农业气象学二氧化碳与农业生产.ppt

CO2、风与农业生产,主要内容,1 二氧化碳对植物的影响 2 农田二氧化碳状况及其调控 3 风对农业生产的影响及调控,本章重点： 碳循环、CO2饱和点与补偿点等基本概念 CO2增加对农业生产的影响及CO2调控技术 农田作物群体CO2通量及浓度变化规律分析 本章难点： 农田CO2浓度变化规律分析。,本章重点与难点,1 二氧化碳对植物的影响 主要内容： 碳循环简介 CO2对植物的影响,一、碳循环简介 （一）碳循环的概念 碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环周转的过程。 在漫长的地球历史进程中，碳循环最初只是在大气圈、水圈和岩石圈中进行，随着生物的出现，有了生物圈和土壤圈，碳循环便在五个圈层中进行。碳循环的主要途径是：大气中的CO2被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动干预，又以CO2的形式返回到大气中。,碳循环简图,碳循环的主要形式： 碳在自然界中的存在形式： 碳在生物体内的存在形式： 碳进入生物体的途径： 碳在生物体之间传递途径： 碳进入大气的途径：,CO2；,CO2和碳酸盐；,含碳有机物；,绿色植物的光合作用；,食物链；,生物的呼吸作用 分解者的分解作用 化石燃料的燃烧,因此，若CO2发生量变，必然会对碳循环产生重大影响。维护碳循环正常运行的关键是控制CO2的排放量。,（二）大气中的CO2浓度 在地质历史时期，碳的流通缓慢，而且一直在进行沉积，在岩石中积存的碳约达1*1016t，在化石燃料中的碳约积存有1*1013t，这些碳被长期封存地下，从未在短期内大量逸出。因此，大气中的CO2含量是个恒量，或者说接近恒量，从而维持了碳循环的相对稳定和平衡。 但自从人类出现以来，特别是工业革命以来，一系列与碳元素有关的经济活动不断加入到碳循环过程中来，其中最主要的活动是燃烧矿物燃料和砍伐森林，结果打破了碳循环原有的平衡，使大气中的二氧化碳浓度增加。,工业革命前，大气中的CO2 为280ppm左右。其后不断增加，增长速度不断加快。 年增长速度： 18401900年，0.12ppm； 19001960年，0.34ppm； 19602000年，1.32ppm。 至2000年，全球大气中的CO2浓度已经达到369ppm。,1、大气中CO2的来源和去向 （1）大气中CO2的来源 海洋。它是人类活动影响前大气中CO2 最重要的一个源。据估算，全球由海洋到大气的CO2平均净通量约为 4.151*108 t(C)/a。 土壤。它是大气中CO2的另一个重要的源，每年约0.273*108 t(C)的CO2由土壤直接进入大气。, 人类活动。包括大量使用煤、石油、天然气等矿物质燃料向大气排放CO2以及破坏植被影响CO2 的吸收与同化。 有些研究的估算认为，在18501950年的100年间，由于人类活动而进入大气中的碳达1.8*1011t，其中1/3来自化石燃料燃烧，其余2/3则来源于植被破坏特别是森林破坏，从而影响了大气碳平衡。,（2）大气中CO2的去向 生物圈。植物通过光合作用吸收同化大气中的CO2而形成有机物质，从而使CO2进入生物圈。据估算，陆地生态系统与大气中CO2交换的净通量为4.342*108 t(C)/a。 水圈。大气中CO2溶解进入水圈。 CO2+H2O H2CO3 岩石圈。大气中CO2经过淋溶及化学反应进入岩石圈。 H2CO3+Ca+ CaCO3+2H+,back,（一）植物对CO2的吸收和利用 1、植物吸收CO2的过程 （1）从大气通过湍流和对流交换输送到叶片附近。