太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 太陽輻射的光譜成分 光照度 光照時(shí)間以及植物利用太陽能的多少 影響著植物的生長發(fā)育 產(chǎn)量高低 以及植物 的地理分布 植物的光合作用使得所有的有機(jī)體與太陽輻射之間發(fā)生了最本質(zhì)的聯(lián)系 所以太陽輻射是植物生命活動(dòng)的重 要因 一 太陽輻射光譜對(duì)植物的影響 一 不同光譜成分對(duì)植物的作用 到達(dá)地面的太陽輻射光譜對(duì)植物生長發(fā)育有著不同的生物學(xué)意義 1 波長大于 1 m的輻射 被植物吸收轉(zhuǎn)為熱能 不參與生化作用 2 波長 1 0 72 m輻射一對(duì)植物起伸長作用 其中 0 70 0 8 m 稱遠(yuǎn)紅光 對(duì)光周期及種子形成有重要作用 并控 制開花及果實(shí)著色 3 波長為 0 72 0 61 m的紅 橙光被葉綠素強(qiáng)烈吸收 光合作用最強(qiáng) 表現(xiàn)為強(qiáng)光周期現(xiàn)象 4 波長為 0 61 0 51 m 的綠光 表現(xiàn)為低光合作用和植物的弱成形作用 5 波長為 0 51 0 4 m 的藍(lán) 紫光 被葉綠素和黃色素強(qiáng)烈吸收 表現(xiàn)為次強(qiáng)光合作用和成形作用 6 波長為 0 4 0 32 m 主要起植物成形作用 如植物變矮 葉片變厚等 7 波長小于 0 32 m的紫外線對(duì)植物有害 波長小于 0 28 m的遠(yuǎn)紫外輻射可立即殺死植物 紅光有利于碳水化合物的積累 藍(lán)光有利 蛋白質(zhì)和非碳水化合物的積累 紫外線對(duì)植物的形狀 顏色和品質(zhì)優(yōu)劣起著重要 的作用 高山 高原紫外線含量較多 使植物莖葉短小 色澤較深 不難看出 不同的太陽輻射光譜對(duì)植物的光臺(tái)作用 色素形成 向光性 形態(tài)變化的影響是有差異的 可以通過人工改變光譜 用來提高植物品貢和產(chǎn)量 據(jù)報(bào)道 用淡藍(lán)色 塑料膜育水稻秧苗 可促進(jìn)初期生長 秧苗粗壯 扦秧后分蘗多 最終增加產(chǎn)量 紫色薄膜對(duì)茄子有增產(chǎn)作用 二 光合有效輻射 太陽輻射中對(duì)植物光合作用有效的光譜成分稱為光合有效輻射 Photosynthetically active radiation PAR 光合有效 輻射的波長范圍與可見光接近 不同研究者取值范圍略有差異 俄羅斯和東歐國家將 o 38 o 71 m波段的太陽輻射 作為光合有效輻射 也稱為生理輻射 physiological radiation 嚴(yán)格來講生理輻射的范圍可比光合有效輻射略寬一些 美國和西歐國家則采用 0 40 0 70 m波段 從能量所占的比例來看 光合有效輻射占太陽直接輻射的 40 45 占散射輻射的 60 左右 這是大氣對(duì)可見光散射比較多造成的 光合有效輻射是計(jì)算作物光合生產(chǎn)潛力的重要依據(jù) 對(duì)于確定光合作用和產(chǎn)量形成的輻射能利用系數(shù) 擬定最適作物群體 結(jié)構(gòu)等方面具有重要意義 但目前光合有效輻射的觀測資料極少 一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 蘇聯(lián)學(xué)者葉菲莫娃提出計(jì)算光 合有效輻射的經(jīng)驗(yàn)公式 PAR O 0 43S 0 57D 1 26 式中 PAR 為到達(dá)地面的光合有效輻射日總量或月總量 s 和 D 分別為水平面上太陽直接輻射和散射輻射的日總量或月總 量 二 光照度與植物生長發(fā)育 光照度對(duì)植物的光合作用起著重要的作用 在一定的光照度范圍內(nèi) 光合作用隨光照度的增加而增加 但超過一定的光 照度后 