树体影长系数与太阳位置的关系

树体影长系数与太阳位置的关系

根据20世纪世界的研究，密植的乔木和树冠是种植的更好的形式。在篱式果园中,树冠上层叶片和外围叶片分别造成对下层和内膛叶片的遮荫,同时在一个果园内,还会有相邻两行树冠的相互遮荫,从而影响果实的产量和品质(包括果实大小、色泽、糖分含量及内贮藏性等)。果树稀植正方形栽培条件下,不存在行向的生态因子变异。目前,连行树篱(一行树冠交接似一行树篱)光照状况以何种行向较好尚存争议。舒里金、唐纳德、凯恩、阿戈夫诺夫、宫川建一和克里斯廷逊等人都认为南北成行有利。但杰瓦托夫认为连行树篱沿纬线(东西成行)定向比沿经线(南北成行)光照条件好。而罗新书等研究认为,在我国条件下,北部地区应以选择北东(NE)22.5°行向;中部地区应采用东西行向;南部地区以采用东西行向为最佳。在建立果园时,应考虑如何最大限度合理的利用太阳光能,不断提高光合作用效率以获得优质丰产。光合产物数量在一定范围内与树冠受光时数成正相关。篱式果园受光情况受多种因素影响,其中行向是人们关注的问题之一,本文就这方面的问题作一探讨。1方法1.1太阳高度角a—太阳方位角与高度角的计算由天文三角知sinA=sint·cosδ/cosα,sinα=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cost(A—太阳方位角,α—太阳高度角,δ—太阳赤纬,t—时角,φ—地理纬度)。利用上述公式可计算出太阳在不同纬度地区某日各时刻的位置。1.2太阳高度角的变化如果将树体简化为一直立杆,设直立杆高为h,其影长为L。在太阳高度角α一定的情况下,有L=h·ctgα,且ctgα=L/h(即单位高度影长),这里称ctgα为随着太阳高度角变化的影长系数。利用以上公式可计算直立杆在不同纬度地区某日各时刻的太阳方位角和影长系数,并绘出太阳方位角A与影长系数ctgα的关系图。而后可根据不同的行向以及冠间距与树冠不同部位高度的比值求树冠的受光时数。2生长方向和树冠1.纬度。根据我国所处的地理位置,确定对北纬20o、30o、40o、50o四个纬度地区进行研究。2.行向。如图2中所示,设南北行、南西(SW)30o、南西(SW)45o、南西(SW)60o和东西行五种行向。3.季节。取果树生长期中四个节令,分别为春分、夏至、秋分、霜降进行分析。4.树冠。如图1所示,设树冠为矩形,冠间距为d,冠高为h(与直立杆高度相等,这里不考虑树冠下部的主干高度),冠间距与冠高的比值K=d/h。为研究方便,使d=h,并取冠底部、冠中部受光时数进行分析,冠底部K1=d/h=1,冠中部K2=d/(h/2)=2。3行向和光时数3.1actg关系线的绘制依上述方法计算北纬20o、30o、40o、50o地区直立杆在春分、夏至、秋分、霜降四个节令不同时刻的太阳方位角A与影长系数ctgα的值。以直立杆为中心(如图2中O点),确定出东西南北方向线,太阳方位角以南为零点,向西为正,向东为负,直立杆高度取1个单位(或1cm),绘出四个纬度地区的四个节令A～ctgα关系组合图,如图2中所示。现以北纬40o、春秋分点为例,说明A～ctgα关系的计算和绘图过程。在一年之中的春、秋分点,太阳赤纬δ=0,又φ=40o,代入天文三角公式有sinα=0.707cost,sinA=sint/cosα,从而可求得在春、秋分点这一日各时刻的太阳高度角α、太阳方位角A的值以及对应的影长系数ctgα等列于表1。依表1中所列数据,作出A～ctgα关系线,见图3。春、秋分点时A～ctgα关系线为一平行于东西(WE)方向的水平线,水平线上的数字(7、8、……17等)为真太阳时,即这一日7时、8时等时刻。图中原点O为单位高度直立杆所在的位置。作图过程如下:7时到17时对应的太阳方位角A以及相应的影长系数ctgα见表1。在图3中依这些数字用极坐标法定点,如12时,A=0o、ctgα=0.84(o–12长度);9时,A=-57.27o、ctgα=1.55(o–9长度);16时,A=69.64o、ctgα=2.41(o–16长度)等,这些点也反映了某一时刻单位高度直立杆的影子方向和长度。将所定的点(7、8、……17等)依次连线,可见在春、秋分点时A～ctgα的关系线为平行于东西(WE)方向的直线,此直线也即在春、秋分点时单位高度直立杆的影顶线。