太阳辐射与农业生产

太阳辐射与农业生产 太阳辐射的光谱成分 光照度 光照时间以及植物利用太阳能的多少 影响着植物的生长发育 产量高低 以及植物 的地理分布 植物的光合作用使得所有的有机体与太阳辐射之间发生了最本质的联系 所以太阳辐射是植物生命活动的重 要因 一 太阳辐射光谱对植物的影响 一 不同光谱成分对植物的作用 到达地面的太阳辐射光谱对植物生长发育有着不同的生物学意义 1 波长大于 1 m的辐射 被植物吸收转为热能 不参与生化作用 2 波长 1 0 72 m辐射一对植物起伸长作用 其中 0 70 0 8 m 称远红光 对光周期及种子形成有重要作用 并控 制开花及果实着色 3 波长为 0 72 0 61 m的红 橙光被叶绿素强烈吸收 光合作用最强 表现为强光周期现象 4 波长为 0 61 0 51 m 的绿光 表现为低光合作用和植物的弱成形作用 5 波长为 0 51 0 4 m 的蓝 紫光 被叶绿素和黄色素强烈吸收 表现为次强光合作用和成形作用 6 波长为 0 4 0 32 m 主要起植物成形作用 如植物变矮 叶片变厚等 7 波长小于 0 32 m的紫外线对植物有害 波长小于 0 28 m的远紫外辐射可立即杀死植物 红光有利于碳水化合物的积累 蓝光有利 蛋白质和非碳水化合物的积累 紫外线对植物的形状 颜色和品质优劣起着重要 的作用 高山 高原紫外线含量较多 使植物茎叶短小 色泽较深 不难看出 不同的太阳辐射光谱对植物的光台作用 色素形成 向光性 形态变化的影响是有差异的 可以通过人工改变光谱 用来提高植物品贡和产量 据报道 用淡蓝色 塑料膜育水稻秧苗 可促进初期生长 秧苗粗壮 扦秧后分蘖多 最终增加产量 紫色薄膜对茄子有增产作用 二 光合有效辐射 太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射 Photosynthetically active radiation PAR 光合有效 辐射的波长范围与可见光接近 不同研究者取值范围略有差异 俄罗斯和东欧国家将 o 38 o 71 m波段的太阳辐射 作为光合有效辐射 也称为生理辐射 physiological radiation 严格来讲生理辐射的范围可比光合有效辐射略宽一些 美国和西欧国家则采用 0 40 0 70 m波段 从能量所占的比例来看 光合有效辐射占太阳直接辐射的 40 45 占散射辐射的 60 左右 这是大气对可见光散射比较多造成的 光合有效辐射是计算作物光合生产潜力的重要依据 对于确定光合作用和产量形成的辐射能利用系数 拟定最适作物群体 结构等方面具有重要意义 但目前光合有效辐射的观测资料极少 一般采用经验公式计算 苏联学者叶菲莫娃提出计算光 合有效辐射的经验公式 PAR O 0 43S 0 57D 1 26 式中 PAR 为到达地面的光合有效辐射日总量或月总量 s 和 D 分别为水平面上太阳直接辐射和散射辐射的日总量或月总 量 二 光照度与植物生长发育 光照度对植物的光合作用起着重要的作用 在一定的光照度范围内 光合作用随光照度的增加而增加 但超过一定的光 照度后 光合作用便保持一定的水平不再增加了 这种现象称为光饱和现象 这个光照度便是临界点 称光饱和点 light saturation point 在光饱和点以上的光照度对光合作用是无效的 光照度降低时 光合作用随之降低 当植物通过光合 作用制造的有机物与呼吸作用消耗掉的物质相平衡时的光照度称为光补偿点 light compensation point 在光补偿点以 下 植物的呼吸作用大于光合作用 消耗贮存的有机质 光饱和点与光补偿点随植物而异 根据植物对光照度的反应 可将其分为喜阳植物和喜阴植物 喜阳植物 尤其是荒漠植 物或高山植物 在中午直射光下也未达到光饱和 栽培作物多属于喜阳的 C 4 植物的光饱和点一般比 C3 植物高 对于水 稻 