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有关环境的几个定义
环境:
生物有机体生活空间的外界自然条件的总和。
自然环境:
大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈。
区域环境:
在地球表面不同区域,大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈的配合不同,形成了各不相同的地区环境特点、这种具有地区特点的环境即为区域环境。
生境:
植物个体、种群或群落所处的具体地段上,各种具体环境因子的综合。
小环境(微环境):
接触植物个体表面或个体表面不同部位的环境。
人工环境:
狭义指人工控制下的植物环境,广义指人工参与的植物环境(栽培植物:
引种驯化、人工林、草及自然保护区的环境)
3.1辐射与光合作用及作物生产
一、太阳辐射:
太阳以电磁波的形式放射出的能量。
1、太阳辐射光谱:
太阳辐射能随波长的分布曲线。
太阳辐射光谱从紫外光到无线电波。
99%的辐射能集中在150~4000nm波长之间。
因此,太阳辐射又称短波辐射。
可见光:
波长在400~760nm波长之间。
能被植物叶片吸收进行光合作用,故又成为光合有效辐射PAR(photosyntheticallyactiveradiation)PAR约占太阳总辐射的50%。
紫外光:
波长<
400nm,约占太阳辐射的7%
红外光:
波长>
760nm,约占太阳辐射的49%
近红外:
680-700nm。
红外光,加热,热效应
2、太阳常数(solarradiationconstant):
日地处于平均距离(=1.496×
108km)时,在大气上界垂直于光线的平面上的太阳辐射强度称为太阳常数(So),数值在1325~1475w/m²
之间变化,平均为1395w/m²
。
3、太阳辐射对作物的作用
(1)热效应(红外线内生)
(2)被叶绿素吸收进行光合作用(可见光)
(3)光形态建成:
阳生、阴生、耐阴植物/长日、短日、中间、中日植物
(4)诱发突变(紫外线)
(5)作物对辐射的吸收:
可见光部分蓝紫光、红橙光的吸收高峰,黄绿光的吸收低谷。
4、太阳辐射强度(solarradiationintensity):
单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能,也称为太阳辐射通量密度,单位为w/m²
[cal/(cm²
·
min)=697.8w/m²
]
5、光通量(illuminationflux),光通量密度(illuminationintensity),光量子通量(photoflux)——光通量是表征辐射通量而产生光感觉的量,单位为流明(lm)。
光通量密度:
单位面积上的光通量,也称照度,单位为lm/m²
或勒克斯(lx)。
1lx=1lm/m²
光量子通量:
单位时间通过单位面积的可见光波段(PAR)光量子量(μmol/(m²
s))
自然光:
1J=4.55μmol(PAR)
白炽灯光:
1J=5.02μmol(PAR)
水银灯光:
1J=4.79μmol(PAR)
6、辐射强度单位与强度单位的换算
晴天:
1w/m²
=103.7lx
阴天:
=108.34lx
二、作物的光合作用
1、影响光合作用的因素
内因:
(1)碳同化途径与作物类型:
影响光能利用率
(2)叶绿素含量:
在低光强下影响光能利用率
外因:
(1)太阳辐射
(2)CO2浓度
(3)温度
(4)水分
(5)其他因子:
风速、叶片含氮量、叶龄、病虫害及空气污染等。
温度只影响光能利用率高低,与光合作用无直接关系
在植物适宜生长温度之内,起决定作用的是
(1)、
(2)
2、有关光合作用的几个概念
(1)初始光能利用率(initiallightuseefficienly)ε:
光合作用光反应曲线的初始斜率。
相对作物种类来说是一个较为稳定的值。
ε=0.45kg·
CO2·
ha-1·
hr-1/(Jm-²
S-1)
(2)最大光合效率Pmax与作物种类有关,受温度影响:
C3:
Pmax=40(20~50)kg·
hr-1
C4:
Pmax=70(50~80)kg·
