较强。上图是两种植物叶子对光谱的透射能力，在可见光部分，植物叶子的透光率在5—20％之间，相对高值在550—580nm波段，即黄绿光部分出现，透射率最大的光谱在近红外区(约800nm)。C．叶子的吸收能力植物叶子对不同波长的太阳辐射也具有很强的选择吸收能力。绿色叶子的光谱反射率、透射率和吸收率之间的关系图和表数据，一致地反映：绿叶有两个明显的吸收峰，在光合有效辐射部分和长波辐射部分，以后者为最强。叶肉组织吸收的大部分光线，依赖于色素类，主要是叶绿素(a、b)和类胡萝卜素。叶子对光的吸收表现为强烈的选择性，红色部位吸收峰主要是叶绿素的作用，蓝色部位的吸收峰，则是基于叶绿素和类胡萝卜素两者的综合作用。红外部分的反射、吸收和透射状况，因波长而不同。在波长较短的范围，670至1100-1300nm，反射和透射的比例急剧增高，吸收率急剧下降，占0-15%，叶片只是吸收其中极少量的几乎是透明的成分。

3）群体叶片的光学特性太阳光能进入农田植被中，受到植被中茎叶多次反射、吸收和透射而被层层削弱。植物群体反射、吸收、透射能力强弱与植被的密度、种、叶子的性质(含水量、厚薄、颜色、大小等)有关。LeafReflectance(R)andTransmittance(T)SpectralMeasurementsDeciduousLeavesConiferousneedlesPROSPECTForwardModelResults(SugarMapleLeaf)3）叶片反射透射的模拟SeasonalVariationsinSugarMapleLeafSpectraLeafReflectanceLeafTransmittanceLeafChlorophyllMeasurements(InaSugarMapleStandin2004,UofTLab.)Leaf-LevelModelInversion

fromopticalspectratochlorophyllInversion

Minimize∆Chlorophyll(Cab)Watercontent(Cw)DrymatterLeafSpectra(R&T)OutputPROSPECTModel(Jacquemoudetal.1996)

Tisthethicknessfactor,whichistheratiooftheleafthicknessinsummertothatinothergrowingseasons,orthethicknessratioofoverstoryleavestounderstoryleaves.Leaf-levelchlorophyllestimation:(Deciduousspecies)Improvements:thicknessfactorOriginalmodelModelwiththethicknessfactor,Improvements:leafthicknessandwidthparametersLeaf-levelchlorophyllestimation:(Coniferousspecies)OriginalmodelImprovedModelCanopy-levelModelingInputs:LeafreflectanceandtransmittancespectrumBackgroundreflectancespectrumLAIDefaultstandparametersetsfordifferentspeciesOutput:CanopyreflectancespectrumFourscenecomponentsBackgroundspectrameasurements(siteSB3)Weightedaverageaccordingtofractionsofthevariousfloorcoversdeterminedthroughclassifyingdigitalphotos.Canopylevelmodelingresults(siteSB3)

InputleafandbackgroundspectraViewFactorsfromfoliageShadedFoliageSunlitFoliageShadedBackgroundSunlitBackgroundInversionfromCanopytoLeafFourscenefractions:RemotesensingSunlitleafreflectanceneededM:amultiplescatteringfactortoconvertfromPTtoL

andtoincorporatetoshadedcomponentsContributionsoftheFourSceneFractionstoTotalReflectanceSunlitFoliageReflectanceatDifferentSolarZenithAngles(SZA)ProportionofSunlitFoliageViewedinNadir

AsAffectedbyLAIandSZASunlitGroundReflectanceatDifferentSolarZenithAngles(SZA)ProportionofSunlitGroundViewedatNadir

AsAffectedbyLAIandSZAInvertedLeafReflectanceSpectrumModelResultsvs.RemoteSensingMeasurementsCASI(CompactAirborneSpectographicImager)ImageryUsedtoDeriveChlorophyllInformation

Subury,Ontario,Canada,September5,2003ValidationofRetrievedChlorophyllContentPerUnitLeafArea

对于油菜地和小麦地来说，相对总辐射随植株相对高度而不断地下降，并在植株相对高度20-70%之间下降最为迅速。另外，油菜地的相对总辐射在同一相对高度下总比小麦地为小，这是由于油莱的叶面遮蔽要比小麦大的缘故，

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。4）群体内的光分布农田中，由于太阳视位置的周日变化，总光强也有着日变化。平均说，具有露地相同的日变化形式，只是因向植被内部深入，太阳光能显著减弱(图2．4)。中午时透光串最大，早晚较小。

光在群体中垂直分布规律的数学描述日本的门司正三和佐伯敏郎（1953），从实际观测（大田切片法）和理论推算两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。I=I0exp（-kF）式中，I0为冠层（群体顶部）的光强；I为各层次的光强；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。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。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）。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。5）绿色叶子的能量平衡

植物叶子吸收太阳能总量很大，但叶温没有强烈升高，故探究叶子中的能量分配，对于提高光能利用率是很有意义的。

(1)能量用于光合作用。实验证明，在适宜的条件下，用于叶子进行光合作用的能量约力2—5％。一般情况约为l-2％左右，甚至少于1％。光合产物的含热显(以碳水化合物计)。平均约0.278焦耳