光合作用便保持一定的水平不再增加了 這種現(xiàn)象稱為光飽和現(xiàn)象 這個(gè)光照度便是臨界點(diǎn) 稱光飽和點(diǎn) light saturation point 在光飽和點(diǎn)以上的光照度對(duì)光合作用是無效的 光照度降低時(shí) 光合作用隨之降低 當(dāng)植物通過光合 作用制造的有機(jī)物與呼吸作用消耗掉的物質(zhì)相平衡時(shí)的光照度稱為光補(bǔ)償點(diǎn) light compensation point 在光補(bǔ)償點(diǎn)以 下 植物的呼吸作用大于光合作用 消耗貯存的有機(jī)質(zhì) 光飽和點(diǎn)與光補(bǔ)償點(diǎn)隨植物而異 根據(jù)植物對(duì)光照度的反應(yīng) 可將其分為喜陽植物和喜陰植物 喜陽植物 尤其是荒漠植 物或高山植物 在中午直射光下也未達(dá)到光飽和 栽培作物多屬于喜陽的 C 4 植物的光飽和點(diǎn)一般比 C3 植物高 對(duì)于水 稻 小麥等 C3 植物 光飽和點(diǎn)為 3 5 l0 4 lx C 4 植物如玉米和甘蔗 甚至在 10 l04 lx 也未能達(dá)到飽和 喜陰植物在 海平面全光照 1 10 或更低時(shí)即達(dá)光飽和 喜陰植物的光補(bǔ)償點(diǎn)為幾百勒克斯 而喜陽植物的可達(dá) 1000 lx 以上 作物群體的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)均較單葉為高 如小麥單葉光飽和點(diǎn)為 2 3 l0 4 lx 而群體在 10 l04 lx 下尚未達(dá)到飽 和 這是因?yàn)楫?dāng)光強(qiáng)時(shí) 群體上層葉片已飽和 但下層葉片的光合強(qiáng)度仍隨光強(qiáng)的增加而增強(qiáng) 群體的總光合強(qiáng)度還在上 升 同樣 群體內(nèi)葉片多 相互遮蔭 當(dāng)光照減弱 上層葉片達(dá)到光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí) 下層葉片光強(qiáng)低于光補(bǔ)償點(diǎn) 所以光合作 用小于呼吸作用 所以整個(gè)群體的光補(bǔ)償點(diǎn)較高 表 1 14 列出了幾種作物的單葉光飽和點(diǎn)及補(bǔ)償點(diǎn) 表 1 14 幾種作物的單葉光飽和點(diǎn)及補(bǔ)償點(diǎn) 項(xiàng) 目 作 物 水稻 小麥 棉花 煙草 玉米 光飽和點(diǎn) 103 lx 40 50 24 30 50 80 28 40 40 500 光補(bǔ)償點(diǎn) 103 Ix 0 6 0 7 0 2 0 4 0 75 左右 0 5 1 0 近似 0 二 光照強(qiáng)度與作物發(fā)育 強(qiáng)光有利于作物生殖器官的發(fā)育 相對(duì)的弱光照有利于營養(yǎng)生長 因此 多云的天氣條件 對(duì)以植物營養(yǎng)器官為收獲對(duì)象 的作物有利 晴朗的天氣條件 對(duì)以果實(shí)或籽粒為收獲物的作物有利 遮光實(shí)驗(yàn)證明 在強(qiáng)光下 小麥可分化更多的小花 在弱光下 小花分化減少 強(qiáng)光還有利于黃瓜雌花增加 雄花減少 而弱光則使棉花營養(yǎng)體徒長 落鈴嚴(yán)重 果樹已形成 的花芽可能退化 開花期和幼果期遇到長期光照不足會(huì)導(dǎo)致果實(shí)發(fā)育停滯甚至落果 三 光照時(shí)間與植物生長發(fā)育 一 植物的光周期 光周期現(xiàn)象是植物生長發(fā)育對(duì)晝夜長短的不同反應(yīng) 即白天光照和夜間黑暗的交替與它們的持續(xù)時(shí)間對(duì)植物開花有很大的 影響 稱為光周期現(xiàn)象 根據(jù)光照長短與開花的關(guān)系可將作物分為三類 1 