(3)暗呼吸(darkrespiration)Rd:
相对作物种类而言较为稳定
20℃时,Rd=2kg·
Rd=2Q10(T1-20)/10,Q10=2
(4)CO2补偿点(compensationpoint)
C3为80mgCO2m-3,C4为10mgCO2m-3补偿点↑,同CO2浓度,净光合速率↓
光环境曲线:
P=Pmax×
(1-exp(-εPAR/Pmax)
Pmax=f(CO2)
ε=f(CO2)
exp反指数
(5)总光合速率
单叶:
Pg=Pmax·
y,x=ε·
I/Pmax
Negativeexponentialfunctiony=1-exp(-x)
Rectangularhyperbolefunctiony=x/(1+x)
blackmailresponsey=min(x,l)
群体:
Pc=∫Pgd(LAI)=∫Pmaxyd(LAI),I=Ioe-KLAI
K为作物冠层消光系数(extinctioncoefficient)
LAI为冠层叶面积指数,Io为作物冠层上方的光合有效辐射强度
日总光合速率:
Pct=∫Pcd(t)
(6)净光合速率Pn=Pg-Rd
作物光能利用率=作物干物质燃烧放出的能量/作物生长期间光合有效辐射(或太阳辐射),总量作物干物质燃烧放出的能量=作物干物质生产量*作物干物质燃烧值
三、地表太阳辐射的时空变化与作物生产
1、太阳辐射的时空变化与光温生产力
(1)太阳辐射的时空变化
水平面上接到的太阳辐射强度Q由太阳常数(Qo)、大气透明度τa和太阳高度角(h)决定:
Q=Qoτasinh
sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω
h:
太阳光线和地表水平面间的夹角,变化在0~90°
之间
φ:
地球纬度,北半球为0~90°
,南半球为0~90°
δ:
太阳赤纬,变化在±
23.5°
之间,春分和秋分为0,夏至为23.5°
,冬至为-23.5°
ω:
时角,正午为0°
sinh=sinφsinδ+cosφcosδ=cos(φ-δ)=sin(90°
-φ+δ)h=90°
-φ+δ
日变化:
正午最强,早晚弱,呈单峰型曲线
年变化:
夏季>
冬季,南北回归线以外的地区,呈单峰曲线(夏至前后最大,冬至前后最小),南北回归线以内的地区,呈双峰型曲线(春、秋分最大,夏、冬至最小)随地理纬度的变化:
纬度增大,太阳辐射减小。
(2)光温生产力(potentialproduction):
作物生理状况处于最佳、水肥供应充足、无病虫草害时,只由光温条件所决定的作物生产力。
受作物遗传特性限制,又叫生理生产潜力。
2、日照长度、光周期与作物发育
(1)日照长度及其时空变化
季节变化:
夏半年(春分→秋分)日长>
夜长,夏至最长
冬半年(秋分→春分)日长<
夜长,冬至最短
随地理纬度的变化:
夏半年日长随纬度增大而增长,北极为极昼
冬半年日长随纬度增大而简短,北极为极夜
赤道地区,日长周年不变,昼夜平分
(2)日长与发育
长日作物在日长变得越来越长的季节开花,多为春花秋收。
短日作物在日长变得越来越短的季节开花,多为夏秋花秋收作物。
(3)光周期与作物引种(自习)
3、生长速率与作物生产
(1)生长速率(Δw/Δt):
单位时间内增加的干物重,受太阳辐射、温度和作物的种类影响(通过影响Pmax影响)
Δw/Δt=cνf((30/40)·
Pg)-0.15w
W为总生物量,cνf为干物转化系数,0.15w为作物维持呼吸消耗
(2)相对生长速率(Δw/Δt)/w:
单位时间内单位干物重的增加量
(3)作物生产:
生长期内生长速率的积分、受太阳辐射、温度和作物种类的影响,但作物的经济产量由干物分配特性决定,受肥水条件影响。
§
3.2温度条件和作物生产
一、作物叶表面热量平衡S
叶表面热量平衡:
叶表面以热量的形式收入与支出的能量之差。
收入项:
叶表面吸收的净辐射能:
Rn=(1-α)Q+Ln
Q为叶面接收的太阳总辐射
α为叶面对太阳辐射的反射率
Ln为叶面有效辐射(=叶面吸收的大气长波逆辐射Ea-叶面放出的长波辐射El),Ln=Ea-El
根据斯蒂芬——波尔兹曼定律有:
El=δσTl4,Ea=δσTa4
Tl为叶温(K),Ta为气温(K),δ=0.95为灰体系数