这段路程最长，CO2与叶片的距离以m或cm来计算，该段路程阻力最小。,二、 CO2对植物的影响,（2）从叶片周围通过气孔到达叶肉细胞的表面。距离不到1cm，此段路程是气相扩散，其阻力的大小首先决定于气孔阻力的大小，此外CO2分子还要克服叶片内表皮阻力，才能到达叶肉细胞表面。,（3）从叶肉细胞的表面进入到叶绿体内。距离最短，在1mm以下，在这段路程中，CO2首先要克服叶肉阻力，其后CO2分子要穿过液相原生质，才能到达叶绿体，再进入到叶绿体内层的光化学反应中心。,所以，CO2在由空气到叶绿体内的物理传递过程中受到一系列阻力的影响，包括： 叶片边界层阻力ra 气孔阻力rs 叶肉阻力rm,（4）CO2向叶内扩散的数学表达式 在这三种阻力的作用下，表达在光合作用中CO2向叶内扩散量(Pc)的关系式为： 式中，fc为CO2单位换算系数，即将mg/kg换算为g /cm3 CO2 的系数。,2、植物对CO2的利用 二氧化碳是光合作用的原料，对光合速率影响很大。从上式可知，植物吸收利用CO2的状况，与周围空气的CO2浓度有关，即浓度越大，CO2向叶内扩散量就越大。但植物的光合速率与CO2浓度并非简单的直线关系，下面介绍两个重要的概念。,（1）CO2饱和点 在辐射能充分满足的条件下，植物光合速率不再随CO2浓度增加而增大时的CO2浓度称为CO2饱和点。 （2）CO2补偿点 植物光合作用所同化的CO2与呼吸作用释放的CO2达到平衡时，环境中的CO2浓度称为CO2补偿点。,各种植物的CO2补偿点不同，玉米、高粱、谷子等C4植物的补偿点一般小于10ppm称低CO2补偿点植物；小麦、水稻、棉花、大豆等C3植物的补偿点为40150ppm，称为高CO2补偿点植物。多数植物的CO2饱和点为8001800ppm，现在大气中CO2的浓度约为370ppm。大大超过补偿点而远离饱和点，CO2浓度的增加，必定加快光合作用的强度，增加农作物的光合产量，从而加快植物生长。,（3）影响植物同化CO2速率的因子 a、种间差异 C4植物同化CO2的速率比C3植物大得多。据测定，在适宜的环境条件和同样的光强、CO2浓度下，C4植物的产量要比C3植物高出近一倍。,b、光强的影响 光强与CO2浓度互为限制因子，若光强很小，即使二氧化碳浓度较大，光合作用强度仍不可能大；反之，若二氧化碳浓度很小，即使光强较强，也不能使光合作用达到最大水平。,c、温度的影响 在光强和CO2浓度条件得到满足时，植物同化CO2的速率随温度的变化呈抛物线型。,d、水分的影响 当水分不足时，气孔变狭，减少CO2吸收；同时原生质的水合作用减弱，光合能力降低。而水分过多时植物生长发育受到影响，CO2吸收亦会逐渐减弱甚至停止。,e、风的影响 风的影响主要包括三个方面。 一是空气流动可不断地从群体外部向群体内部输送和补充CO2； 二是加强群体内部的湍流交换，把下层叶片以及土壤呼吸放出的CO2带到光合能力较强的群体上层； 三是风速逐渐增大会使CO2扩散阻力明显减小。,f、群体结构的影响 直立叶片较多的群体，通风、透光情况良好，有利于群体中CO2的扩散，对提高群体光合能力及干物质积累有利。,（二）CO2浓度增加对作物直接影响的试验研究 1、试验装置与设备 人工增加CO2浓度也称为CO2施肥，研究CO2浓度增加对作物影响的试验装置主要有温室、人工气候箱、气室和开放式试验田（free-air CO2 enrichment）等。,开放式试验田 指在自由空气中增加CO2，它摆脱了上述设备小空间、微环境的影响，直接在自然环境下进行CO2增加的模拟试验，因其试验尺度大，通风良好，光照、温度、湿度和风等环境条件十分接近自然农田，所以在开放式试验田中获得的数据更接近于真实情况。,CO2气源 a.干冰。