小麦等 C3 植物 光饱和点为 3 5 l0 4 lx C 4 植物如玉米和甘蔗 甚至在 10 l04 lx 也未能达到饱和 喜阴植物在 海平面全光照 1 10 或更低时即达光饱和 喜阴植物的光补偿点为几百勒克斯 而喜阳植物的可达 1000 lx 以上 作物群体的光饱和点和光补偿点均较单叶为高 如小麦单叶光饱和点为 2 3 l0 4 lx 而群体在 10 l04 lx 下尚未达到饱 和 这是因为当光强时 群体上层叶片已饱和 但下层叶片的光合强度仍随光强的增加而增强 群体的总光合强度还在上 升 同样 群体内叶片多 相互遮荫 当光照减弱 上层叶片达到光补偿点时 下层叶片光强低于光补偿点 所以光合作 用小于呼吸作用 所以整个群体的光补偿点较高 表 1 14 列出了几种作物的单叶光饱和点及补偿点 表 1 14 几种作物的单叶光饱和点及补偿点 项 目 作 物 水稻 小麦 棉花 烟草 玉米 光饱和点 103 lx 40 50 24 30 50 80 28 40 40 500 光补偿点 103 Ix 0 6 0 7 0 2 0 4 0 75 左右 0 5 1 0 近似 0 二 光照强度与作物发育 强光有利于作物生殖器官的发育 相对的弱光照有利于营养生长 因此 多云的天气条件 对以植物营养器官为收获对象 的作物有利 晴朗的天气条件 对以果实或籽粒为收获物的作物有利 遮光实验证明 在强光下 小麦可分化更多的小花 在弱光下 小花分化减少 强光还有利于黄瓜雌花增加 雄花减少 而弱光则使棉花营养体徒长 落铃严重 果树已形成 的花芽可能退化 开花期和幼果期遇到长期光照不足会导致果实发育停滞甚至落果 三 光照时间与植物生长发育 一 植物的光周期 光周期现象是植物生长发育对昼夜长短的不同反应 即白天光照和夜间黑暗的交替与它们的持续时间对植物开花有很大的 影响 称为光周期现象 根据光照长短与开花的关系可将作物分为三类 1 长日性植物只有在光照时间长于某一时数才能开花 如减少光照时数 就不开花结实 长日性植物大多为原产于高纬度 的植物 如小麦 大麦 燕麦 亚麻 油菜 菠菜 甜菜 洋葱 蒜 豌豆等 如果延长光照时间 就可使其提前开花 2 短日性植物只有光照长短小于某一时数才开花 如延长光照时数 就不开花结实 短日性植物大多为原产于低纬度的植 物 如水稻 大豆 高粱 谷子 棉花 甘薯等 如果缩短光照时间 就可使其提前开花 3 中间性植物这类植物开花不受光照时间长短的影响 在长短不同的任何光照下都能正常开花结实 如蒲公英 番茄 黄 瓜 四季豆等 植物分成长或短日性植物 需要有一个客观的光照时数标准 长日性植物要求光长不能短于这个界限长度 短日性植物不 能长于这个界限长度 将植物能够通过光周期而开花的最长或最短光照长度的临界值 称为临界光长 对于短日性植物是 指所需光照长度的上限 对于长日性植物是指所需光照长度的下限 一般认为 临界光长为每日 12 14 h 光照 实际上 不是任何植物都如此 有的短日性植物如苍耳 临界光长可达 16 h 而有的长日性植物如天仙子 临界光长仅 12 h 了解植物的光周期现象对植物的引种驯化工作非常重要 引种前必须注意植物开花对光周期的需要 在园艺工作中也常利 用光周期现象人为控制开花 以便满足观赏需要 二 光照时间与作物引种 在作物引种中考虑各地气象条件的依据主要是农业气候相似原理 所谓农业气候相似 agroclimatic resemblance 即作 物生长期内的气候条件相似 就是要求把作物引种到气候条件与原产地相似的地区或条件下栽培 比较容易成功 由于不 同纬度与季节的光照时间不同 原产于不同地区的作物与品种具有不同的光周期性与感光性 所以在不同地区间引种 要 注意引入作物品种对光照长度的要求是否与当地生长期的光照长度相适应 因此 作物引种时应注意以下几方面的问题 1 纬度相近的地区 因光照时间相近 引种成功的可能性大 2 