农业与气候知识培训课件

农业与气候知识培训课件第一章农业气象学概述农业气象学是研究大气环境与农业生产相互关系的科学。它揭示了气象条件如何影响作物生长、畜牧生产和农业生态系统，为农业决策提供科学依据。农业气象学定义与研究内容什么是农业气象学？农业气象学是一门交叉学科，专注于研究农业生产与气象条件之间的复杂相互关系。它综合运用气象学、农学、生态学等多学科知识，为农业可持续发展提供理论支撑。核心研究内容光照、温度、水分等气象要素对作物的影响机制农业气象灾害的形成、预警与防御气候资源的合理开发与高效利用农业小气候的改良与调控技术光照资源光合作用的能量来源温度条件生长发育的动力水分供应生命活动的基础大气成分CO₂等气体影响农业气象学的发展历程与应用1传统观测时代依靠经验积累和简单观测工具，农民根据物候现象和天气谚语指导农业生产活动。2现代科学建立20世纪中期，农业气象学作为独立学科形成，建立了系统的理论体系和观测网络。3技术革新阶段遥感技术、气象卫星和数值模型的应用，使农业气象服务进入精准化时代。4智慧农业时代大数据、人工智能与物联网技术的融合，推动农业气象服务向智能化、个性化方向发展。广泛的实际应用作物生长监测实时追踪作物生长状态，识别气象胁迫信号，及时调整田间管理措施。产量预测预报结合气象模型与作物生长模型，提前预测粮食产量，为市场调控提供依据。灾害预警防御提前发布干旱、洪涝、霜冻等灾害预警，指导农户采取防护措施，减少损失。田间气象观测站自动化观测设备实时监测温度、湿度、风速、降水等多项气象要素，为精准农业管理提供数据支撑。卫星遥感监测通过卫星影像分析作物长势、土壤墒情和气象灾害影响，实现大范围、高频次的农业气象监测。第二章关键气象要素对农业的影响气象要素是农业生产的关键驱动力。光照、温度、水分和大气成分等要素通过复杂的生理生态过程，深刻影响着作物的生长发育、产量形成和品质优劣。深入理解这些气象要素的作用机制，是实现农业高产、优质、高效的科学基础。光照与作物生长光照是植物进行光合作用的唯一能量来源，直接决定着作物的物质积累和产量形成。光照条件包括光照强度、光质（光谱组成）和光周期（日照长度）三个核心要素。光照强度的影响光照强度决定光合作用速率。在光饱和点以下，光强增加能显著提高光合效率；但过强光照会导致光抑制，甚至造成叶片灼伤。光质的作用不同波长的光对作物生长影响不同。红光促进茎叶生长和开花，蓝光促进叶绿素合成和气孔开放，紫外光增强抗性。光周期效应许多作物对日照长度敏感。长日照作物需要较长光照才能开花（如小麦），短日照作物需要短光照诱导开花（如水稻）。小麦喜强光，光饱和点高，适合全日照环境生长。水稻中等光需求，对光周期敏感，需要短日照诱导。蔬菜多数喜光，但部分叶菜类耐阴性较强。提升光能利用率是农业增产的关键策略，包括合理密植、优化株型、选择高光效品种等措施。温度对农业生产的作用生长速度调控温度是作物生长发育的动力，直接影响细胞分裂和代谢速率，决定作物从播种到成熟的时间长度。生育期决定不同作物有特定的温度需求范围。积温理论通过累积有效温度来预测作物生育期，指导播种和收获时间。开花结实影响开花期对温度极为敏感。高温会导致花粉活力下降、柱头干燥，影响授粉受精，最终降低结实率和产量。三基点温度与积温理论每种作物都有其生长的最低温度（生长停止）、最适温度（生长最快）和最高温度（生长受阻）。积温是指生长期内日平均气温高于最低温度的累积值，是衡量热量资源的重要指标。低温危害春季低温导致烂秧、冻害秋季低温造成贪青晚熟冬季冻害影响越冬作物存活高温危害加速呼吸消耗，降低净光合产物花粉活力下降，影响授粉受精加剧蒸腾失水，引发旱热害科学利用温度资源，选择适宜品种，合理安排播期，是实现农业稳产高产的重要保障。水分条件与作物健康水是生命之源，也是作物生长的生命线。水分不仅是植物体的重要组成成分，还参与光合作用、养分运输、体温调节等几乎所有生理过程。SPAC系统：水分传输机制土壤-植物-大气连续体（SPAC）描述了水分从土壤经根系吸收、通过茎叶输导、最终蒸腾到大气的完整过程。