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农业气象学
农业气象学
研究农业生产与气象条件相互关系及其变化规律,趋利避害以求农业高产、优质、高效的科学。
农业生产不仅取决于农业生产对象和过程本身的特性,而且与气象条件这个最活跃的环境因素密切相关。
光、热、水、气等气象条件及其不同的组合,既为农业生产提供了基本的物质和能量,也构成了重要的外界条件,显著地影响着农业生物生长发育、产量形成和整个生产过程。
因而,农业气象学涉及农业科学和气象科学及它们的相关科学,是多学科交叉,互相渗透的边缘学科,属应用气象学中重要的分支。
1、影响农业生产的主要气象条件和农业气象学中的一些基本概念
A.太阳辐射
指太阳发射的电磁波辐射。
通过大气层到达地面的太阳辐射,可分为总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射几种。
太阳辐射与热量、水分条件的不同组合,形成不同的农业气候类型,影响到农业生物的地域分布、农业结构、农业生产布局和发展。
太阳辐射也是农业小气候形成的能量基础,光能和它的热效应直接影响动植物体的热量平衡及各种生理活动的进行,与农业生产关系十分密切。
1.太阳光谱
太阳辐射光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等几个波谱范围,如图所示。
在地球大气上界,太阳总辐射能量中,波长小于400纳米的紫外辐射约占9%,波长在400~760纳米的可见光区的辐射约占45.5%,波长超过760纳米的红外辐射约占44.5%。
太阳光谱中能量密度最大值出现在475纳米处。
对绿色植物光合作用而言,能被叶绿素吸收并参与光化学反应的太阳光谱成分称为光合有效辐射,波长范围在380~710纳米。
光合有效辐射对估算植物的生产潜力有重要意义。
2.感光性
植物发育速度对光照长度反应的特性。
植物的发育,尤其是开花,受昼夜光照与黑暗交替的影响,称为光周期现象。
不同植物按光周期的类型分为三类:
长日性植物,在一定发育时期,只有日照长度大于某一时数才能开花,如缩短日照长度,则可能延迟,甚至不开花;短日性植物情况相反;光期纯感植物,开花与否不受日照长短的影响。
又有人依植物对临界光长的敏感程度,将感光性分为很强、中等、很弱三类。
衡量植物感光性强弱,常用感光系数这种指标,它是指在其它条件基本相同时,作物的播种期每差一天,相应的生育期相差的天数,其值越大则感光性越强,如表所示。
3.光照阶段
前苏联Т.Д.李森科曾提出,植物对外界环境条件要求的改变形成一系列发育阶段的理论。
认为在光照阶段中,植物生长发育并不取决于光周期。
长日性植物仅能忍受一定程度的光照与黑暗的交替,最好是连续的光照;短日性植物则需要黑暗条件,仅能忍受一定长度的光照。
不同植物和品种通过光照阶段的时间及长短,是植物对外界环境条件长期适应的结果。
4.光合作用
绿色植物通过叶绿素利用光能将所吸收的二氧化碳和水合成有机物(碳水化合物)并放出氧气的过程。
用化学方程式表示
绿色植物单位叶面积在单位时间内同化二氧化碳的量称为光合强度,它主要受二氧化碳浓度、光照度、光质、水分和温度等外界条件的影响。
地球上每年光合作用的产量,以有机物中碳的吨数表示见表所示。
其中农作物年光合产量约占1/4。
5.光饱和点
在一定的光照强度范围内,光合强度随光照度增加而增大,当光照度增加到某一数值后,光合强度不再继续增大,此时的光照度值称为光饱和点。
6.光补偿点
植物光合强度和呼吸强度相等时的光照度值。