价格昂贵，且降低气温。 b.CO2发生剂。碳酸氢铵、碳酸盐加稀硫酸、石灰石加盐酸在CO2发生器中化学反应释放CO2。成本较高，安全性差，易造成有毒气体污染。 c.工业尾气。如化肥厂、酒精厂生产过程中产生的CO2气体，压缩于钢瓶中。使用效果比较理想。 d.燃料。燃烧天然气、石油、煤油等释放CO2。有污染。,2、部分试验研究数据 （1）CO2 浓度增加对作物光合作用的影响 冬小麦：CO2浓度在600ppm之内，光合速率P与CO2浓度几乎是直线关系； 春小麦：CO2浓度倍增时，P增大2.569倍； 大豆：CO2浓度为500，600，700ppm时，P分别升高80、143、205。,（2）CO2 浓度倍增对作物发育期和株高的影响,从上表可知, CO2浓度倍增使棉花发育提前8d,冬小麦和大豆分别提前4d 和2d, 对玉米没有影响。CO2浓度倍增对冬小麦株高的影响最为明显, 增高量达14cm , 其次是棉花和大豆, 对玉米影响不大。,（3）CO2 浓度倍增对作物生物量(干重) 的(g/株)的影响,从上表可知, CO2浓度增加, 作物生物量随之增加，但4 种作物地下和地上两部分生物量的增长率并不平衡,玉米和冬小麦根的增长最为明显, 其次为大豆, 而棉花根的增长率略低于地上的增长率。,（4）CO2 浓度倍增对作物产量（g/株）的影响,CO2浓度增加, 4 种作物产量呈增加趋势, 其中大豆增长最为明显, 增长率达67.1% , 冬小麦和棉花次之, 且增长幅度十分相近, 玉米仍最小。,（5）CO2 浓度增加对黄瓜生长发育的影响,（6）温室蔬菜施用CO2 气肥后的增产作用,3、部分研究结论 提高植物的光饱和点； 能促进植物的光合作用，增加植物生物量的累积； 能显著提高C3作物产量，但对C4作物产量的影响较小； 对根系生长的促进作用要大于地上部分； 对大多数作物的物候略有加速。 会减小气孔开度，从而降低蒸腾量，提高水分利用率。, 温室蔬菜的二氧化碳适宜施放期随蔬菜种类及其生育期而异 黄瓜、西葫芦等瓜类蔬菜宜在开花初期开始施放二氧化碳。 芹菜等叶菜类蔬菜则应在封垄后开始施放二氧化碳。, 温室一天内CO2的适宜施放时间在不同季节有所不同。 在深秋和初冬季节,宜在下午收风后施放。 在隆冬季节,温室不放风或放风时间很短,宜在上午11 时左右施放。 在晚冬和初春季节,放风时间较长,宜将一次施放改为两次施放,放风前1h 施放一次,收风后再施放一次。, 温室人工增施CO2 的适宜浓度 国内外许多学者曾做过大量试验, 但因试验条件、供试蔬菜和栽培方式等各不相同, 试验结果有很大差异。多数学者认为: 一般温室蔬菜生长和产量形成的CO2 适宜浓度为6001500ppm。,（三）CO2浓度增加对农业生产的间接影响 “温室效应”将导致气温上升，使各地作物生长季延长，从而使农作物种植界限和耕作制度发生变化。 在中纬度地区，可减弱低温对作物的胁迫作用，使产量和质量提高。 可能使害虫数量大幅度增加，危害期延长。 可能加速农药和肥料的分解，降低杀虫剂和除草剂的效率。,可能使一些地区更加湿润，而使另一些地区更加干旱。 CO2浓度增加虽对植物蒸腾有抑制作用，会使植物的水分利用率随之提高，但它导致的气候变暖又可使蒸发量增加，减小水分的有效性，这两种效应的方向是相反的。,2 农田二氧化碳状况及其调控,主要内容： 时间变化和空间变化 农田CO2通量密度及其时间变化 土壤和近地层CO2调控技术,一、时间变化和空间变化,（一）时间变化 1、日变化 作物的不同发育阶段，不同时间和地点，农田CO2浓度的日变化趋势是基本一致的。白天CO2浓度随光合作用的增强而不断降低，日落后CO2浓度则升高，日出前达最大值。