長日性植物只有在光照時(shí)間長于某一時(shí)數(shù)才能開花 如減少光照時(shí)數(shù) 就不開花結(jié)實(shí) 長日性植物大多為原產(chǎn)于高緯度 的植物 如小麥 大麥 燕麥 亞麻 油菜 菠菜 甜菜 洋蔥 蒜 豌豆等 如果延長光照時(shí)間 就可使其提前開花 2 短日性植物只有光照長短小于某一時(shí)數(shù)才開花 如延長光照時(shí)數(shù) 就不開花結(jié)實(shí) 短日性植物大多為原產(chǎn)于低緯度的植 物 如水稻 大豆 高粱 谷子 棉花 甘薯等 如果縮短光照時(shí)間 就可使其提前開花 3 中間性植物這類植物開花不受光照時(shí)間長短的影響 在長短不同的任何光照下都能正常開花結(jié)實(shí) 如蒲公英 番茄 黃 瓜 四季豆等 植物分成長或短日性植物 需要有一個(gè)客觀的光照時(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn) 長日性植物要求光長不能短于這個(gè)界限長度 短日性植物不 能長于這個(gè)界限長度 將植物能夠通過光周期而開花的最長或最短光照長度的臨界值 稱為臨界光長 對(duì)于短日性植物是 指所需光照長度的上限 對(duì)于長日性植物是指所需光照長度的下限 一般認(rèn)為 臨界光長為每日 12 14 h 光照 實(shí)際上 不是任何植物都如此 有的短日性植物如蒼耳 臨界光長可達(dá) 16 h 而有的長日性植物如天仙子 臨界光長僅 12 h 了解植物的光周期現(xiàn)象對(duì)植物的引種馴化工作非常重要 引種前必須注意植物開花對(duì)光周期的需要 在園藝工作中也常利 用光周期現(xiàn)象人為控制開花 以便滿足觀賞需要 二 光照時(shí)間與作物引種 在作物引種中考慮各地氣象條件的依據(jù)主要是農(nóng)業(yè)氣候相似原理 所謂農(nóng)業(yè)氣候相似 agroclimatic resemblance 即作 物生長期內(nèi)的氣候條件相似 就是要求把作物引種到氣候條件與原產(chǎn)地相似的地區(qū)或條件下栽培 比較容易成功 由于不 同緯度與季節(jié)的光照時(shí)間不同 原產(chǎn)于不同地區(qū)的作物與品種具有不同的光周期性與感光性 所以在不同地區(qū)間引種 要 注意引入作物品種對(duì)光照長度的要求是否與當(dāng)?shù)厣L期的光照長度相適應(yīng) 因此 作物引種時(shí)應(yīng)注意以下幾方面的問題 1 緯度相近的地區(qū) 因光照時(shí)間相近 引種成功的可能性大 2 對(duì)短日性植物而言 南方品種北引時(shí) 由于生長季內(nèi)日照時(shí)間變長 將使作物生育期延遲 嚴(yán)重的甚至不能抽穗開花結(jié) 實(shí) 因此 宜引用較早熟的品種或感光性弱的品種 反之 北方品種南引時(shí) 由于日照時(shí)間變短 溫度變高 使作物加速 發(fā)育 縮短生育期 如果生育期太短 過多地影響了營養(yǎng)體的生長 將降低作物產(chǎn)量 因此宜選用晚熟品種或感光性較弱的 品種 3 對(duì)長日性植物而言 北種南引 由于日照時(shí)間變短 將延遲發(fā)育和成熟 南種北引則反之 從實(shí)際情況看 長日性作物的引種比短日性作物遇到的困難少 因?yàn)槿绮豢紤]地勢影響 我國一般南方比北方溫度高 長 日性作物由北向南引 溫度高使之加快發(fā)育 光照短使之延遲發(fā)育 光 溫對(duì)發(fā)育速度的影響有 互相抵償 的作用 南種 北引類似 反之 短日性作物的南北引種 光 溫對(duì)發(fā)育速度的影響有 互相疊加 的作用 因而增加了南北引種的困難 四 光能利用率及其提高途徑 一 光能利用率 E u 光能利用率是指單位土地面積上作物收獲物中所貯存的能量與同期投射到該單位面積的太 陽輻射能或光合有效輻射之比 即 1 27 式中 E u 