当光照度在光补偿点以上时,植物的光合强度大于呼吸强度,光合产生的有机物除呼吸作用消耗之外,还可以积累。
若光照度在光补偿点以下,情况相反,不但不能积累有机物,而且因呼吸作用强要消耗已贮存的有机物。
7.光合势
作物生长期持续日数与叶面积的乘积,单位为平方米·日。
从一个侧面反映作物产量形成的能力。
因为作物产量不仅取决于单位叶面积在单位时间内积累干物质的重量,即光合生产率,而且与进行光合作用的日数及叶面积大小有关。
8.光合生产潜力
在外界环境条件和作物群体结构、长势及农业技术措施都适宜的情况下,仅由作物光合效率决定的可能最高产量。
它实际上是作物产量的理论上限值,只取决于光合有效辐射的大小。
估算光合生产潜力的公式为
YP=Q·KQ·a·(1-C)·(1-r)·Φ(1-f)·1/(1-h)·1/(1-g)·1/H
其中Q为单位面积上总辐射(焦耳/平方米),KQ为光合有效辐射占总辐射的比率,a为扣除叶面反射d和漏射b后吸收辐射的比率,C为非光合器官的无效吸收率,r为光饱和限制率,Φ为光量子效率,f为呼吸消耗率,h为有机物中的水分含量比率,g为光合产物中无机物含量的比率,H为光合产物含热量(焦耳/克)。
当KQ=0.49,a=0.83Li/Lo,C=0.10,r≈0,Φ=0.224,f=0.30,h=0.14,g=0.08,H=1015时,Yp=0.7147×QLi/Lo(克/平方米)。
Li为第i时段的叶面积,Lo为总叶面积。
10.光能利用率
光合产物中固定的物化能与光合作用可利用的太阳辐射能的百分比。
其表达式为
η=(q·M/∑QPAR)×100%
q为作物各器官的含热量,即单位干物重燃烧产生的热量,是单位质量的有机物固定的物化能(焦耳/克),M为单位面积上作物的生物学产量(克/平方米),∑QPAR为生长期内单位面积的光合有效辐射能(焦耳/平方米)。
一般农田光能利用率平均只有0.40%;北京郊区亩产1000kg的地块,光能利用率达到4.0%;中国长江流域亩产1500kg的试验田,光能利用率为5.0%。
B.温度
表示物体冷暖程度的物理量。
与热量有关,是农业环境的重要因子之一。
对农业生产有影响的温度包括空气温度、土壤温度、水温和植物体温等。
温度对农业生产对象和过程的影响是通过温度本身强度、持续时间及其时空变化等实现的。
1.土壤温度
又称地温,它影响植物的生长、发育及土壤形成和土壤中的各种生物化学过程。
与农业生产的关系密切,体现在两方面:
直接影响作物种子的萌发和出苗、根系的生长、块茎的形成及有关的生理过程。
如作物种子必须在适宜的土壤温度范围内(耐寒的谷类作物为1~5℃;喜温作物8~10℃)才能萌发;作物根系一般在土壤温度2~4℃时开始生长,10℃以上生长活跃,35℃以上生长受阻,马铃薯在15~27℃土壤温度下块茎形成最适宜;土壤温度在20~30℃范围内,随温度升高可促进作物体内有机物质的输送,温度较低有利于有机物的积累。
另一方面,通过微生物的活动、有机质的转化及土壤物理性状等间接影响作物的生长发育。
2.水温
表征水田、渔塘等水体冷热程度的量。
水温的变化比气温和土壤温度要缓和得多。
由于水的热容量大,使其温度的升降均不甚剧烈。
水温的最高值和最低值出现时间均比气温和土温推迟,有明显的滞后现象。
水田作物的生长发育受水温的影响更为显著;在水产养殖方面,水温及其变化往往影响到水生动物的生长和产量,也是“泛塘”造成渔类死亡的重要因素。
3.植物体温
表征植物体各部分冷热程度的量,包括根、茎、叶、花、果的温度。
植物体温的变化与环境温度有密切的关系,一般落后于气温的变化。
其中叶温最为重要,变化也最明显。
在阳光照射下,叶温常高于气温3~5℃,有时甚至高10℃以上;阴天或蔽阴时,叶温与气温接近。
