光與作物生產(chǎn)

光與作物生產(chǎn)第1頁/共33頁

生物環(huán)境：植被、昆蟲、病害、雜草等農(nóng)業(yè)的自然環(huán)境

非生物環(huán)境：光照、溫度、水分、大氣、土壤及營養(yǎng)條件等

作物生產(chǎn)環(huán)境

包括土壤、肥料、氣象條件、栽培、植物生理以及各種環(huán)境因子。第2頁/共33頁第一章光與作物生產(chǎn)本章教學(xué)結(jié)構(gòu)教學(xué)要點教學(xué)目標(biāo)教學(xué)內(nèi)容實驗實習(xí)復(fù)習(xí)思考參考資料

第3頁/共33頁教學(xué)要點作物生產(chǎn)的光照環(huán)境太陽輻射、地面輻射、大氣輻射、光合有效輻射。光照與作物的生長發(fā)育光照時間與作物的生長發(fā)育、光照強度與作物生長發(fā)育、光譜成分與作物的生長發(fā)育。提高作物光能利用率的途徑作物對光的利用、影響作物光能利用率及作物產(chǎn)量的因素、提高光能利用率的途徑。第4頁/共33頁教學(xué)目標(biāo)

通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解作物生產(chǎn)的光照環(huán)境及其變化規(guī)律，理解光照強度、光周期、光質(zhì)等光環(huán)境因素對作物生長發(fā)育及作物產(chǎn)量的構(gòu)成因素的影響，掌握提高光合效率的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，學(xué)會光照強的觀測技術(shù)。第5頁/共33頁第一節(jié)作物生產(chǎn)的光照環(huán)境太陽輻射

太陽輻射光譜

太陽輻照度

太陽照射時間的長短太陽輻射在大氣中的減弱

吸收作用散射作用反射作用到達(dá)地面的太陽輻射、地面輻射平衡

到達(dá)地面太陽輻射能量變化到達(dá)地面太陽輻射光譜成分變化地面輻射和大氣輻射

地面輻射大氣輻射地面有效輻射地面輻射平衡

第6頁/共33頁太陽輻射

太陽是一個巨大、熾熱、自行發(fā)光發(fā)熱的星球，內(nèi)部溫度高達(dá)1.5×107k，表面溫度可達(dá)6000k。太陽以電磁波的形式向外放射出巨大的能量，其輻射過程稱為太陽輻射，放射出來的能量稱為太陽輻射能。第7頁/共33頁太陽輻射光譜：太陽輻射能隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。不同波長的光量子所持的能量不同。到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射光譜可劃分為：

紫外光波段：<390nm；可見光波段：390～760nm；紅外光波段：〉760nm；（近紅外光760～2500nm；遠(yuǎn)紅外光25～100μm）

波長單位：（nm或μm,1μm=10-6m,1nm=10-9m）分布范圍：太陽0.15-4μm（短波）地氣3-120μm（長波）不同波長的光量子所持的能量

λ（nm）顏色E（kJ/mol）<400

紫外297400～425

紫289

425～490

藍(lán)25990～560綠222

560～580黃209580～640橙197640～740

紅721第8頁/共33頁

太陽輻射光譜分區(qū)

390430470

500

560

600650760nm

紫藍(lán)青綠黃橙紅

10

390

760100000nm紫外光可見光紅外光第9頁/共33頁太陽輻射光譜分區(qū)太陽輻照度

太陽在單位時間內(nèi)通過或到達(dá)某一表面的輻射能稱為太陽輻射通量，單位是焦每秒（J/s）或瓦（W）。單位面積上的太陽輻射通量稱為太陽輻射通量密度（或太陽輻射度、太陽輻照度），單位是瓦每平方米（W/m2）。光照強度

也稱光照度或照度光照強度表示物體被照明的程度，指可見光在單位面積上的光通量，國際單位制中光照強度的單位是勒克斯（lx）。大氣上界的太陽光照強度可達(dá)1.35×105lx(光照常數(shù))。

10

390

760100000nm紫外光可見光紅外光圖3-4太陽光的連續(xù)光譜

390430470

500

560

600650760nm

紫藍(lán)青綠黃橙紅第10頁/共33頁太陽輻照度

太陽輻照度：單位面積上的太陽輻射通量稱為太陽輻照度。單位（W/m2）。（單位時間內(nèi)通過某一表面的輻射能稱為太陽輻射通量，單位是：J/s）。太陽常數(shù):