σ=5.668×
10-8Wm²
K-4为斯蒂芬——波尔兹曼常数
当(Ta-Tl)很小时,Ln=δσTa³
(Ta-Tl)
支出项:
1、叶表面与空气间的显热交换H:
H=ρCp(Tl-Ta)/ra,h
(1)
ρCp=1240Jm-3℃-1为空气的容积热容量
ra,h为空气边界层对热量的阻抗(s/m)=100×
(d/u)0.5,d为叶片的宽度(m),u为叶片高度处的风速(m/s)
2、叶表面与空气间的潜热交换LE:
LE=(ρCp/γ)[es(Tl)-ea]/(ra,v+rl,v)
(2)
γ=0.067kPa℃-1为温度计常数,ra,v=0.93rl,v为空气边界层对水汽的阻抗,rl,v为气孔对水汽的阻抗,es(Tl)和ea分别为当时叶温下的空气饱和水汽压差和当时气温下的实际水汽压差(kPa)
空气饱和水汽压斜率:
Δ=(es(Tl)-es(Ta))/(Tl-Ta)(3)
当(Tl-Ta)很小时,es(Tl)-ea=es(Tl)-es(Ta)+[es(Ta)-ea]=VPD+Δ(Tl-Ta)
则公式
(2)变为:
LE=(ρCp/γ)[VPD+Δ(Tl-Ta)]/(ra,v+rl,v)
作物叶表明热量平衡:
S=Rn-H-LE(4)
公式
(1)-(4)即为著名的Penman-MontecthEquations,当S>
0时,叶片升温;
当S<
0时,叶片降温;
当S=0时,叶片温度不变。
二、温度对作物生长的影响
1、
温度三基点:
作物生长发育的最高、最低和最适温度,不同作物的温度三基点不同,同一作物不同生育期的温度三基点也不同。
2、昼夜变温、温周期与作物生长发育和产品品质
温周期:
作物适应温度度日变化节律,在生长发育和产量形成过程中对昼夜温度交替有一定的要求。
这种现象称为温周期现象。
昼夜变温对作物生长发育和产品品质的影响:
1)昼夜温度均在生长适宜的上下限温度之间,昼夜温差越大,作物生长发育速率越快,收获果实和籽粒的产品品质越好。
2)昼温在生长适宜的上下限温度之间,夜温在生长适宜的下限温度与生长下限温度之间时,以白天温度对作物生长发育和产品品质的形成最为重要。
3)昼温在生长适宜的上限温度以上,夜温在生长适宜的上下限温度之间时,以夜间温度对作物生长发育和产品品质的形成最为重要。
4)昼温在生长适宜的上限温度以上,夜温在生长适宜的下限温度与生长下限温度之间时,作物生长发育速率减缓。
5)昼温在生长上限温度以上,作物受热害。
6)夜温在生长下限温度以下,作物受冷害。
7)昼温在生存上限温度以上或夜温在生存下限温度以下,作物死亡。
由于昼夜变温影响作物产品品质,因此,在作物品质生态区划中是合适也是必要采用的区划指标之一。
3、界限温度与可能生长季
1)界限温度:
标志某一作物生长或农事活动开始和终止的温度。
0℃时,土壤解冻,土地可以耕种的温度,故温度大于0℃的时期为农耕期。
5℃时,喜凉作物开始生长,故温度大于5℃的时期为喜凉作物生长期。
10℃时,喜温作物开始生长,故温度大于10℃的时期为喜温作物生长期。
15℃时,喜温作物活跃生长,故温度大于15℃的时期为喜温作物活跃生长期。
18℃时,热带作物开始生长,故温度大于18℃的时期为热带作物生长期。
2)可能生长季:
温度稳定地高于某一界限温度的持续时间。
可能生长季的开始日期的确定:
春季5日滑动平均气温高于某界限温度,且此后不再出现5日滑动平均气温低于此界限温度的日期即为可能生长季的开始日。
通常认为,连续5日平均气温高于某一界限温度时,这五天中的第一天即为该生长季的开始。
可能生长季的终止日期的确定:
秋季5日滑动平均气温低于某界限温度,且此后不再出现5日滑动平均气温高于此界限温度的日期即为可能生长季的终止日。
通常认为,连续5日平均气温低于某一界限温度时,这五天中的最后一天即为该生长季的结束。
4、积温与作物发育
1)积温:
某一时期日平均温度的总和。
2)活动积温:
某一时期内大于0℃的日平均温度的总和。
3)有效积温:
某一时期内大于生长下限温度(B)的日平均温度(Tday)与生长下限温度之差的总和。
Σ(Tday-B)
4)利用积温预测作物生育期的前提:
1作物发育速率与温度为线性关系
2完成某生育期所需的积温是相对温度不变的
3作物发育不受光周期影响
