【正文】 第二章 太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 主要內(nèi)容 167。 1 光的生物學意義與植物的光學特性 167。 2 光照長度對植物的影響 167。 3 光照強度對植物的影響 167。 4 不同光譜成分對植物的影響 167。 5 光能利用率及其提高途徑 實習 1：作物光能利用率的計算及分析 本章重點與難點 本章重點： 光合有效輻射、光周期現(xiàn)象、感光性、光飽 和點與光補償點、光能利用率等基本概念。 光周期學說在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，光 ― 光合 作用關系分析，光能利用狀況及提高途徑分析。 本章難點： 光周期學說及其應用， 光 ― 光合作用關系理論分析。 167。 1 光的生物學意義與植物的光學特性 一、光的生物學意義 二、植物的光學特性 三、光在群體中的分布 一、光的生物學意義 太陽輻射的重要性 ● 太陽輻射是地球上生物有機體的主要 能量源泉； ● 太陽輻射是大氣運動和產(chǎn)生各種天氣 氣候現(xiàn)象的主要能量源泉。 光的生物學意義 太陽輻射對植物的作用： ● 光合效應 ● 熱效應 ● 光的形態(tài)效應 光還在相當程度上影響植物的地理分布。 各種輻射波段對植物的重要性見表 。 表 輻射波段及其對植物生命活動的重要性 輻 射 波 段 光譜區(qū) 占太陽 輻射能 （ %） 對植物生命的效應 熱效應 光合 效應 形態(tài) 效應 紫外線 光合有效輻射 近紅外輻射 長波輻射 290～ 380 380～ 710 710～ 4000 3000～ 10000 0～ 4 21～ 46 50～ 79 不重要 重 要 重 要 重 要 不重要 重 要 不重要 不重要 中 等 重 要 不重要 不重要 光對植物影響的主要方式 光主要從三個方面對植物產(chǎn)生影響： ● 光長，即光照時間的長短。 ● 光強，即光照的強弱。 ● 光質，即光譜組成的不同。 研究太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要意義 ● 綠色植物通過光合作用所合成的物質約占其干重的 90～ 95%； ● 太陽輻射能投射到植物體上真正為植物所 利用進行光合作用部分卻很少。光能利用率低。 因此，提高作物的光能利用率是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 的一個十分重要的課題，當然也是農(nóng)業(yè)氣象學的 主要任務之一。 二、植物的光學特性 單葉葉片對光的反射、透射和吸收 （ 1）基本概念 ● 反射：投射到葉面的太陽輻射被直接 反射到太空中去的部分稱為外反射；進入葉片 內(nèi)部不能被葉片吸收從投射一側返回空氣中的 部分稱為內(nèi)反射；外、內(nèi)反射之和稱為反射。 ● 吸收：進入葉片內(nèi)部的太陽輻射被葉片 吸收的部分稱為吸收。 ● 透射：進入葉片內(nèi)部不能被葉片吸收從投射對面一側向葉外逸出的部分稱為透射。 ● 反射率 R、 透射率 T和吸收率 A之間關系： R + T + A = 1 （ 2）綠色葉片的能量平衡 ； 環(huán)境散熱； ，可使 623— 640克的水分燕騰，并在光合作用中形成約 1克物質 。 （ 3）影響葉片對光的反射、透射、吸收能力的因素 ● 太陽光譜成分 表 綠葉對不同波段的平均反射、透射、吸收率 波段 光合有效輻射（ 380710nm） 近紅外輻射（ 7104000nm） 短波輻射 （ 3503000nm） 長波輻射 （ 300010000nm） 反射率 透射率 吸收率 ● 植物種類 ● 葉齡、葉片的表面形態(tài)、顏色 ● 葉片的水分含量 ● 光的投射角度、天氣狀況 ● 季節(jié)、生育期 因此，葉片對太陽輻射的 反射率 、 透射率 和吸收率存在著日變化、季節(jié)變化，不是一個 定值，有一定的變化范圍。 群體葉片對日光的反射、透射和吸收 太陽輻射進入植被內(nèi)部，經(jīng)過植被中莖葉 層層的反射、透射和吸收，當然還包括漏射， 而被削弱，形成了一個較復雜的過程。 關于 群體葉片對日光的反射、透射和吸收 能力，可歸納出以下四點看法。 （ 1）同一種農(nóng)田的植被，對于不同波長的 輻射，其反射、透射和吸收能力不同。 （ 2）同一種波長的輻射，不同作物、同一 作物不同的生長發(fā)育狀況（包括品種、密度、葉齡、葉形、葉片的顏色和含水量等等），其反射、透射和吸收能力不同。 （ 3）反射、透射和吸收率不是一個常數(shù)， 在任一光譜中有一定幅度。 （ 4）群體對日光的反射率和透射率要比 單葉明顯地小，而吸收率卻明顯地高于單葉。 如稻、麥作物，葉片向上斜立，其反射和 透射光幾乎都比單葉少一半左右；一般在抽穗 開花期，群體的反射率約 5～ 7%，透射率約 4～ 7%，而群體的吸收率則高達 85～ 90%。 三、光在群體中的分布 光在群體中的分布規(guī)律 由于受作物品種、群體的幾何結構以及密 度等因素影響，植被中光強的垂直變化十分復 雜，但其垂直分布有一定的規(guī)律。 如油菜、小麥等（圖 ）。 圖 相對總輻射在植被中的分布（翁篤鳴等， 1981） 相 100 對 80 油菜 總 60 輻 40 射 20 小麥 % 0 100 80 60 40 20 0 相對株高 % （油菜株高 158厘米，小麥株高 123厘米） 在實際工作中常用透光率來表征農(nóng)田中的透光情況。 透光率： 所測高度處的照度與農(nóng)田上方照度的比值，用小數(shù)或百分數(shù)表示，也稱相對照度。 ● 農(nóng)田中透光率的分布曲線與光強 的分布曲線完全一致，亦隨深度迅速遞 減，其遞減率與葉片的鉛直分布關系密 切。 ● 農(nóng)田中各高度透光率存在著相同的日 變化，由于太陽高度角的改變，中午時透光 率最大，早晚時透光率較小。 例如在對棉花的觀測中發(fā)現(xiàn)，在始花期， 早晚的透光率為 10%，而正午時透光率可達到 41%。 光在群體中垂直分布規(guī)律的數(shù)學描述 門司正三和佐伯敏郎（日本）， 1953年從 實際觀測（大田切片法）和理論推算兩個方面 建立了光強對葉面積的依賴關系。他們假定： 葉層是由葉片等植物器官所組成的均一介質， 并把比爾（ Beer） 定律引入到群體中光強垂直 分布的研究，提出了著名的門司 — 佐伯公式。 門司 — 佐伯公式 : I = I0 exp（ kF） 式中， I0為冠層（群體頂部）的光強； I為各層 的光強； k為群體葉層光強衰減系數(shù)或群體消光 系數(shù)； F為各層次以上部分的葉面積之和。 群體消光系數(shù) k值可用下式求算： k =（ ln(I/I0))/F 式中， I/I0即透光率。 k值是一個無量綱數(shù)，它描述了葉片的 遮陰程度，當上層葉面積大時， k值就大， 光強衰減就明顯。 注意： 實際上，大田內(nèi)部的情況十分復雜，影響 k值的因素非常多，包括葉片大小、厚薄、表面 光滑度、葉綠素含量以及葉片含水量等影響葉片 反射、透射和吸收的因素；入射光的方向和光譜 成分；葉片角度及群體的結構；季節(jié)、天氣以及 時間等。 因此， K值不是一個穩(wěn)定的值 。 