光与作物生产

光与作物生产第1页/共33页

生物环境：植被、昆虫、病害、杂草等农业的自然环境

非生物环境：光照、温度、水分、大气、土壤及营养条件等

作物生产环境

包括土壤、肥料、气象条件、栽培、植物生理以及各种环境因子。第2页/共33页第一章光与作物生产本章教学结构教学要点教学目标教学内容实验实习复习思考参考资料

第3页/共33页教学要点作物生产的光照环境太阳辐射、地面辐射、大气辐射、光合有效辐射。光照与作物的生长发育光照时间与作物的生长发育、光照强度与作物生长发育、光谱成分与作物的生长发育。提高作物光能利用率的途径作物对光的利用、影响作物光能利用率及作物产量的因素、提高光能利用率的途径。第4页/共33页教学目标

通过学习，使学生了解作物生产的光照环境及其变化规律，理解光照强度、光周期、光质等光环境因素对作物生长发育及作物产量的构成因素的影响，掌握提高光合效率的农业技术措施，学会光照强的观测技术。第5页/共33页第一节作物生产的光照环境太阳辐射

太阳辐射光谱

太阳辐照度

太阳照射时间的长短太阳辐射在大气中的减弱

吸收作用散射作用反射作用到达地面的太阳辐射、地面辐射平衡

到达地面太阳辐射能量变化到达地面太阳辐射光谱成分变化地面辐射和大气辐射

地面辐射大气辐射地面有效辐射地面辐射平衡

第6页/共33页太阳辐射

太阳是一个巨大、炽热、自行发光发热的星球，内部温度高达1.5×107k，表面温度可达6000k。太阳以电磁波的形式向外放射出巨大的能量，其辐射过程称为太阳辐射，放射出来的能量称为太阳辐射能。第7页/共33页太阳辐射光谱：太阳辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。不同波长的光量子所持的能量不同。到达地球大气上界的太阳辐射光谱可划分为：

紫外光波段：<390nm；可见光波段：390～760nm；红外光波段：〉760nm；（近红外光760～2500nm；远红外光25～100μm）

波长单位：（nm或μm,1μm=10-6m,1nm=10-9m）分布范围：太阳0.15-4μm（短波）地气3-120μm（长波）不同波长的光量子所持的能量

λ（nm）颜色E（kJ/mol）<400

紫外297400～425

紫289

425～490

蓝25990～560绿222

560～580黄209580～640橙197640～740

红721第8页/共33页

太阳辐射光谱分区

390430470

500

560

600650760nm

紫蓝青绿黄橙红

10

390

760100000nm紫外光可见光红外光第9页/共33页太阳辐射光谱分区太阳辐照度

太阳在单位时间内通过或到达某一表面的辐射能称为太阳辐射通量，单位是焦每秒（J/s）或瓦（W）。单位面积上的太阳辐射通量称为太阳辐射通量密度（或太阳辐射度、太阳辐照度），单位是瓦每平方米（W/m2）。光照强度

也称光照度或照度光照强度表示物体被照明的程度，指可见光在单位面积上的光通量，国际单位制中光照强度的单位是勒克斯（lx）。大气上界的太阳光照强度可达1.35×105lx(光照常数)。

10

390

760100000nm紫外光可见光红外光图3-4太阳光的连续光谱

390430470

500

560

600650760nm

紫蓝青绿黄橙红第10页/共33页太阳辐照度

太阳辐照度：单位面积上的太阳辐射通量称为太阳辐照度。单位（W/m2）。（单位时间内通过某一表面的辐射能称为太阳辐射通量，单位是：J/s）。太阳常数:

在大气上界垂直于太阳光方向测得的太阳辐照度称为太阳辐射常数，约为1367+-7W/m2。光照度：光照强度表示物体被照明的程度，指可见光在单位面积上的光通量，单位是勒克斯（lx）。光照常数：指大气上界的太阳光照度，可达1.35×105lx。光照强度取决于人眼对可见光的平均感觉，所以光照强度与辐射强度是两个不同的概念。一般来说，夏季晴天中午地面的光照强度约为1.0×105lx，阴天或背阴处光照强度为1.0×104～2.0×104lx。

第11页/共33页太阳高度角

太阳高度角是指太阳光线与水平面之间的夹角。

1)太阳辐照度和太阳高度角的关系到达地面的太阳辐照度和太阳高度角的正弦值成正比.