,晴天与昙天温室内二氧化碳浓度的日变化曲线,阴天和晴间多云天气温室内二氧化碳浓度的日变化曲线,2、年变化 在北纬30度以北地区的大气中，从4月至9月，CO2浓度减少3。且土壤中有机质也在不断分解。大气中CO2浓度一般在夏末秋初达到最低值，10月到次年3月是一个积累时期，浓度逐渐上升，到冬末春初达到最大值。,（二）空间变化 CO2浓度的垂直变化由近地气层CO2被固定和释放的情况所决定。当地面覆有植被，光合作用旺盛时，二氧化碳被大量固定，二氧化碳浓度随高度下降而明显降低，呈光合型。这期间，从地面到16千米高度，二氧化碳浓度均低于320ppm。在光合作用微弱甚至停止时，只有土壤及动物呼吸和燃烧等释放二氧化碳的过程，则越近地面，浓度越高，呈呼吸型。这期间，从地面到16千米高度，二氧化碳浓度均高于320ppm。,二、农田CO2通量密度及其时间变化,1、计算方法 近地层中CO2的垂直通量，决定于湍流扩散 机制。因此 ，可以从湍流扩散角度来得到农田 上方CO2的铅直输送公式，即： 式中，qc为铅直方向的CO2通量；fc为单位换算 系数；kc为CO2湍流交换系数； 为CO2浓度的 铅直梯度。,应用桑斯威特-霍尔兹曼公式将上式改写为： 式中，u1、u2和c1、c2分别为z1、 z2高度上的平均 风速和CO2浓度；是卡曼常数，一般取0.4；d为 零平面位移；为常数； Ri为理查逊数，是表征 大气层结稳定程度的量。,2、时间变化 白天，CO2 通量密度为正，由大气指向作物层，从9时至16时维持较大的通量密度，最高值出现在11时左右。夜晚则相反， CO2 通量密度为负，由作物层指向大气。,三、土壤和近地层CO2调控技术,1、土壤CO2释放的调节 （1）原理 土壤空气中CO2浓度远高于大气，因此土气 间的浓度差导致了土壤CO2释放 。土壤中CO2的 释放量因土壤温度、含水量及有机质含量不同 而有很大差异。 因此，可以采取措施改变土壤物理性质和 环境条件等以达到调节CO2释放量的目的。,（2）主要措施 a、松土。增加土壤孔隙度，提高地温。 b、增湿。增强土壤微生物的活动。 c、施肥。增施农家肥，增加土壤腐殖质量，释放CO2。,2、田间CO2浓度调节 a.合理密植，改善田间的通风条件；整枝 打叶，使土壤中释放的CO2尽量被光合机能强的 绿色叶片吸收利用。 b.种植行向要与当地盛行风向一致，改善 田间通风条件，以有利于CO2随风进入农田。 c.栽培时要宽行窄株距，改善群体内通风 条件，亦可起到提高农田中CO2浓度的作用。,3 风对农业生产的影响及调控,主要内容： 风的影响 防风措施,一、风的影响,（一）有利影响 1、风对农田小气候的调节 风能影响农田湍流交换强度，增强地面与空气的热量和水分等的交换，增加土壤蒸发和作物蒸腾，也增加空气中CO2等成分的交换，使作物群体内部的空气不断更新，对株间的温度、水汽、CO2等调节有重要作用。,2、风与光合作用 在低风速条件下，叶片的边界层变薄， CO2的扩散阻力减少，有利于CO2的输送，又能使光合有效辐射以闪光的形式合理分布到叶层中，从而提高光合作用强度，提高光能利用率。据测定，在太阳辐射与气温基本相同的前后两天，有风的一天玉米干物质的增长量比无风的一天大40。,3、风对花粉、种子传播的影响 自然界中的许多植物是借助风的力量进行异花授粉和传播的，风速的大小会影响授粉效率和种子传播距离，从而对植物的繁衍和分布起着较大的影响作用。 在作物(如油菜)和果树开花时，风能散播花的芳香，招引昆虫传授花粉。风能传播种子，如杉树种子靠风力传播到远处，扩大繁殖生长区域。,（二）不利影响 1、大风对作物的危害 风力在6级以上就可对作物产生危害。风速17mS (8级以上)的风称为大风，它对农业危害很大。