在大氣上界垂直于太陽光方向測得的太陽輻照度稱為太陽輻射常數(shù)，約為1367+-7W/m2。光照度：光照強度表示物體被照明的程度，指可見光在單位面積上的光通量，單位是勒克斯（lx）。光照常數(shù)：指大氣上界的太陽光照度，可達(dá)1.35×105lx。光照強度取決于人眼對可見光的平均感覺，所以光照強度與輻射強度是兩個不同的概念。一般來說，夏季晴天中午地面的光照強度約為1.0×105lx，陰天或背陰處光照強度為1.0×104～2.0×104lx。

第11頁/共33頁太陽高度角

太陽高度角是指太陽光線與水平面之間的夾角。

1)太陽輻照度和太陽高度角的關(guān)系到達(dá)地面的太陽輻照度和太陽高度角的正弦值成正比.

2)太陽高度角的變化一天和一年之中，太陽高度角發(fā)生規(guī)律性的變化，使地球的光熱條件也發(fā)生周期性變化。時間變化:一天中正午太陽高度角最大,近日出太陽高度角最小。一年中春分、秋分時太陽直射赤道，赤道上的太陽高度角最大，為90°，向北、向南太陽高度角逐漸變??；北半球夏至日最大,冬至日最小.

空間變化：正午的太陽高度角隨緯度增加而減小。春分、秋分太陽高度角隨著緯度的變化一天中正午的太陽高度角hθ=90°-Φ+δ哈爾濱市正午的太陽高度角：

6.21hθ=90-45°41′+23°27′=67°46′

3.21和9.23hθ=90-45°41′=44°19′

12.2390-45°41′-23°27′=20°52′第12頁/共33頁太陽輻射時間的長短晝夜長短與緯度和季節(jié)的關(guān)系

冬至日北半球黑夜長于白晝，且隨緯度的增高，白晝越短，黑夜越長，北極圈內(nèi)有夜無晝，稱為極夜現(xiàn)象；夏至日，北半球白晝長于黑夜，且隨緯度的增高，白晝越長，黑夜越短，北極圈內(nèi)有晝無夜，稱為極晝現(xiàn)象。在春分和秋分日，太陽直射赤道，全球各地晝長等于夜長。北半球春分日日長為12h，春分日后，日長逐漸增長，大于12h，到夏至日達(dá)到最長，然后日長漸短，至秋分日又減少到12h，日夜等長。秋分過后，日長漸短，到冬至日達(dá)到最短。太陽輻射時間長短的表示方法

1）日照百分率實照時數(shù)：可照時數(shù)：例哈爾濱9.6.13.01h3.1711.87h日照百分率=實照時數(shù)/可照時數(shù)*100%全省55-70%

2）光照時間在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中把包括曙暮光在內(nèi)的晝長時間叫光照時間。即：光照時間=可照時間+曙暮光時間第13頁/共33頁太陽輻射在大氣中的減弱吸收作用

O2、O3：紫外線0.2~0.32μm云霧：紅外線減弱14%減弱6%H2O：紅外線0.73~3μmCO2：紅外線4.3μm雜質(zhì)：各類波長光譜散射作用晴朗的天空為什么是藍(lán)色的？陰天為什么是灰白色的？提問分析減弱10%1．分子散射（直徑<入射波長）2．粗粒散射（直徑>入射波長）反射作用減弱27%第14頁/共33頁到達(dá)地面的太陽輻射

到達(dá)地面太陽輻射能量變化太陽輻射穿過大氣時，因為被吸收、散射及反射而減弱，因此，到達(dá)地面的太陽輻照度總是小于太陽輻射常數(shù)。其強弱主要決定于太陽高度角（hθ）和大氣透明度（P）。太陽高度角時空變化如何？

1．太陽直接輻射（S′）

隨hθ增大，S′增強；隨P增大，S′增強。反之S′減弱。另外，海拔高度越高，太陽直接輻射越強；反之則越弱。地球緯度的增高太陽直接輻射減弱。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可利用調(diào)節(jié)太陽高度角，提高對太陽輻能的吸收利用。例：大棚、溫室建造。2．散射輻射（D）