2)太阳高度角的变化一天和一年之中，太阳高度角发生规律性的变化，使地球的光热条件也发生周期性变化。时间变化:一天中正午太阳高度角最大,近日出太阳高度角最小。一年中春分、秋分时太阳直射赤道，赤道上的太阳高度角最大，为90°，向北、向南太阳高度角逐渐变小；北半球夏至日最大,冬至日最小.

空间变化：正午的太阳高度角随纬度增加而减小。春分、秋分太阳高度角随着纬度的变化一天中正午的太阳高度角hθ=90°-Φ+δ哈尔滨市正午的太阳高度角：

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页/共33页太阳辐射时间的长短昼夜长短与纬度和季节的关系

冬至日北半球黑夜长于白昼，且随纬度的增高，白昼越短，黑夜越长，北极圈内有夜无昼，称为极夜现象；夏至日，北半球白昼长于黑夜，且随纬度的增高，白昼越长，黑夜越短，北极圈内有昼无夜，称为极昼现象。在春分和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼长等于夜长。北半球春分日日长为12h，春分日后，日长逐渐增长，大于12h，到夏至日达到最长，然后日长渐短，至秋分日又减少到12h，日夜等长。秋分过后，日长渐短，到冬至日达到最短。太阳辐射时间长短的表示方法

1）日照百分率实照时数：可照时数：例哈尔滨9.6.13.01h3.1711.87h日照百分率=实照时数/可照时数*100%全省55-70%

2）光照时间在农业生产中把包括曙暮光在内的昼长时间叫光照时间。即：光照时间=可照时间+曙暮光时间第13页/共33页太阳辐射在大气中的减弱吸收作用

O2、O3：紫外线0.2~0.32μm云雾：红外线减弱14%减弱6%H2O：红外线0.73~3μmCO2：红外线4.3μm杂质：各类波长光谱散射作用晴朗的天空为什么是蓝色的？阴天为什么是灰白色的？提问分析减弱10%1．分子散射（直径<入射波长）2．粗粒散射（直径>入射波长）反射作用减弱27%第14页/共33页到达地面的太阳辐射

到达地面太阳辐射能量变化太阳辐射穿过大气时，因为被吸收、散射及反射而减弱，因此，到达地面的太阳辐照度总是小于太阳辐射常数。其强弱主要决定于太阳高度角（hθ）和大气透明度（P）。太阳高度角时空变化如何？

1．太阳直接辐射（S´）

随hθ增大，S´增强；随P增大，S´增强。反之S´减弱。另外，海拔高度越高，太阳直接辐射越强；反之则越弱。地球纬度的增高太阳直接辐射减弱。在农业生产中，可利用调节太阳高度角，提高对太阳辐能的吸收利用。例：大棚、温室建造。2．散射辐射（D）

散射辐射指地面上获得的来自整个天空大气散射出来的太阳辐射能。散射辐射强弱也受太阳高度角和空气透明度等因素的影响。随hθ增大D也增强；hθ不变时，随P增大，D减小。第15页/共33页3．太阳总辐射（Q）

太阳总辐射是指经过地球大气层的吸收、散射、反射辐射后到达地面的太阳辐射。太阳总辐射由太阳直接辐射和太阳漫辐射两部分组成：Q=S´+D总辐射的强弱也取决于太阳高度角、大气透明度等因素。还与日照时数有关。晴天，总辐射的增减主要由太阳高度角决定。总辐射的日、年变化与太阳高度角的变化同步，即中午前后、夏季月份太阳总辐射量大，早晚、冬季月份太阳总辐射量小，夜间太阳总辐射为零。我国部分地区的太阳辐射年总量（J/cm2）

地区哈尔滨北京杭州南昌广州昆明拉萨太阳辐射年总量467941565008435716495118454816522332791003第16页/共33页到达地面太阳辐射光谱成分变化空间变化：

太阳直接辐射光谱随太阳高度角降低（纬度增高）长波成分增加，反之减少。例：hθ=5°时紫外线为0；可见光占30%；其余以红外线为主。海拔高度增加直接辐射中长、短波成分均增加。大气层时间变化：