对短日性植物而言 南方品种北引时 由于生长季内日照时间变长 将使作物生育期延迟 严重的甚至不能抽穗开花结 实 因此 宜引用较早熟的品种或感光性弱的品种 反之 北方品种南引时 由于日照时间变短 温度变高 使作物加速 发育 缩短生育期 如果生育期太短 过多地影响了营养体的生长 将降低作物产量 因此宜选用晚熟品种或感光性较弱的 品种 3 对长日性植物而言 北种南引 由于日照时间变短 将延迟发育和成熟 南种北引则反之 从实际情况看 长日性作物的引种比短日性作物遇到的困难少 因为如不考虑地势影响 我国一般南方比北方温度高 长 日性作物由北向南引 温度高使之加快发育 光照短使之延迟发育 光 温对发育速度的影响有 互相抵偿 的作用 南种 北引类似 反之 短日性作物的南北引种 光 温对发育速度的影响有 互相叠加 的作用 因而增加了南北引种的困难 四 光能利用率及其提高途径 一 光能利用率 E u 光能利用率是指单位土地面积上作物收获物中所贮存的能量与同期投射到该单位面积的太 阳辐射能或光合有效辐射之比 即 1 27 式中 E u 为光能利用率 H 为单位干物质燃烧时释放的能量 也称折能系数 表 1 15 一般采用 17 79 MJ kg 1 W 为测定期间单位土地面积上干物质的增量 Q 是同期的总辐射或光合有效辐射总量 严格来讲 用前者计算的应称太 阳能利用率 用后者计算的才叫光能利用率 表 1 15 几种农作物产品的折能系数 器官 折能系数 MJ kg 1 作 物 大麦 小麦 玉米 青饲玉 米 油菜 棉花 单季晚 稻 紫云英 籽 粒 16 7 16 9 19 3 25 9 22 4 17 7 19 6 茎 叶 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 光能利用率的理论计算值可达 6 8 实际生产中仅有 0 5 1 0 高产田的光能利用率仅能达到 2 0 左右 可 见通过提高光能利用率来增产是有很大潜力的 目前生产上光能利用率比较低的主要因素有 1 作物生长初期植株矮小 地面覆盖率低 太阳辐射大部分漏射到地面而损失 2 外界环境限制了作物光合能力的提高 农田中 CO2 供应不足 作物生长初期和后期温度低 水分供应亏缺和过剩 养 分供应不足等不利环境因子 可以限制光能利用 3 作物群体结构不合理导致群体内光分布不合理 限制了群体光合强度的提高 叶面积指数太大时 群体多数下层叶片得 不到足够光照 光合积累少 呼吸消耗多 叶面积指数太小时 使群体漏光严重 同时叶片上光强超过饱和点 光能被浪 费掉 单纯的光分布不合理可使上层叶片的光强超过饱和点而浪费 下层叶片的光强又严重不足 4 作物遗传特性限制光合能力 小麦 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 尤其在高温 强 光和干旱的条件下 这一特性表现得尤为明显 此外 直立叶型的矮秆品种 抗逆性强的品种的光能利用率比散叶性 抗 逆性弱的品种高 5 农业气象灾害和病虫等可导致作物减产而限制光能利用率 二 提高光能利用率的途径 提高光能利用率可以通过改善栽培措施和培育新品种来实现 1 充分利用生长季采取间作套种和轮作制度 合理安排茬口 改善农田群体结构 使田间作物保持有旺盛的群体 提高群 体的光能利用率 2 选育高效的作物品种选育光合作用强 呼吸消耗低 叶面积适当 株型和叶型合理的品种 3 采取合理的栽培技术措施在不倒伏和不妨碍通风透光的前提下 扩大群体的叶面积指数 并维持较长的功能期 使之有 利于作物光合产物的积累和运输 4 提高叶片的光合效率如抑制光呼吸作用 补施 CO2 肥料 人工调节光照时间等 均可增加光合能力 提高光合效率 5 加强田间管理 改善作物群体的生态环境包括水肥管理 及时除草 及时消灭病虫害 有效防御各种农业气象灾害等具 体措施 都可以增加产量 提高光能利用率