散射輻射指地面上獲得的來自整個天空大氣散射出來的太陽輻射能。散射輻射強弱也受太陽高度角和空氣透明度等因素的影響。隨hθ增大D也增強；hθ不變時，隨P增大，D減小。第15頁/共33頁3．太陽總輻射（Q）

太陽總輻射是指經(jīng)過地球大氣層的吸收、散射、反射輻射后到達(dá)地面的太陽輻射。太陽總輻射由太陽直接輻射和太陽漫輻射兩部分組成：Q=S′+D總輻射的強弱也取決于太陽高度角、大氣透明度等因素。還與日照時數(shù)有關(guān)。晴天，總輻射的增減主要由太陽高度角決定。總輻射的日、年變化與太陽高度角的變化同步，即中午前后、夏季月份太陽總輻射量大，早晚、冬季月份太陽總輻射量小，夜間太陽總輻射為零。我國部分地區(qū)的太陽輻射年總量（J/cm2）

地區(qū)哈爾濱北京杭州南昌廣州昆明拉薩太陽輻射年總量467941565008435716495118454816522332791003第16頁/共33頁到達(dá)地面太陽輻射光譜成分變化空間變化：

太陽直接輻射光譜隨太陽高度角降低（緯度增高）長波成分增加，反之減少。例：hθ=5°時紫外線為0；可見光占30%；其余以紅外線為主。海拔高度增加直接輻射中長、短波成分均增加。大氣層時間變化：

一年中夏季短波成分多，冬季長波成分多。一天中正午短波成分多，早晚長波成分多。第17頁/共33頁地面輻射和大氣輻射

地面、大氣輻射波長：3-120μm地面輻射地面輻射E1：地面輻射是低層大氣的主要熱源。波長：3-80μm大氣輻射

大氣輻射：波長：7-120μm大氣逆輻射E2：大氣輻射投向地面部分稱為大氣逆輻射。溫室效應(yīng)：大氣能透過短波輻射，吸收地面長波輻射使其不易逸出大氣并以逆輻射形式返回地面部分能量，對地面有保溫作用。稱為溫室效應(yīng)。E1E2大氣層第18頁/共33頁地面有效輻射1.地面有效輻射E0地面輻射減去大氣逆輻射，稱為地面有效輻射。晴天E0=1.029w/m2在冬季或夜間，地面收入的輻射能小于支出的輻射能（E0>0），使地面降溫，嚴(yán)重時對植物造成冷害甚至凍害。農(nóng)林生產(chǎn)中的地面覆蓋、溫室大棚等設(shè)施，都可以減少地面有效輻射，使地面及其一定空間內(nèi)的空氣溫度保持相對穩(wěn)定，有利于植物的正常生長或安全越冬。逆溫時E0<0。2.影響地面有效輻射的因子

1）天氣狀況：云霧多、濕度大E0小。夜晚的陰天和晴天哪個溫度低？為什么？

2）地表狀況：E0干土>濕土；粗糙>光滑；有覆蓋<無覆蓋。

3）海拔高度：海拔高E0大。

4）地氣溫差：地>氣E0>0；地<氣E0<0。第19頁/共33頁地面輻射平衡1.地面輻射平衡R=（S′+D）（1-r）-E。輻射平衡收入(總輻射)支出(有效輻射)地面反射輻射與到達(dá)地面的太陽總輻射的百分比稱為地面反輻射率（r），（1-r）則為地面吸收率。所以，地面吸收的太陽總輻射能（Q′）為：Q′=（S′+D）（1-r）。地表性質(zhì)對太陽輻射的反射率影響很大。一般顏色越深、土壤濕度越大、表面越粗糙的地表，反射率越?。惶柛叨冉窃酱?，反射率越小。植物對太陽輻射具有選擇反射能力，對可見光的反射能力較小（約7%），對近紅外部分的太陽輻射反射率較大（約50%）。對于地球表面的植被或農(nóng)林植物來說，由于枝葉密度、葉色、高度及含水量的不斷變化，對太陽輻射的反射率也有差異。因此R是形成中氣候的重要因子,改變?nèi)魏我豁椌蜁淖兊孛孑椛錉顩r,從而人工調(diào)節(jié)小氣候。例如:鏟地松土可減小地面對太陽輻射的反射率使R增大,白天增溫;灌水土色變深反射率減小,有效輻射也減小,另外,在高溫季節(jié)可向壟上撒白色的高嶺土增大反射率降溫.2.地面輻射平衡的變化一天中白天R>0正午最大;夜間R<0正負(fù)轉(zhuǎn)換時間在日出和日落。一年中夏季R>0,冬季R<0正負(fù)轉(zhuǎn)換時間因緯度而異,我國39N以南R為正值,以北為負(fù)值月份較多.第20頁/共33頁光與作物生產(chǎn)太陽輻射光譜與植物生長發(fā)育紫外線與植物生長發(fā)育

