农业气象学第五章

第五章CO2、风与农业消费主要内容§1二氧化碳对植物的影响§2农田二氧化碳情况及其调控§3风对农业消费的影响及调控本章重点：碳循环、CO2饱和点与补偿点等根本概念CO2添加对农业消费的影响及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、水圈和岩石圈中进展，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展。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，然后经过生物或地质过程以及人类活动干涉，又以CO2的方式前往到大气中。大气圈CO2生物圈CO2固定土壤呼吸溶解吸收有机质分解交换释放风化溶蚀固定堆积生物残体归还生物有机体归还堆积固定呼吸分解光合固定植物熄灭径流携带化石燃料熄灭、火山迸发、岩石风化土壤圈水圈岩石圈碳循环简图碳循环的主要方式：碳在自然界中的存在方式：碳在生物体内的存在方式：碳进入生物体的途径：碳在生物体之间传送途径：碳进入大气的途径：CO2；CO2和碳酸盐；含碳有机物；绿色植物的光协作用；食物链；①生物的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的熄灭因此，假设CO2发生量变，必然会对碳循环产生艰苦影响。维护碳循环正常运转的关键是控制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，而且不断在进展堆积，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参与到碳循环过程中来，其中最主要的活动是熄灭矿物燃料和砍伐森林，结果突破了碳循环原有的平衡，使大气中的二氧化碳浓度添加。工业革命前，大气中的CO2为280ppm左右。其后不断添加，增长速度不断加快。年增长速度：1840～1900年，0.12ppm；1900～1960年，0.34ppm；1960～2000年，1.32ppm。至2000年，全球大气中的CO2浓度曾经到达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*108t(C)/a。●土壤。它是大气中CO2的另一个重要的源，每年约0.273*108t(C)的CO2由土壤直接进入大气。●人类活动。包括大量运用煤、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。有些研讨的估算以为，在1850～1950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来自化石燃料熄灭，其他2/3那么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。植物经过光协作用吸收同化大气中的CO2而构成有机物质，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*108t(C)/a。●水圈。大气中CO2溶解进入水圈。CO2+H2O→H2CO3●岩石圈。大气中CO2经过淋溶及化学反响进入岩石圈。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〕从大气经过湍流和对流交换保送到叶片附近。这段路程最长，CO2与叶片的间隔以m或cm来计算，该段路程阻力最小。二、CO2对植物的影响〔2〕从叶片周围经过气孔到达叶肉细胞的外表。间隔不到1cm，此段路程是气相分散，其阻力的大小首先决议于气孔阻力的大小，此外CO2分子还要抑制叶片内表皮阻力，才干到达叶肉细胞外表。〔3〕从叶肉细胞的外表进入到叶绿体内。间隔最短，在1mm以下，在这段路程中，CO2首先要抑制叶肉阻力，其后CO2分子要穿过液相原生质，才干到达叶绿体，再进入到叶绿体内层的光化学反响中心。所以，CO2在由空气到叶绿体内的物理传送过程中遭到一系列阻力的影响，包括：●叶片边境层阻力ra●气孔阻力rs●叶肉阻力rm〔4〕CO2向叶内分散的数学表达式在这三种阻力的作用下，表达在光协作用中CO2向叶内分散量(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/cm3CO2的系数。2、植物对CO2的利用二氧化碳是光协作用的原料，对光合速率影响很大。从上式可知，植物吸收利用CO2的情况，与周围空气的CO2浓度有关，即浓度越大，CO2向叶内分散量就越大。但植物的光合速率与CO2浓度并非简单的直线关系，下面引见两个重要的概念。〔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浓度添加而增大时的CO2浓度称为CO2饱和点。〔2〕CO2补偿点植物光协作用所同化的CO2与呼吸作用释放的CO2到达平衡时，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植物的补偿点普通小于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40～150ppm，称为高CO2补偿点植物。多数植物的CO2饱和点为800~1800ppm，如今大气中CO2的浓度约为370ppm。大大超越补偿点而远离饱和点，CO2浓度的添加，必定加快光协作用的强度，添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、种间差别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，假设光强很小，即使二氧化碳浓度较大，光协作用强度仍不能够大；反之，假设二氧化碳浓度很小，即使光强较强，也不能使光协作用到达最大程度。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、水分的影响当水分缺乏时，气孔变狭，减少CO2吸收；同时原生质的水协作用减弱，光合才干降低。而水分过多时植物生长发育遭到影响，CO2吸收亦会逐渐减弱甚至停顿。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保送和补充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带到光合才干较强的群体上层；三是风速逐渐增大会使CO2分散阻力明显减小。f、群体构造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的分散，对提高群体光合才干及干物质积累有利。〔二〕CO2浓度添加对作物直接影响的实验研讨1、实验安装与设备人工添加CO2浓度也称为CO2施肥，研讨CO2浓度添加对作物影响的实验安装主要有温室、人工气候箱、气室和开放式实验田〔free-airCO2enrichment〕等。