测定和研究植物体温在农业生产中有实际意义,尤其是对霜冻、高温逼熟危害的预报等有一定作用。
4.三基点温度
农作物生命活动中的最适温度、最低温度和最高温度的总称。
在最适温度下,作物生长发育迅速而良好;在最低和最高温度下,作物停止生长发育,但仍维持生命活动。
如温度再降低或升高,作物会受害或致死,于是还存在所谓的受害或致死的最低或最高温度。
通常维持作物生命的温度大致在─10℃到50℃之间,作物生长温度的范围在5℃到40℃之间,而满足作物发育要求的温度在20℃到30℃之间,它们与三基点的关系如图所示。
5.积温
某时段内逐日平均气温累积之和,单位为℃。
它是衡量作物生长发育对热量条件要求和评价热量资源的重要指标。
一般认为,作物发育速度主要受温度的影响,作物完成某一发育阶段所需的积温基本上是一定的。
根据这种积温学说,可以利用积温进行作物发育期的预报。
若将作物某生育时期内大于等于其生物学零度的日平均温度(活动温度)累加,称为活动积温;将作物某生育时期内日平均温度减去生物学零度的差值(有效温度)累加,称为有效积温。
对一定的发育阶段而言,其所需的有效积温的变化,比活动积温更为稳定。
为研究低温冻害等问题,有时也可把低于0℃的日平均温度累加,称为负积温。
6.感温性
作物生长、发育对温度条件的反应特性。
所有的作物都必须在一定的温度条件下才能正常地生长、发育,在不同的发育时期对温度的要求不同。
有时要求较低的温度,有时要求较高的温度,称为感低温特性和感高温特性。
起源于高纬或高原地区的作物多具有感低温的特性,在一定时间内,需经过低温刺激(春化阶段)后,才能正常生长发育;多数作物则需要有一定时期的高温条件,生育速度才能加快,水稻表现尤为显著。
在高温条件下明显缩短其抽穗日数的水稻品种称为感温性强,即对温度反应敏感的品种。
反之则为感温性弱,即对温度反应不敏感的品种。
7.温周期
作物生长、发育和产品质量要求昼夜温度变化具有周期性的现象称为温周期。
大陆性气候地区,温度日较差大,原产该地区的作物在温度日较差较大时生长较好;海洋性气候地区,温度日较差较小,原产该地区的作物在温度日较差小的情况下生长较好。
一般说来,温度日变化再配合其它条件比恒温条件更有利于作物的生育。
C.水
水分既是植物光合作用形成碳水化合物不可缺少的物质,也是构成植物体本身不可缺少的物质;它还象“血液”一样,是植物体内输送养分的载体;另一方面,又是农作物生长发育的重要环境因子。
水分对农业生产有重要的意义。
俗话说“有收无收在于水,收多收少在于肥”。
自然降水和土壤水分对农业的影响最为直接,是人们研究的重点。
1.有效降水
自然降水中补充到植物根层土壤里实际能被植物吸收利用的部分。
其表达式为
Re=R-V-Q-f
有效降水Re等于实际自然降水量R减去植物截留量V、地表径流量Q和深层渗漏量f。
比较有效降水与作物需水量,可以对降水资源作出恰当的农业意义的评价。
2.降水临界值
作物需水关键期内,能保证作物最小需水量和最大需水量的两个降水量界限值。
界于此两个降水临界值之间的降水量称为降水当量,如某地小麦抽穗前10~15天的关键期内,降水当量为30~90毫米,即在此时段内降水量少于30毫米或多于90毫米这两个降水临界值,小麦产量会显著减少。
对干旱或半干旱地区雨养农业来说,作物降水临界值的下限是很重要的一项指标。
3.土壤湿度
土壤含水量的一种相对度量。
一般以土壤中含水分的重量占干土重的百分数表示,也称土壤质量相对湿度;若以土壤中水分的容积占土壤总容积的百分数表示,又称土壤容积相对湿度;还有一种以土壤所含水分的重量占田间持水量的百分数表示的土壤相对湿度。