这一系统的任何环节受阻，都会影响作物正常生长。土壤水分根系吸水的源泉，土壤含水量决定供水能力。根系吸收根系通过渗透作用吸收土壤水分和溶解的养分。茎叶输导维管束将水分和养分运输到植物各个器官。叶片蒸腾气孔开放释放水汽，产生蒸腾拉力驱动水分上升。干旱与洪涝：双重威胁干旱灾害土壤水分不足导致作物萎蔫、光合作用下降、生长停滞。严重干旱会造成作物枯死，绝收。影响种子萌发和出苗降低光合效率和物质积累加速衰老，缩短生育期洪涝灾害土壤过湿或积水造成根系缺氧、养分流失、病害滋生。洪涝还会冲毁农田设施，造成巨大损失。根系呼吸受阻，吸收功能下降土壤养分淋失，肥力降低病虫害大量繁殖传播科学的水分管理，包括合理灌溉、改良土壤结构、选育抗旱耐涝品种，是保障作物健康生长的关键。大气二氧化碳与温室气体影响二氧化碳施肥效应大气中的二氧化碳（CO₂）是植物光合作用的原料。CO₂浓度升高可以促进光合速率，提高水分利用效率，从而增加作物生物量和产量。这种现象被称为"CO₂施肥效应"。在密闭温室中人工补充CO₂，已成为提高设施农业产量的常用技术手段。大气CO₂浓度从工业革命前的280ppm上升到目前的420ppm，对农业生产产生了复杂影响。50%工业革命以来大气CO₂浓度增加幅度15%光合速率CO₂倍增可能提升的幅度10%营养品质蛋白质含量下降的比例负面影响不容忽视尽管CO₂施肥效应可能提高产量，但研究发现，高CO₂环境下生长的作物营养品质显著下降。蛋白质、矿物质（如铁、锌）含量减少，这对全球营养安全构成潜在威胁。温室气体排放CO₂、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）等温室气体浓度持续上升，是全球气候变暖的主要驱动力。气候变暖加剧全球平均气温较工业革命前已上升约1.1℃，极端天气频率和强度不断增加，给农业生产带来严峻挑战。农业风险增加气候变化导致生长季波动、病虫害扩散、水资源短缺等问题，威胁全球粮食安全和农业可持续发展。光合作用：生命的能量转换植物叶片通过叶绿素捕获太阳光能，将大气中的二氧化碳和根系吸收的水转化为有机物质，同时释放氧气。这一过程是地球上几乎所有生命的能量基础。二氧化碳施肥效应提高大气CO₂浓度可以增强光合作用效率，促进作物生长。但这种效应在不同作物和环境条件下存在差异，且伴随营养品质下降的风险。光合作用与二氧化碳施肥效应：理解这一生理过程对于优化作物栽培管理、应对气候变化、保障粮食安全具有重要意义。第三章气候变化对农业的挑战全球气候变化正在深刻改变农业生产的环境条件。气温上升、降水格局改变、极端天气频发，给粮食安全、农民生计和农业可持续发展带来前所未有的挑战。认识这些挑战，是制定有效应对策略、保障农业未来的前提。2025年中国创历史最热夏季22.31°C夏季平均气温刷新中国气象观测历史纪录40+°C极端高温多地持续出现极端高温天气60天高温持续时间部分地区高温日数突破历史极值2025年夏季，中国经历了有完整气象观测记录以来最炎热的夏季，全国平均气温达到22.31℃，显著超过历史平均水平。多个省份遭遇罕见的持续性高温天气，部分地区最高气温突破40℃，高温日数创历史新高。高温对农业的严重影响作物生长受阻高温加速作物生育进程，缩短灌浆期光合产物积累不足，产量和品质下降花粉活力降低，结实率大幅下降叶片灼伤，光合面积减少畜牧业损失畜禽热应激导致采食量下降生长速度减缓，饲料转化率降低产蛋率、产奶量明显下降疾病抵抗力减弱，死亡率上升这一极端高温事件暴露了农业系统对气候变化的脆弱性，凸显了加强气候适应能力建设的紧迫性。气候变化导致的农业灾害气候变化不仅表现为平均温度的升高,更突出地体现在极端天气事件频率和强度的显著增加。干旱、洪涝、热浪、寒潮等灾害性天气给农业生产造成巨大损失。干旱灾害降水减少、蒸发增强导致土壤干旱加剧。作物缺水萎蔫，产量大幅下降,严重时颗粒无收。洪涝灾害短时强降雨、连续暴雨导致农田积水内涝。