1.抑制植物生長促進(jìn)植物干物質(zhì)積累，加速繁殖器官的形成。例1高山植物之所以相對矮?。换ɑ苌珴甚r艷。例2溫室、塑料大棚內(nèi)的植物比較細(xì)長。例3白熾燈光下栽培植物，生長的比較細(xì)長。紫外線隨太陽高度角和海拔高度如何變化？2.對土壤和種子有殺菌消毒作用3.對植物有刺激作用，促進(jìn)種皮透性，提高種子萌發(fā)能力。例：農(nóng)民在播前曬種、果樹上山曬苗。4.促進(jìn)植物果實成熟；提高果實含糖量，提高蛋白質(zhì)和維生素含量，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)。例1向陽的果子，色澤紅潤，口味香甜；例2玻璃溫室中栽培的黃瓜和番茄果實維C含量低于露地栽培第21頁/共33頁可見光與植物生長發(fā)育光合有效輻射：能被葉綠素吸收并參與光合作用的太陽輻射光譜。植物主要吸收紅橙光和藍(lán)紫光，表現(xiàn)出較強的光合作用。

1）藍(lán)紫光使植物合成較多的蛋白質(zhì)，紅橙光下則形成較多的淀粉。例高山茶，纖維素含量較少，茶素和蛋白質(zhì)含量高，為優(yōu)質(zhì)名茶。

2）藍(lán)紫光對植物生長有一定的抑制作用，影響植物向光運動。例：波斯菊、向日葵、麥桿菊的向光運動。（生長素濃度差異引起）

3）黑光燈或螢光燈發(fā)出的短波光（0.33-0.44μm），可誘殺害蟲。紅外線與植物生長發(fā)育不能被葉綠素吸收參與生化作用，只提供熱量。第22頁/共33頁光照度與植物的生長發(fā)育光照度影響植物光合作用當(dāng)CO2、H2O條件充足時，在一定溫度和光照度范圍內(nèi)，光合強度（CO2μmol/dm2.h）隨光照度增加而增加，制造的有機(jī)物隨之增多，相反光照度減弱，光合強度也減弱。制造的有機(jī)物隨之減少。光照度范圍指：光飽和點～光補償點；幾種植物的光飽和點和光補償點小麥棉花水稻光飽和點（lx）24000～3000050000～8000040000～50000光補償點（lx）200～400約750600～700植物光照生態(tài)類型有：喜陽植物：光補償點（500lx～1000lx）、飽和點較高（2.5lx～6萬lxC4植物的高達(dá)10萬lx）。例：如蒲公英、西瓜及許多農(nóng)作物。耐陰植物：光補償點(<500lx)、飽和點較低(<1萬lx)，例：蕨類植物；萵苣、菠菜、茼蒿、生姜、韭菜等。第23頁/共33頁光照度影響植物的生長發(fā)育

1）強光下使苗木莖粗、低矮、節(jié)間縮短，促進(jìn)根系生長。

2）光照度不同會使園林樹木產(chǎn)生偏冠現(xiàn)象。

3）適當(dāng)?shù)娜豕庥欣谥参锏臓I養(yǎng)生長，而較強的光照有利于植物繁殖器官的發(fā)育。例1：光充足有利于植物花芽分化和開花結(jié)果，光弱則落花落果。例2：強光下黃瓜雌花增多，雄花減少，小麥小花也多。光照度影響植物產(chǎn)品品質(zhì)