在中国北方旱作地区,常把土壤含水状况称为土壤墒情,按土壤含水的多寡和对作物供水的好坏分为黑墒、褐墒、黄墒、灰墒和干土5个等级。
30~50厘米以下土层的墒情又称为底墒,它与作物的生长发育和产量形成有很大的关系。
4.土壤农业水文特性
反映土壤中水分的保持和运动状态、湿润程度及可被植物吸收利用的程度和数量的一些特征值。
包括最大吸湿量、凋萎湿度、田间持水量、毛管持水量和饱和持水量等。
其中凋萎湿度是当土壤水分不足,植物出现萎蔫状态时的土壤湿度;田间持水量是在地下水较深的情况下,土壤中保持的毛管悬着水的最大量;毛管持水量是土壤中毛管上升水的最大量;饱和持水量则是土壤孔隙全部被水充满时的土壤含水量。
5.土壤有效水分
土壤中植物可以吸收利用的水分数量。
实际上是土壤水分中大于凋萎湿度的那一部分水分贮存量。
某一厚度h(厘米)土层的土壤有效水分贮存量S(毫米)的计算公式为
S=(W-Ww)×ρ×h×0.1
其中W为土壤质量湿度(%);Ww为以土壤质量湿度表示的凋萎湿度(%);ρ为土壤容重(克/立方厘米)。
6.土壤水分有效性
土壤水分能被植物吸收利用的程度。
植物从一定体积的土壤中能吸收利用的水量大小,与土壤质地、性质、实际含水量、根系的密度和吸水能力及外界气象条件等因素有关。
关于土壤水分有效性研究,概括起来有三种模式,如图所示。
一种情况是,在凋萎湿度以上,田间持水量以下范围内,土壤水分的有效性是相同的,植物吸收水分的功能并不受土壤湿度大的影响,即图中A线所示;第二种情况是,在田间持水量与凋萎湿度之间,土壤含水量存在着一个临界值K,从田间持水量到K,土壤水分有效性相同,而土壤含水量在K点以下,则土壤水分有效性逐渐减小,即图中B线所示;另一种情况是,土壤水分有效性随土壤含水量减少而减小,即图中C线所示。
7.蒸散
农田土壤蒸发和植物蒸腾的总称,有时也称农田总蒸发量或总耗水量。
它是农田水分平衡的重要组成部分。
蒸散主要受三方面因素制约:
①大气干燥程度、辐射条件及风力大小综合决定的蒸发势;
②土壤湿润程度和导水能力所决定的土壤供水状况;
③植被状况,包括植物水分输导组织、叶片气孔数量与大小以及群体结构对湍流交换系数的影响等。
蒸散量实际是蒸散势、土壤含水量和植被覆盖状况的函数。
8.彭曼公式
由英国H.L.彭曼提出的计算蒸发能力(水面蒸发)E0的半经验半理论公式
E0=(Δ(R/L)+γEa)/(Δ+γ)
其中Δ=(es-ea)/(Ts-Ta)为饱和水汽压对温度的导数,即在平均气温Ta时饱和水汽压曲线的斜率,只是温度的函数;R为辐射平衡,根据英国和瑞典的资料建立经验计算公式R=Ra(1─α)(0.18+0.55n/N)─σTa(0.56─0.092ed)(0.10+0.90n/N),Ra是天文辐射,α是蒸发面反射率,n/N是日照百分率,σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数,Ta是以绝对温度表示的气温;L为蒸发潜热;γ为干湿表常数,数值上等于CpPa/0.622L,Cp是定压比热,Pa为大气压;Ea为空气干燥力,它与空气饱和差和道尔顿蒸发风速函数有关。
彭曼公式对计算田间可能蒸发量,确定作物需水量和灌溉量有重要意义。
9.作物需水量
指在大田条件下,作物根系能得到充分的水分供应,于某一时段或全生育期内用于同化作用蒸腾过程和物理蒸发过程及土壤蒸发过程的水分总消耗量。
作物需水量就量的意义而言是相对的,而不是不变的量,它是由环境条件决定的。
耐旱作物之所以耐旱,并非因其需水量少,而是因其生理上对水分应力的抗性强。
如保证耐旱作物有充足的水分供应,其消耗的水量并一定低于某些不耐旱的作物。