作物根系缺氧死亡，农田设施被冲毁。热浪高温持续性高温热浪造成作物热害。光合作用受抑，呼吸消耗增加，生殖器官受损。病虫害扩散气候变暖使病虫害发生范围扩大、世代增多。农作物受害面积和程度显著增加。多重威胁叠加土壤退化加剧极端降雨增强土壤侵蚀，干旱导致土壤沙漠化，农田生产力持续下降。水资源短缺降水时空分布不均，冰川融化减少长期供水，农业灌溉用水矛盾突出。气候变化引发的农业灾害呈现出频率高、强度大、影响广、损失重的特点，严重威胁粮食安全和农村经济社会稳定发展。全球粮食产量下降趋势联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的研究表明，如果温室气体排放不能得到有效控制，全球气候将持续变暖，对农业生产的负面影响将日益显著。粮食产量预测科学研究预计，在气候变化情景下，到2050年全球粮食产量可能每10年下降2%-6%。小麦、玉米、水稻等主要粮食作物的产量和品质都将受到不同程度的影响。气温每升高1℃，小麦产量可能下降6%，玉米产量下降7%。极端高温和干旱事件的增加,将进一步加剧产量波动。2-6%产量下降每十年的预期降幅80%粮价上涨预计涨幅比例50M+受威胁人口面临粮食安全风险粮食安全面临严峻挑战粮价大幅上涨供需矛盾加剧将导致粮食价格飙升,预计涨幅可能达到80%,低收入群体首当其冲。贫困地区最脆弱撒哈拉以南非洲、南亚等地区农业基础薄弱,气候适应能力差,将遭受最严重的冲击。营养不良加剧粮食减产和价格上涨将导致饥饿和营养不良人口增加,儿童发育和健康受到严重影响。面对这一严峻形势,国际社会必须采取紧急行动,加强气候智能型农业建设,提升农业系统的气候适应能力和韧性,保障全球粮食安全。极端气候下的农业风险干旱：土地的呼救持续干旱导致土壤龟裂,作物枯萎死亡。水资源枯竭使灌溉无法进行,粮食大幅减产甚至绝收。洪涝：水患的威胁暴雨洪水淹没农田,作物溺水而亡。土壤结构破坏,养分流失,农业设施被冲毁,经济损失惨重。这两种极端天气往往在不同地区或不同季节交替出现,给农业生产带来双重打击,凸显了提升农业气候韧性的紧迫性。第四章农业气象灾害防控与调适面对气候变化带来的严峻挑战,被动承受已不再是选项。通过建立完善的灾害预警系统,推广气候智能型农业技术,实施区域适应策略,可以有效提升农业系统的抗灾能力和气候韧性。本章将介绍农业气象灾害防控的理念、技术和实践,为实现农业可持续发展提供解决方案。农业气象灾害预警系统现代农业气象灾害预警系统综合运用气象观测、数值模拟、遥感监测和大数据分析等技术手段,实现对灾害性天气的提前预测和及时预警,为农业防灾减灾争取宝贵时间。01数据采集地面观测站、气象卫星、雷达等多源数据实时采集气象信息。02模型分析数值天气预报模型和农业气象模型分析预测未来天气变化趋势。03风险评估结合作物生长状况和气象条件,评估灾害发生概率和影响程度。04预警发布通过多种渠道及时向农户和农业部门发布预警信息。05应急响应指导农户采取防御措施,启动应急预案,最大限度减少灾害损失。预警系统的核心功能提前预测提前3-7天预测干旱、洪涝、冰雹、霜冻等灾害,为防御准备留出充足时间。精准定位精确到县、乡甚至村的空间分辨率,实现精准化、个性化的预警服务。智能推送通过手机APP、短信、广播等多种方式,将预警信息快速送达农户手中。案例：2021年欧洲洪灾农业损失评估2021年7月,德国和比利时遭遇特大洪灾,农业损失惨重。事后评估显示,在预警到位的地区,农户提前转移了农机设备和牲畜,采取了排水措施,损失减少了30%-50%。这凸显了有效预警系统的巨大价值。气候智能型农业技术气候智能型农业（Climate-SmartAgriculture,CSA）是一种可持续农业发展方法,旨在提高生产力、增强气候适应能力,同时减少温室气体排放。它代表了农业应对气候变化的综合解决方案。精准灌溉技术滴灌、喷灌等节水灌溉技术根据作物需水规律和土壤墒情精准供水,提高水分利用效率,减少水资源浪费。