一年中夏季短波成分多，冬季长波成分多。一天中正午短波成分多，早晚长波成分多。第17页/共33页地面辐射和大气辐射

地面、大气辐射波长：3-120μm地面辐射地面辐射E1：地面辐射是低层大气的主要热源。波长：3-80μm大气辐射

大气辐射：波长：7-120μm大气逆辐射E2：大气辐射投向地面部分称为大气逆辐射。温室效应：大气能透过短波辐射，吸收地面长波辐射使其不易逸出大气并以逆辐射形式返回地面部分能量，对地面有保温作用。称为温室效应。E1E2大气层第18页/共33页地面有效辐射1.地面有效辐射E0地面辐射减去大气逆辐射，称为地面有效辐射。晴天E0=1.029w/m2在冬季或夜间，地面收入的辐射能小于支出的辐射能（E0>0），使地面降温，严重时对植物造成冷害甚至冻害。农林生产中的地面覆盖、温室大棚等设施，都可以减少地面有效辐射，使地面及其一定空间内的空气温度保持相对稳定，有利于植物的正常生长或安全越冬。逆温时E0<0。2.影响地面有效辐射的因子

1）天气状况：云雾多、湿度大E0小。夜晚的阴天和晴天哪个温度低？为什么？

2）地表状况：E0干土>湿土；粗糙>光滑；有覆盖<无覆盖。

3）海拔高度：海拔高E0大。

4）地气温差：地>气E0>0；地<气E0<0。第19页/共33页地面辐射平衡1.地面辐射平衡R=（S´+D）（1-r）-E。辐射平衡收入(总辐射)支出(有效辐射)地面反射辐射与到达地面的太阳总辐射的百分比称为地面反辐射率（r），（1-r）则为地面吸收率。所以，地面吸收的太阳总辐射能（Q´）为：Q´=（S´+D）（1-r）。地表性质对太阳辐射的反射率影响很大。一般颜色越深、土壤湿度越大、表面越粗糙的地表，反射率越小；太阳高度角越大，反射率越小。植物对太阳辐射具有选择反射能力，对可见光的反射能力较小（约7%），对近红外部分的太阳辐射反射率较大（约50%）。对于地球表面的植被或农林植物来说，由于枝叶密度、叶色、高度及含水量的不断变化，对太阳辐射的反射率也有差异。因此R是形成中气候的重要因子,改变任何一项就会改变地面辐射状况,从而人工调节小气候。例如:铲地松土可减小地面对太阳辐射的反射率使R增大,白天增温;灌水土色变深反射率减小,有效辐射也减小,另外,在高温季节可向垄上撒白色的高岭土增大反射率降温.2.地面辐射平衡的变化一天中白天R>0正午最大;夜间R<0正负转换时间在日出和日落。一年中夏季R>0,冬季R<0正负转换时间因纬度而异,我国39N以南R为正值,以北为负值月份较多.第20页/共33页光与作物生产太阳辐射光谱与植物生长发育紫外线与植物生长发育

1.抑制植物生长促进植物干物质积累，加速繁殖器官的形成。例1高山植物之所以相对矮小；花卉色泽鲜艳。例2温室、塑料大棚内的植物比较细长。例3白炽灯光下栽培植物，生长的比较细长。紫外线随太阳高度角和海拔高度如何变化？2.对土壤和种子有杀菌消毒作用3.对植物有刺激作用，促进种皮透性，提高种子萌发能力。例：农民在播前晒种、果树上山晒苗。4.促进植物果实成熟；提高果实含糖量，提高蛋白质和维生素含量，改善农产品质。例1向阳的果子，色泽红润，口味香甜；例2玻璃温室中栽培的黄瓜和番茄果实维C含量低于露地栽培第21页/共33页可见光与植物生长发育光合有效辐射：能被叶绿素吸收并参与光合作用的太阳辐射光谱。植物主要吸收红橙光和蓝紫光，表现出较强的光合作用。

1）蓝紫光使植物合成较多的蛋白质，红橙光下则形成较多的淀粉。例高山茶，纤维素含量较少，茶素和蛋白质含量高，为优质名茶。

2）蓝紫光对植物生长有一定的抑制作用，影响植物向光运动。例：波斯菊、向日葵、麦杆菊的向光运动。（生长素浓度差异引起）

3）黑光灯或萤光灯发出的短波光（0.33-0.44μm），可诱杀害虫。红外线与植物生长发育不能被叶绿素吸收参与生化作用，只提供热量。第22页/共33页光照度与植物的生长发育光照度影响植物光合作用当CO2、H2O条件充足时，在一定温度和光照度范围内，光合强度（CO2µmol/dm2.h）随光照度增加而增加，制造的有机物随之增多，相反光照度减弱，光合强度也减弱。制造的有机物随之减少。光照度范围指：光饱和点～光补偿点；几种植物的光饱和点和光补偿点小麦棉花水稻光饱和点（lx）24000～3000050000～8000040000～50000光补偿点（lx）200～400约750600～700植物光照生态类型有：喜阳植物：光补偿点（500lx～1000lx）、饱和点较高（2.5lx～6万lxC4植物的高达10万lx）。例：如蒲公英、西瓜及许多农作物。耐阴植物：光补偿点(<500lx)、饱和点较低(<1万lx)，例：蕨类植物；莴苣、菠菜、茼蒿、生姜、韭菜等。第23页/共33页光照度影响植物的生长发育