作物需水量又可分为生理需水——直接用于生理活动的水分和生态需水——为作物创造适宜生态环境的用水两类。
生产过程中,作物的水分供应应从这两方面综合考虑。
10.农田土壤水分平衡
一定时期内,作物根层土壤得到与失去的水分差额。
水分平衡方程:
ΔW=(R+Ir+P)-(T+Es+r+D)
如图所示
ΔW为某时段终期与初期根层土壤含水量的差值;R为降水量;Ir为灌溉量;P为根层以下通过毛管上升到该土层的水量;T为作物蒸腾量;Es为土壤蒸发量;r为地面径流量;D为渗漏量。
农田土壤水分平衡对评估水分资源的优劣有重要意义,与农业生产密切相关。
D.空气
是各种物质的混合物,主要由包括氮、氧等气体构成的干洁气体、水汔和其它尘埃杂质组成。
是农业生产的重要环境条件,也是农业生产对象——农业生物赖以生存的因素和物质来源。
空气中最重要是二氧化碳和氧气。
二氧化碳是植物光合作用形成有机物的碳素来源,它的浓度对农作物生长发育,产量形成有直接影响。
作为一种温室气体,对气候变化也起着重要的作用,从而间接影响农业生产。
二氧化碳是动植物呼吸作用不可缺少的,可以说空气中含氧气是生命存在的条件。
尤其是影响到土壤中各种微生物的活动,水中含氧量也影响水产渔业等。
1.株间二氧化碳浓度
作物群体内二氧化碳浓度。
它影响作物生长和产量。
在二氧化碳浓度饱和点以下,多数作物光合作用随二氧化碳浓度增加而增加。
大气二氧化碳浓度增加到常量320ppm的3~5倍时,小麦、甜菜、水稻、蕃茄等作物的光合作用强度可提高2~3倍。
田间二氧化碳浓度达1000ppm时,大豆可增产570%。
因此,增加田间大气中二氧化碳浓度是提高作物产量和品质的一项措施。
通常,由于光合作用的消耗,株间二氧化碳浓度低于常量40~60ppm时,对作物十分不利。
水稻田二氧化碳浓度常比大气二氧化碳含量低10~20%,光合作用也相应下降10~20%。
2.二氧化碳饱和点
在光照强度充分满足情况下,作物光合作用强度不再随二氧化碳增加而增强时的二氧化碳浓度。
多数作物二氧化碳饱和点在800~1800ppm之间。
影响二氧化碳饱和点的因素有:
①作物种类。
C3作物二氧化碳饱和点高于C4作物。
C3作物在二氧化碳浓度达1500ppm时也不饱和,C4作物在二氧化碳浓度达1000ppm时即开始饱和。
②光照强度。
二氧化碳饱和点随光照强度变化而变化。
二氧化碳浓度和光照强度对光合作物的影响是互相制约的,如图所示。
当光照充足时,二氧化碳限制着光合作用强度;当二氧化碳浓度足够时,光照度又限制着光合作用强度。
3.二氧化碳补偿点
在光照强度充分满足的情况下,光合作用消耗的二氧化碳与呼吸作用释放的二氧化碳量达到平衡时,环境中的二氧化碳浓度。
作物处于二氧化碳补偿点时,光合强度为零,作物没有干物质积累。
二氧化碳补偿点的高低因作物种类、大气中氧气的浓度、光能和温度的不同而异。
二氧化碳补偿点低的作物,在较低的二氧化碳浓度下仍有光合产物积累,在正常的二氧化碳浓度中其光合效率相对较高。
因此,低二氧化碳补偿点往往可以作为作物光合效率高的一个指标。
4.碳循环
生物圈中的碳以有机碳和无机碳的形式不断生成、分解、转移、再生并相互转化的循环过程。
有两个相对独立的碳循环系统,一个是从二氧化碳到生命有机体,再到二氧化碳的碳素内循环,它与农业生产关系密切;另一个是从二氧化碳到生命有机体,转变为化石碳和碳酸盐,经开发燃烧或碳酸盐氧化后,再转变为二氧化碳,称碳素的外循环。
两种循环的周期相差很大,内循环以年、月、周计,而外循环以地质年代计算。
海洋与大陆之间的二氧化碳,是通过空气运动耦联在一起的。