物联网传感器实时监测,智能控制灌溉。抗逆品种选育利用传统育种和现代生物技术,培育耐热、抗旱、耐涝、抗盐碱的作物新品种。这些品种能在不利环境下保持较高产量,是适应气候变化的根本措施。设施农业发展温室、大棚等设施农业通过人工调控温度、湿度、光照等环境因子,摆脱自然条件限制,实现周年生产,大幅提高土地产出率和资源利用效率。保护性耕作免耕、少耕、秸秆还田等措施保护土壤结构,增加有机质,提高保水保肥能力,增强土壤抗旱抗涝能力,同时减少碳排放。农业保险体系建立和完善农业气象指数保险,将农户损失与气象指标挂钩,快速理赔,分散气候风险,保障农民收入稳定。循环农业模式种养结合、农牧循环,将废弃物资源化利用,减少化肥农药使用,降低温室气体排放,构建低碳、环保的农业生产体系。这些技术措施相互配合、协同作用,能够显著提升农业系统应对气候变化的能力,为粮食安全和农业可持续发展提供有力支撑。农业生产的区域气候适应策略由于不同地区的气候条件、资源禀赋和农业基础差异巨大,应对气候变化不能"一刀切",必须因地制宜,制定符合本地实际的区域适应策略。调整种植结构根据气候变化趋势和资源条件,优化作物布局和品种配置。干旱地区发展节水作物,水热资源丰富地区发展高产作物,实现资源高效利用。优化种植制度调整播期、熟制和茬口安排,充分利用气候资源。气温升高地区可适当延长生长季,发展多熟制;冷凉地区选择早熟品种,确保安全成熟。利用农业小气候山地、盆地、河谷等特殊地形形成独特小气候资源。合理利用坡向、海拔、水体等局地气候条件,发展特色优势农产品。建设农田基础设施完善灌溉排水系统、田间道路、防护林网等基础设施,提高农田抗灾能力。高标准农田建设是提升区域气候适应能力的硬件保障。区域协同与经验共享建立区域间气候适应经验交流机制,推广成功案例和先进技术。加强跨区域协作,在更大范围内优化资源配置,形成优势互补的区域农业发展格局。华北平原发展节水农业,推广小麦玉米一年两熟高效种植模式,保障国家粮食安全。长江流域优化水稻种植布局,发展稻渔综合种养,提高水土资源利用效率。科技助力农业气候调适智能灌溉系统传感器实时监测土壤水分和气象条件,自动控制灌溉,精准供水,提高水分利用效率,帮助作物应对干旱胁迫。智能温室大棚自动化环境调控系统精确控制温度、湿度、光照和CO₂浓度,为作物创造最佳生长环境,不受外界气候影响。现代农业科技使人类能够在一定程度上主动调控农业生产环境,减少气候波动的负面影响,是建设气候韧性农业的重要手段。第五章农业气象模型与预测技术农业气象模型是利用数学方程描述气象要素与作物生长之间关系的工具。通过模型模拟和预测,可以定量评估气候条件对农业生产的影响,为科学决策提供依据。本章介绍主要的农业气象模型类型、应用方法和发展趋势,展示数字技术在现代农业气象服务中的重要作用。作物生育期与产量模型模型原理作物生长模型基于植物生理学和生态学原理,综合考虑光照、温度、水分、养分等因子对作物生长发育的影响,通过数学方程模拟作物从播种到成熟的整个生长过程。模型可以模拟不同气象条件下作物的生育进程、干物质积累、产量形成等关键过程,预测最终产量和品质。主要模型类型DSSAT：决策支持系统,集成多种作物模型,应用广泛APSIM：农业生产系统模拟器,擅长模拟作物-土壤-气候互作WOFOST：世界粮食研究模型,注重大尺度产量预测数据输入气象、土壤、品种、管理措施等基础数据。过程模拟模拟光合作用、呼吸、蒸腾、养分吸收等生理过程。生长预测预测生育期、生物量、产量等关键指标。结果输出生成可视化报告,支持决策分析。实际应用播期优化模拟不同播期条件下的作物表现,确定最佳播种时间,充分利用气候资源。施肥决策根据作物需肥规律和土壤供肥能力,优化施肥时期和用量,提高肥料利用率。产量预测提前预测区域或全国粮食产量,为市场调控和政策制定提供科学依据。通过模型模拟,可以在不进行实际种植的情况下,评估不同管理方案的效果,节省大量时间和成本,显著提高农业生产的科学性和精准性。