為光能利用率 H 為單位干物質(zhì)燃燒時(shí)釋放的能量 也稱折能系數(shù) 表 1 15 一般采用 17 79 MJ kg 1 W 為測定期間單位土地面積上干物質(zhì)的增量 Q 是同期的總輻射或光合有效輻射總量 嚴(yán)格來講 用前者計(jì)算的應(yīng)稱太 陽能利用率 用后者計(jì)算的才叫光能利用率 表 1 15 幾種農(nóng)作物產(chǎn)品的折能系數(shù) 器官 折能系數(shù) MJ kg 1 作 物 大麥 小麥 玉米 青飼玉 米 油菜 棉花 單季晚 稻 紫云英 籽 粒 16 7 16 9 19 3 25 9 22 4 17 7 19 6 莖 葉 14 5 16 3 16 6 17 7 14 4 17 6 15 2 16 2 根 花 13 3 13 2 14 3 16 9 14 4 17 3 11 8 12 1 光能利用率的理論計(jì)算值可達(dá) 6 8 實(shí)際生產(chǎn)中僅有 0 5 1 0 高產(chǎn)田的光能利用率僅能達(dá)到 2 0 左右 可 見通過提高光能利用率來增產(chǎn)是有很大潛力的 目前生產(chǎn)上光能利用率比較低的主要因素有 1 作物生長初期植株矮小 地面覆蓋率低 太陽輻射大部分漏射到地面而損失 2 外界環(huán)境限制了作物光合能力的提高 農(nóng)田中 CO2 供應(yīng)不足 作物生長初期和后期溫度低 水分供應(yīng)虧缺和過剩 養(yǎng) 分供應(yīng)不足等不利環(huán)境因子 可以限制光能利用 3 作物群體結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致群體內(nèi)光分布不合理 限制了群體光合強(qiáng)度的提高 葉面積指數(shù)太大時(shí) 群體多數(shù)下層葉片得 不到足夠光照 光合積累少 呼吸消耗多 葉面積指數(shù)太小時(shí) 使群體漏光嚴(yán)重 同時(shí)葉片上光強(qiáng)超過飽和點(diǎn) 光能被浪 費(fèi)掉 單純的光分布不合理可使上層葉片的光強(qiáng)超過飽和點(diǎn)而浪費(fèi) 下層葉片的光強(qiáng)又嚴(yán)重不足 4 作物遺傳特性限制光合能力 小麥 水稻 大豆等 C3 作物的光合效率通常比玉米 高梁等 C4 作物低 尤其在高溫 強(qiáng) 光和干旱的條件下 這一特性表現(xiàn)得尤為明顯 此外 直立葉型的矮稈品種 抗逆性強(qiáng)的品種的光能利用率比散葉性 抗 逆性弱的品種高 5 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害和病蟲等可導(dǎo)致作物減產(chǎn)而限制光能利用率 二 提高光能利用率的途徑 提高光能利用率可以通過改善栽培措施和培育新品種來實(shí)現(xiàn) 1 充分利用生長季采取間作套種和輪作制度 合理安排茬口 改善農(nóng)田群體結(jié)構(gòu) 使田間作物保持有旺盛的群體 提高群 體的光能利用率 2 選育高效的作物品種選育光合作用強(qiáng) 呼吸消耗低 葉面積適當(dāng) 株型和葉型合理的品種 3 采取合理的栽培技術(shù)措施在不倒伏和不妨礙通風(fēng)透光的前提下 擴(kuò)大群體的葉面積指數(shù) 并維持較長的功能期 使之有 利于作物光合產(chǎn)物的積累和運(yùn)輸 4 提高葉片的光合效率如抑制光呼吸作用 補(bǔ)施 CO2 肥料 人工調(diào)節(jié)光照時(shí)間等 均可增加光合能力 提高光合效率 5 加強(qiáng)田間管理 改善作物群體的生態(tài)環(huán)境包括水肥管理 及時(shí)除草 及時(shí)消滅病蟲害 有效防御各種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等具 體措施 都可以增加產(chǎn)量 提高光能利用率