1）强光下使苗木茎粗、低矮、节间缩短，促进根系生长。

2）光照度不同会使园林树木产生偏冠现象。

3）适当的弱光有利于植物的营养生长，而较强的光照有利于植物繁殖器官的发育。例1：光充足有利于植物花芽分化和开花结果，光弱则落花落果。例2：强光下黄瓜雌花增多，雄花减少，小麦小花也多。光照度影响植物产品品质

1．光照度影响叶色

2．光照度影响果实着色例：苹果在太阳直射光下才能着色良好。

3．光照度影响产品的营养成分例：强光可增加瓜果的含糖量；禾本科、豆科植物蛋白质也增加；弱光减少甜菜根含糖量和马铃薯块茎中淀粉含量。第24页/共33页光照时间与植物的生长发育植物对光周期的反应类型植物对昼夜长短的反应，统称为光周期现象。光周期现象影响着植物的开花结实、落叶、休眠以及地下块根块茎等贮藏器官的形成。起源于不同纬度地区的植物，成花对光周期有不同的要求或反应，故将植物分为长日照植物、短日照植物和日中性植物三种类型。1．长日照植物长日照植物要求日照时间长于一定的临界值（>12～14）才能开花。日长越长，越促进或提早长日照植物开花；缩短日照时间，则会延迟甚至抑制长日照植物开花。例：麦类、豌豆、亚麻、油菜、甜菜、葫萝卜、洋葱、蒜、菠菜、甘蓝、月见草、唐菖蒲。原产于高纬度。几种长日照植物的临界日长

植物种类冬小麦菠菜甜菜白芥菜天仙子临界日长（h）121313～141411.5第25页/共33页2．短日照植物

短日照植物要求日照时间短于一定的临界值（<12～14）才能开花。日长越短，越促进或提早短日照植物开花；延长日照时间，则会延迟或抑制短日照植物开花。例：菊花、君子兰、一品红、报春花、大豆、玉米、高梁、豇豆、茼蒿。原产于低纬度。几种短日照植物的临界日长3．中性日照植物

中性日照植物的成花对日照时间长短要求不严格，只要其它条件适宜，在自然光周期条件下都能开花。例：茄子、黄瓜、四季豆、西红柿、月季、美人蕉、大丽花、香石竹、仙客来。植物美洲烟草草莓菊花苍耳早大豆晚大豆临界日长1410.5～11.51615.51713～14第26页/共33页光周期理论在农生产中的应用

1.光照时间与植物引种（1）纬度相近或同纬度地区之间引种容易成功。（2）短日照植物北种南引，生育期缩短，应引晚熟品种，南种北引则相反。（3）长日照植物北种南引生育期延迟，应引早熟品种，南种北引则相反。长日照植物有“温抵偿现象。”短日照植物有“光温叠加现象。”2.调节植物开花时间

例1遮光可提早短日照花卉开花、延迟长日照花卉开花。菊花。

例2加人造光源延长日照时数或夜间闪光可提早长日照花卉开花、延迟短日照花卉开花。例3在育种工作中有时遇到雌雄亲本花期不遇的问题，无法杂交。通过暗期闪光、人工延长光照时间或适当遮光等技术措施调控光周期，使雌雄亲本同时开花，以便顺利杂交，培育新品种。3.改变植物休眠与促进植物生长长日照条件能促进多年生植物的萌动生长，短日照条件则引起植物落叶及休眠。例1路灯旁的行道树，因为灯光延长了日照时数，使园林树木春季萌动、展叶早，落叶较晚，进入休眠晚，生长期长。例2秋季短日照条件下，很多植物因为叶片感受短日照刺激，产生脱落酸，从而促进落叶及休眠。第27页/共33页提高植物光能利用率的途径植物光能的利用率：植物光合产物中贮存的能量占其所得到能量的百分率，称为植物的光能利用率。

一般为0.5%～1%，低产田只有0.1%～0.2%，丰产田也3%左右。合理密植合理密植是提高植物产量的重要措施之一。选育光能利用率高的品种在植物品种的选育过程中，应选育具有矮秆抗倒伏、叶片较短较直立、叶片分布合理、耐荫性较强