土壤水分动态模型土壤水分是连接气象条件和作物生长的关键纽带。土壤水分动态模型通过模拟降水入渗、蒸散发、径流、深层渗漏等水分运动过程,预测土壤含水量的时空变化。降水补给雨水渗入土壤,补充土壤水分储量。作物吸收根系从土壤中吸收水分供植物利用。蒸散消耗土壤蒸发和作物蒸腾消耗土壤水分。径流渗漏多余水分通过地表径流或深层渗漏流失。模型应用价值灌溉管理优化根据模型预测的土壤水分状况,确定灌溉时间和水量,实现精准灌溉,避免过度灌溉造成水资源浪费和养分流失。预测未来土壤水分变化趋势制定科学合理的灌溉计划提高灌溉水利用效率旱涝灾害预警通过监测和模拟土壤水分动态,及时发现干旱或渍涝风险,提前采取应对措施,减少灾害损失。识别干旱发生和发展过程评估渍涝风险和影响程度指导排水防涝工程建设土壤水分动态模型与气象预报相结合,可以实现未来1-2周的土壤墒情预测,为农业生产管理提供超前指导,显著提升水资源管理水平。农业气象综合服务平台现代农业气象服务已从单一的天气预报发展为集气象监测、预报预警、模型模拟、决策支持于一体的综合服务平台。这些平台整合多源数据,运用先进技术,为农业生产提供全方位、精细化、智能化的服务。实时监测系统集成地面观测站、气象卫星、雷达等多源数据,实时监测气象要素和农情信息,为决策提供及时准确的数据支持。遥感监测服务利用卫星遥感技术大范围监测作物长势、土壤墒情、灾害影响,快速评估农业生产状况,支持宏观决策。预测预警功能运用数值预报和作物模型,预测未来天气变化和作物生长趋势,发布灾害预警和生产指导建议。平台核心优势数据整合打破信息孤岛,实现气象、遥感、农情等多源数据的有效整合和共享。智能分析利用大数据和人工智能技术,自动分析海量数据,挖掘有价值的信息和规律。精准服务提供到县、到乡、到地块的精细化服务,满足不同层次用户的个性化需求。案例：南京信息工程大学农业气象平台南京信息工程大学开发的智慧农业气象服务平台,集成了气象观测、卫星遥感、作物模型等多种技术手段,为江苏省农业生产提供全流程服务。平台实现了小麦、水稻等主要作物的生长监测、产量预测和灾害预警,服务精度达到乡镇级,显著提升了农业气象服务的科技含量和应用效果。数字化农业气象服务现代农业气象综合服务平台通过可视化界面,将复杂的气象数据和模型结果以直观的图表、地图形式呈现,使农户和管理者能够快速理解信息,做出科学决策。实时数据监控温度、降水、风速等气象要素的实时监测和历史数据查询作物长势评估基于遥感影像和模型模拟的作物生长状况评估和预测灾害风险预警干旱、洪涝、病虫害等灾害的提前预警和防御建议生产管理指导播种、施肥、灌溉、收获等农事活动的最佳时机推荐数字化平台使农业气象服务更加智能、便捷、高效,是推进农业现代化的重要支撑工具。第六章未来农业气象发展趋势展望未来,农业气象学将在科技创新驱动下迎来革命性变革。人工智能、大数据、物联网、生物技术等前沿科技的深度融合,将重塑农业生产方式,显著提升农业应对气候变化的能力。本章探讨农业气象未来发展方向,为从业者和决策者提供前瞻性思考。气候变化下的农业创新面对气候变化的严峻挑战,农业必须通过持续创新来提升竞争力和可持续性。科技创新将成为农业转型升级的核心驱动力。人工智能应用机器学习算法分析海量农业大数据,实现病虫害智能识别、产量精准预测、农事操作自动化。AI助力农业决策更加科学高效。大数据赋能整合气象、遥感、物联网等多源数据,构建农业大数据平台。通过数据挖掘发现规律,优化资源配置,实现精准农业管理。智能农机装备无人驾驶拖拉机、植保无人机、智能收割机等新型农机装备提高作业效率和精度,减少人工依赖,降低生产成本。生物技术突破基因编辑育种CRISPR等基因编辑技术加速抗逆作物品种培育,精准改良作物性状,提高对极端气候的适应能力。新品种研发周期大幅缩短。绿色农业技术生物防治、有机肥料、绿色农药等环境友好型技术减少化学投入品使用,降低农业碳排放,促进农业绿色可持续发展。数字孪生农业利用物联网、大数据和仿真技术,在虚拟空间构建农田、作物的数字孪生模型。通