5)完成某生育期所需天数n的预测
如完成某生育期所需的有效积温为A,根据A=Σ(Tday-B)
可计算出完成该生育期所需的天数:
A=Σ(Tday-B)=ΣTday-nB
n=(ΣTday-A)/B
1/n即为发育速率,A和B可根据作物种类、品种特性和实验获得,Tday可通过气象观测和天气预报获得。
三、温度的时空变化对作物生长和分布的影响
1、温度的日变化:
最高温度Tmax出现在13:
00-14:
00之间,Tmin出现在日出前,温度在白天的变化曲线为正弦曲线,夜间为指数曲线。
白天(时间th在日出与日落之间):
12-d/2<
th<
12+d/2
Tday=Tmin+(Tmax-Tmin)sin(π(th-12+d/2)/(d+2p))
d为日长(hours),p为Tmax出现时间与正午时刻之间的小时数,一般p=1.5-2.0hours
夜间(时间th在日出与日落之间):
th>
12+d/2或th<
12-d/2
Tnight=[Tmax-Tssetexp(-(24-d)/Tc)+(Tsset-Tmin)exp(-(th-tsset)/Tc)]/(1-exp(-(24-d)/Tc))
Tsset和tsset分别为日落时的温度和时间,Tc为夜间温度变化的时间常数,一般取4hours,Tc干旱区<
湿润区
2、温度的年变化
年最热月在7月或8月(海洋性气候区),最冷月在1月或2月(海洋性气候区)。
年最高温度一般出现在7月底8月初,最低温度一般出现在1月底2月初,温度年变化为近似正弦曲线分布。
3、温度随高度的变化
海拔每升100m,气温平均下降0.65℃,反之,则升高0.65℃。
当空气为湿空气时,由于水汽的相变要释放或吸收潜热,每升高100m,气温平均下降0.5℃,反之,则升高0.5℃。
当空气为干空气时,每升高100m,气温平均下降1.0℃,反之,则升高1.0℃。
4、我国温度分布特征与作物的分布
冬季,我国温度较同纬度其他地区的气温低,等温线与纬度平行,南北温差大(1.5℃/纬度);
夏季,我国温度较同纬度其他地区的气温高,等温线与等高线和海岸线平行,南北温差小。
一月份0℃等温线在秦岭——淮河一线,是我国亚热带和暖温带的分界线;
4℃等温线在南岭一线,是我国南亚热带和被亚热带的分界线;
8℃等温线在云南西双版纳——广州汕头一线,是我国热带与亚热带的分界线;
-8℃等温线在长城一线,是我国暖温带和寒温带的分界线,也是冬小麦的种植北界。
3.3水分条件与作物生产
1、作物与水分的关系
1、水分在植物中的作用
1)是植物主要组成(非木本70%以上,木本50%)
2)是植物体内生化反应的介质
3)是植物营养的溶剂和传输媒体
4)维持植物固有几何形状
5)调节体温,气孔开度,从而影响光合和蒸腾作用
植物吸收的水中,95%用于蒸腾,5%用于上述前4个过程及细胞膨大与伸长
2、土壤-植物-大气系统水分传输
水的流动是由于不同地方的水势(Ψ)差(梯度)引起。
水流速度U的计算可以模仿Ohm定律:
U=(Ψ2-Ψ1)/r。
R为水流路径上所遇到的阻抗。
1)植物蒸腾(transpiration):
水分由气孔下腔以气态形式经由气孔蒸发到大气中去的现象。
其强度受气孔开度的控制。
气孔阻抗是水分由土壤经植物到大气中所遇到的最大阻力,而蒸腾是植物吸水的最大动力。
2)蒸散(evapotranspiration):
植物蒸腾与土表蒸发之和,受土壤水分,作物生理状态及覆盖度和气候条件的影响。
3)潜在蒸散(potentialevapotranspiration)PET:
指土壤水分供应充足,作物处于最佳生理状态时,封行作物田块的蒸散量。
其大小只取决于当地的气候条件(辐射能的多少和空气的干燥程度及风速)。
潜在蒸发蒸腾速率(PEV)的计算多采用Penman公式计算:
PET=(1/λ)(△/(△+γ))Rn+hu(es-ea)/(△+γ)
其中λ(=2.5*106J/kg)为水的汽化热,Rn为冠层加收的净辐射(Jm-2d-1),γ(=0.067kPa)为湿度计常数,es,ea分别为空气饱和水汽压和实际水汽压,△为饱和水汽压曲线在当时气温(Ta,℃)下的斜率(KPa℃-1),hu为风速的订正系数(kgH2Om-2d-1℃-1)
对封行冠层,hu=0.263(1+0.