在實際應用中，禾谷類作物 K值較穩(wěn)定， 因而使用平均值代替。 一般地， k值小于 1。據(jù)門司和佐伯測算， 草中的 k值為 ～ ，水平葉子作物層中的 k值為 ～ 。而中科院上海植生所測得的 水稻葉層的 k值在 ～ ，平均達到 （表 ）。 表 葉層的光分布及光強衰減系數(shù) （上海植生所， 1959） 層高（ cm） I/I0（ %） F k 30 5 40 8 50 13 60 20 70 32 80 48 90 100 平均 — — 注意： 門司 — 佐伯公式適用的條件象均一介質 是不可能滿足的。 但在實際觀測中，光在群體中的垂直變化 確實符合負指數(shù)規(guī)律，所以門司 — 佐伯公式 目前還是得到了廣泛的應用。 167。 2 光照長度對植物的影響 一 、 植物的光周期現(xiàn)象 二 、 光照長度與植物發(fā)育關系的幾種解釋 三 、 光周期對植物生長發(fā)育的影響 四 、 光周期學說在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用 一、植物的光周期現(xiàn)象 日照長度和光照長度 ● 日照長度 。 是指一地每天從日出到日落 之間的日照時數(shù) ， 是一種在一定地區(qū)各年之間 比較穩(wěn)定的氣候要素 。 ● 光照長度 。 也稱為光長 ， 它和日照長度 不同 ， 它包括日照長度和曙暮光時段 。 光周期 地球上不同緯度地區(qū)的溫度、雨量和晝夜長度等會隨季節(jié)有規(guī)律地變化。在各種氣象因子中，晝夜長度變化是最可靠的信號，不同緯度地區(qū)晝夜長度的季節(jié)性變化是很準確的。緯度愈高的地區(qū)，夏季晝愈長，夜愈短；冬季晝愈短，夜愈長；春分和秋分時，各緯度地區(qū)晝夜長度相等，均為 12h。自然界一晝夜間的光暗交替稱為光周期（ photoperiod）。 北半球不同緯度地區(qū)晝夜長度的季節(jié)變化 植物光周期現(xiàn)象 （ 1） 植物光周期現(xiàn)象的概念 晝夜光照與黑暗的交替對植物發(fā)育（主要是開花）有顯著影響的現(xiàn)象稱為光周期現(xiàn)象（ photoperiodism）。植物的開花、休眠和落葉，以及鱗莖、塊莖、球莖等地下貯藏器官的形成都受晝夜長度的調(diào)節(jié)，但是，在植物的光周期現(xiàn)象中最為重要且研究最多的是植物成花的光周期誘導。 （ 2 1919年，美國園藝學家加納和阿拉德（ Garner and Allard）在觀察到煙草的一個變種（ maryland mammoth ）在華盛頓地區(qū)夏季生長時，株高達 3～ 5m時仍不開花，但在冬季轉入溫室栽培后，其株高不足 1m就可開花。他們試驗了溫度、光質、營養(yǎng)等各種條件，發(fā)現(xiàn)日照長度是影響煙草開花的關鍵因素。在夏季用黑布遮蓋，人為縮短日照長度，煙草就能開花；冬季在溫室內(nèi)用人工光照延長日照長度，則煙草保持營養(yǎng)狀態(tài)而不開花。由此他們得出結論，短日照是這種煙草開花的關鍵條件。 根據(jù)光長影響植物開花情況對植物的分類 （ 1） 長日性植物 。 是指只有在光照長度超過 一定臨界值 （ 臨界光長 ） 時開花 ， 否則即停留在 營養(yǎng)生長狀態(tài)的植物 。 例如麥類 、 豌豆 、 亞麻 、 油菜 、 胡蘿卜等原產(chǎn)于高緯度地區(qū)的作物 。 （ 2） 短日性植物 。 是指只有在光照長度短于 一定臨界值時開花的植物 。 如水稻 、 玉米 、 棉花 等原產(chǎn)于低緯度地區(qū)的作物 。 （