绿色植物每年大约消耗大气中2.4E4亿吨二氧化碳的1/20~1/35,这意味着如没有二氧化碳返回到大气的循环过程,经过20~35年左右时间,大气中的二氧化碳将消耗殆尽,直接或间接靠光合作用生存的植物和动物将不能延续下去。
实际上碳循环维持了人类的生存和生物圈的生态平衡。
在自然条件下,生物圈的碳循环基本是平衡的,如图所示。
人类活动对碳循环影响显著,每年约有50~60亿吨的化石碳被燃烧,形成的二氧化碳约1/3留在大气中,2/3溶于海水中。
大气二氧化碳浓度增加已引起人们的普遍关注,它可能导致全球温度上升,气候异常从而对农业乃至国民经济产生重大影响。
5.空气污染
空气中某些物质的含量超过一定值后,危害动、植物,影响其生存的现象。
污染物主要来自自然界(如火山灰)和人类活动,其中工业、交通运输产生的废气是重要的污染源。
空气污染的种类很多,对农业生产威胁较大的约有10多种,如二氧化硫、氟化氢、氯气和光化学烟雾等。
风向、风速、降水、大气层结稳定状态及逆温层的存在等气象条件对空气污染的形成和严重程度有明显的作用。
E.农业气象要素
通常指与农业生产有关的气象要素,有时也包括农业生产本身的一些特征量。
实际上农业气象观测的所有项目及农业气象问题触及的参数,如发育期、种植密度、植株高度、产量甚至遥感得到的绿度值等都是农业气象要素。
常见的农业气象要素有:
光日照时数、辐射光谱、照度、光饱和点、光补偿点、温气温、地温、水温、农业生物体温(叶温、家蓄体温)水降水量、空气湿度、水面蒸发、土壤湿度、土壤蒸发、土壤有效水分储存量、农田耗水量、土壤水势、土壤农业水文特性参数、蒸腾量气风向、风速、二氧化碳浓度、二氧化碳饱和点和补偿点其它云天状况、雾、露、霜、冰冻、积雪。
F.农业气象条件
对农业生产有影响的天气气候条件的总称。
包括影响农业生产对象(植物和动物)生长、发育、产量和质量以及农业生产过程,如播种、栽插、中耕、施肥、灌溉、喷药、收获、运输、加工、贮藏等的气象条件。
农业气象条件既可由单一农业气象要素构成,也可是多个农业气象要素综合形成。
农业气象条件分有利和不利两种。
有利的农业气象条件导致农业丰收,不利的农业气象条件则使农业减产歉收。
同一种农业气象条件有利与否,因时、因地、因农业生产对象与过程不同而异。
研究农业气象条件形成的规律,采取相应的措施,对提高农业生产水平有重要意义。
G.农业气象指标
表征农业生产与气象条件之间关系的农业气象要素值。
表示农业生产对象和过程对气象条件的要求与反应,是衡量某种农业气象条件发生与否或利弊程度的数量尺度。
是农业气候分析与区划、农业小气候利用和控制的基本工具,也是引种、耕作制度改革及采用农业技术措施的科学依据之一。
农业气象指标的表达形式,有单因子、多因子和综合因子之分,其值常因地、因时、因作物或品种而异,且有一定的变化范围。
农业气象指标的确定方法很多,一般情况下要通过试验、观测,资料对比分析和统计检验,反复验证得到。
H.农业气象模式
概括表示农业生产与气象条件相互关系的数学表达式或文字逻辑图式。
对于农业与气象之间复杂的关系,研究过程中利用模式这种工具是十分必要的。
既可以进行一些简化处理,突出主要的矛盾和关键,又可以通过模式进行试验,尤其是数学模式更便于将复杂的问题定量化。
农业气象模式种类繁多,有描述作物生长、产量形成、生理生化过程的模式,有从系统科学的角度利用系统分析方法建立的土壤—植物—大气模式(简称SPAM),和常用的作物—天气模式等。
农业气象模式不仅用来进行理论研究,也可用于作物(或其它农业生产对象)生长发育过程的动态监测或产量、品质的预测。
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