对水面:
U2为2m高处风速(ms-1)
3、土壤水分平衡△S:
土壤收入与支出的水分之差
土壤水分收入:
降雨P,毛管上升水C,灌溉I
土壤水分支出:
地表径流R,作物截流Int,作物吸收即蒸腾耗水Tr,土壤蒸发SEv,和渗漏D。
则土壤水分平衡方程:
△S=P+I+C-Tr-Sev-R-Int-D
其中(Tr+Sev)即为实际蒸散量。
△S要平衡实际蒸散量/潜在蒸散量≤1
4、土壤含水量的表示方式
1)土壤容积含水量单位容积土壤所含水分的容积SMC(cm3/cm3)
2)土壤水势SMP(hPa)
3)PF值:
PF与SMC关系曲线称PF曲线。
PF=log|SWP|
4)田间持水量FWC:
毛管充满水时的土壤容积含水量。
此时PF=2。
对claysoil(粘土),SMC=0.45,对sandysoil(沙土),SMC=0.15
5)Permanentwiltingpoint(PWP)永久萎蔫点,此时PF=0.42.对claysoil(粘土),SMC=0.2,对sandysoil(沙土),SMC=0.05
6)土壤最大有效含水量MESWC=FWC-PWP.对claysoil(粘土),MESMC=0.45-0.2=0.25,即每1m粘土中最大有效含水量为250mm。
对sandysoil(沙土),MESMC=0.15-0.05=0.1。
5、作物需水量及影响因子
1)作物需水量(田间最大蒸散量)ETm:
水分供应充足时,在当地气候条件下旺盛生长的作物田的蒸散量。
ETm=Kc*PET。
Kc为作物需水系数,随生育期和作物种类不同而变化。
多数Kc=0.8~0.9
2)影响ETm的因子
太阳辐射:
ETm随太阳辐射增加而增大
空气湿度:
ETm随空气湿度增加而减小
风速:
ETm随风速增加而增大
作物生育期和覆盖度:
在生殖生长和营养生长并进期,ETm达最大。
ETm随作物覆盖度(LAI)增大而增大。
6.作物水分利用率EM或EY:
作物消耗单位水量生产的总干物质量。
单位:
KG/(hamm)。
EM=totalbiomass/totalwaterused
EY=harvestedyield/totalwaterused
EM,EY依作物种类,生育期不同而异。
C3<
C4。
C4作物水分利用率比C3高1倍左右。
作物实际需水量的估算方法:
1)目标产量法:
作物实际需水量=目标产量/EY
2)潜在蒸散法:
作物实际需水量=PET
灌溉量的计算:
灌溉量=作物实际需水量-降水量+渗漏量+径流量
7.缺水对作物生长和产量的影响
由于光合作用和蒸腾作用均与气孔开度有关,因此,可以认为,实际生产(Wact)和蒸腾(AET)水平与潜在生产(Wpot)和蒸腾(PET)水平满足一下根系:
EMpot=EMactor(△Wpot/△t)/PET=(△Wact/△t)/AET
则实际生长速率△Wact/△t=(AET/PET)(△Wact/△t)
AET/PET即为水分对生长速率的影响因子。
一般对某一特定作物EMpot为常数,AET可通过土壤水分平衡计算出来,则有:
△Wact/△t=EMpot*AET
2、降水量及其时空分布变化对作物分布的影响
3.4空气成分和风与作物生产
一、空气成分
空气中主要气体成分为:
N2(78%),O2(21%)、CO2(0
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