依同样的方法还可绘出夏至、霜降时的A～ctgα关系线,其线为曲线,见图3。同理还可做出其他纬度地区的A～ctgα的关系线(即影顶线),见图2。3.2接受光时间3.2.1光中断数的确定3.2.2实例分析4根据最多传播方向设计受光总时数的受光时数计算特征线件中、高纬度地区栽植的树篱冠面,根据树篱由表2可知,同样的行向随着纬度的升高而树篱的受光总时数逐渐减少。如南北行在北纬20o、30o、40o、50o地区的受光总时数分别为55.2h、54.4h、51.8h、46.8h。由表2还可知,同一纬度地区,随着南北行向东西行的转变,树篱第一面受光时数逐渐增加,第二面受光时数逐渐减少,但总时数是增加的(仅50o时东西行减少)。这可能是有的研究者认为东西行较为有利的原因。篱式果园的最佳行向与受光时数也是一个矛盾的统一体。一般来说,在同纬度地区,东西行与其他行比较,受光总时数最多,但树篱两侧受光不均匀,第二面受光时数最少,早晨与傍晚一些受光时数的光强较弱;南北行受光时数较少,但树篱两侧受光均匀,第二面受光时数较多,且有利于通风。考虑到上述原因,既要获得较多的总受光时数,又要考虑到第二面受光时数不得太少,以保证树冠底部的日受光时数。确定最佳受光时数,既考虑受光总时数,又要考虑到第二面受光时数和树冠底部日受光时数。根据这一原则确定出表2中数字加深的部分以及表3等结果,不同纬度地区最佳行向的选择列于表4。由表4可知,地理纬度在40oN及以上时可采用南北行。随着纬度的降低,行向为南西30o、南西45o,到20oN时,行向为南西60o。根据不同纬度地区最佳行向的变化趋势可得出如下结论:在赤道(0o)附近采用东西行向最为有利,树篱两侧可获得最多的受光总时数;在中、高纬度地区宜采用南北行,可使树篱两侧受光均匀并获得一定的受光总时数;在0o～40oN地区之间是一个由东西行逆时针向南北行转变的过度带,以此设计的行向即可使树篱的第二面有一定的受光时数,又可使树篱两侧获得较多的受光总时数(见表2、表4),这样篱式果园能够充分地利用太阳光能。为研究方便,一行树篱可视为无数直立杆单行排列而成,并可简化为一条直线。据上述所设计的树冠,当K1=1时,取三条平行线(见图3中①②③线),间距1cm(或1个单位),以确定树冠低部的受光时数;当K2=2时,也取三条平行线(图3中①④⑤),间距2cm(或2个单位),为了确定树冠中部的受光时数。三条平行线①②③表示三行树篱,④⑤虚线是用以确定树冠中部的受光时数。将五条平行线依上述所设计的5种行向放置在图2中,中线(参见图3中的①线)表示无数单行直立杆组成的一行树篱,并过图中原点o,用以确定邻行的受光时间及受光时数;相邻的两条线(参见图3中的②③线)则表示相邻两行树篱,用以确定一行树篱树冠低部两个面的受光时数(树篱分为两个面,分别为第一面和第二面);虚线(参见图3)是用以确定一行树篱树冠中部两个面的受光时数。由此可在图中求得北纬20o、30o、40o、50o四个地区五种行向一行树篱两个面的受光时数,结果列于表2。以北纬40o的A～ctgα关系线(见图3)为例,列出所设计的五种行向在四个节令冠底部及冠中部受光时间和时数,见表3。并以南西(SW)30o行向为例,求树冠底部及中部受光时间和时数,如图3所示,具体求法为:①冠底部(K1=1)树冠受光时间和时数。春秋二分。第一面受光时间由10.2h(图3中②线与春秋分影顶线交点)到13.2h(①线与春秋分影顶线交点),共3h;第二面受光时间由13.2h到15.3h(③线与春秋分影顶线交点),共2.1h(为在图中估读时间方便,取十进位,小数点后保留一位有效数字)。夏至.第一面受光时间由8.3h(图3中②线与夏至影顶线交点)到12.7h(①线与夏至影顶线交点),共4.4h;第二面受光时间由12.7h到15.7h(③线与夏至影顶线交点),共3h。霜降。第一面受光时间由10.9h(图3中②线与霜降影顶线交点)到13.5h(①线与霜降影顶线交点),共2.6h;第二面受光时间由13.5h到15.2h(③线与霜降影顶线交点),共1.7h。②冠中部(K2=2)树冠受光时间和时数。春秋二分。第一面受光时间由8.5h(图3中④线与春秋分影顶线交点)到13.2h(①线与春秋分影顶线交点),共4.7h;第二面受光时间由13.2h到16.2h(⑤线与春秋分影顶线交点),共3h。夏至。第一面受光时间由6.5h(图3中④线与夏至影顶线交点)到12