人工气候箱北京利康达圣科技开展消费OTC_1型开顶式气室1992年由气科院和解放军防化院结合设计开放式实验田指在自在空气中添加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展CO2添加的模拟实验，因其实验尺度大，通风良好，光照、温度、湿度和风等环境条件非常接近自然农田，所以在开放式实验田中获得的数据更接近于真实情况。CO2气源a.干冰。价钱昂贵，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发生器中化学反响释放CO2。本钱较高，平安性差，易呵斥有毒气体污染。c.工业尾气。如化肥厂、酒精厂消费过程中产生的CO2气体，紧缩于钢瓶中。运用效果比较理想。d.燃料。熄灭天然气、石油、煤油等释放CO2。有污染。2、部分实验研讨数据〔1〕CO2浓度添加对作物光协作用的影响冬小麦：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早8d,冬小麦和大豆分别提早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浓度添加,作物生物量随之添加，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浓度添加,4种作物产量呈添加趋势,其中大豆增长最为明显,增长率达67.1%,冬小麦和棉花次之,且增长幅度非常相近,玉米仍最小。〔5〕CO2浓度添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、部分研讨结论●提高植物的光饱和点；●能促进植物的光协作用，添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场施放二氧化碳。芹菜等叶菜类蔬菜那么应在封垄后开场施放二氧化碳。●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实验,但因实验条件、供试蔬菜和栽培方式等各不一样,实验结果有很大差别。多数学者以为:普通温室蔬菜生长和产量构成的CO2适宜浓度为600～1500ppm。〔三〕CO2浓度添加对农业消费的间接影响●“温室效应〞将导致气温上升，使各地作物生长季延伸，从而使农作物种植界限和耕作制度发生变化。●在中纬度地域，可减弱低温对作物的胁迫作用，使产量和质量提高。●能够使害虫数量大幅度添加，危害期延伸。●能够加速农药和肥料的分解，降低杀虫剂和除草剂的效率。●能够使一些地域更加潮湿，而使另一些地域更加干旱。●CO2浓度添加虽对植物蒸腾有抑制造用，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添加，减小水分的有效性，这两种效应的方向是相反的。-60%-40%-20%0%20%40%60%冬小麦灌溉冬小麦春小麦灌溉春小麦单季稻早稻晚稻春玉米灌溉春玉米夏玉米灌溉夏玉米到2030年，我国种植业产量能够会减少5－10％，三大主要作物产量均以减产为主〔温度升高，旱涝加剧，水短缺等〕我国三大作物产量的变化范围增产减产§2农田二氧化碳情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根本一致的。白天CO2浓度随光协作用的加强而不断降低，日落后CO2浓度那么升高，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度以北地域的大气中，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浓度普通在夏末秋初到达最低值，10月到次年3月是一个积累时期，浓度逐渐上升，到冬末春初到达最大值。〔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议。当地面覆有植被，光协作用旺盛时，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。在光协作用微弱甚至停顿时，只需土壤及动物呼吸和熄灭等释放二氧化碳的过程，那么越近地面，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，决议于湍流分散机制。因此，可以从湍流分散角度来得到农田上方CO2的铅直保送公式，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。运用桑斯威特-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；æ是卡曼常数，普通取0.4；d为零平面位移；σ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，最高值出如今11时左右。夜晚那么相反，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释放的调理〔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别。因此，可以采取措施改动土壤物理性质和环境条件等以到达调理CO2释放量的目的。〔2〕主要措施a、松土。添加土壤孔隙度，提高地温。b、增湿。加强土壤微生物的活动。c、施肥。增施农家肥，添加土壤腐殖质量，释放CO2。2、田间CO2浓度调理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风对农业消费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理风能影响农田湍流交换强度，加强地面与空气的热量和水分等的交换，添加土壤蒸发和作物蒸腾，也添加空气中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等调理有重要作用。2、风与光协作用在低风速条件下，叶片的边境层变薄，CO2的分散阻力减少，有利于CO2的保送，又能使光合有效辐射以闪光的方式合理分布到叶层中，从而提高光协作用强度，提高光能利用率。据测定，在太阳辐射与气温根本一样的前后两天，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展异花授粉和传播的，风速的大小会影响授粉效率和种子传播间隔，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，招引昆虫教授花粉。风能传播种子，如杉树种子靠风力传播到远处，扩展繁衍生长区域。〔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＞17m／S(8级以上)的风称为大风，它对农业危害很大。大风加速