1．光照度影響葉色

2．光照度影響果實著色例：蘋果在太陽直射光下才能著色良好。

3．光照度影響產(chǎn)品的營養(yǎng)成分例：強光可增加瓜果的含糖量；禾本科、豆科植物蛋白質(zhì)也增加；弱光減少甜菜根含糖量和馬鈴薯塊莖中淀粉含量。第24頁/共33頁光照時間與植物的生長發(fā)育植物對光周期的反應(yīng)類型植物對晝夜長短的反應(yīng)，統(tǒng)稱為光周期現(xiàn)象。光周期現(xiàn)象影響著植物的開花結(jié)實、落葉、休眠以及地下塊根塊莖等貯藏器官的形成。起源于不同緯度地區(qū)的植物，成花對光周期有不同的要求或反應(yīng)，故將植物分為長日照植物、短日照植物和日中性植物三種類型。1．長日照植物長日照植物要求日照時間長于一定的臨界值（>12～14）才能開花。日長越長，越促進(jìn)或提早長日照植物開花；縮短日照時間，則會延遲甚至抑制長日照植物開花。例：麥類、豌豆、亞麻、油菜、甜菜、葫蘿卜、洋蔥、蒜、菠菜、甘藍(lán)、月見草、唐菖蒲。原產(chǎn)于高緯度。幾種長日照植物的臨界日長

植物種類冬小麥菠菜甜菜白芥菜天仙子臨界日長（h）121313～141411.5第25頁/共33頁2．短日照植物

短日照植物要求日照時間短于一定的臨界值（<12～14）才能開花。日長越短，越促進(jìn)或提早短日照植物開花；延長日照時間，則會延遲或抑制短日照植物開花。例：菊花、君子蘭、一品紅、報春花、大豆、玉米、高梁、豇豆、茼蒿。原產(chǎn)于低緯度。幾種短日照植物的臨界日長3．中性日照植物

中性日照植物的成花對日照時間長短要求不嚴(yán)格，只要其它條件適宜，在自然光周期條件下都能開花。例：茄子、黃瓜、四季豆、西紅柿、月季、美人蕉、大麗花、香石竹、仙客來。植物美洲煙草草莓菊花蒼耳早大豆晚大豆臨界日長1410.5～11.51615.51713～14第26頁/共33頁光周期理論在農(nóng)生產(chǎn)中的應(yīng)用

1.光照時間與植物引種（1）緯度相近或同緯度地區(qū)之間引種容易成功。（2）短日照植物北種南引，生育期縮短，應(yīng)引晚熟品種，南種北引則相反。（3）長日照植物北種南引生育期延遲，應(yīng)引早熟品種，南種北引則相反。長日照植物有“溫抵償現(xiàn)象?！倍倘照罩参镉小肮鉁丿B加現(xiàn)象?！?.調(diào)節(jié)植物開花時間

例1遮光可提早短日照花卉開花、延遲長日照花卉開花。菊花。

例2加人造光源延長日照時數(shù)或夜間閃光可提早長日照花卉開花、延遲短日照花卉開花。例3在育種工作中有時遇到雌雄親本花期不遇的問題，無法雜交。通過暗期閃光、人工延長光照時間或適當(dāng)遮光等技術(shù)措施調(diào)控光周期，使雌雄親本同時開花，以便順利雜交，培育新品種。3.改變植物休眠與促進(jìn)植物生長長日照條件能促進(jìn)多年生植物的萌動生長，短日照條件則引起植物落葉及休眠。例1路燈旁的行道樹，因為燈光延長了日照時數(shù)，使園林樹木春季萌動、展葉早，落葉較晚，進(jìn)入休眠晚，生長期長。例2秋季短日照條件下，很多植物因為葉片感受短日照刺激，產(chǎn)生脫落酸，從而促進(jìn)落葉及休眠。第27頁/共33頁提高植物光能利用率的途徑植物光能的利用率：植物光合產(chǎn)物中貯存的能量占其所得到能量的百分率，稱為植物的光能利用率。

一般為0.5%～1%，低產(chǎn)田只有0.1%～0.2%，豐產(chǎn)田也3%左右。合理密植合理密植是提高植物產(chǎn)量的重要措施之一。選育光能利用率高的品種在植物品種的選育過程中，應(yīng)選育具有矮稈抗倒伏、葉片較短較直立、葉片分布合理、耐蔭性較強