农业气象学第二章太阳辐射与农业生产

二、植物的光学特性 1、单叶叶片对光的反射、透射和吸收 （1）基本概念 ● 反射：投射到叶面的太阳辐射被直接
反射到太空中去的部分称为外反射；进入叶片 内部不能被叶片吸收从投射一侧返回空气中的 部分称为内反射；外、内反射之和称为反射。
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0.51
0.30
0.05
透射率 0.06
0.34
0.20
0.00
吸收率 0.85
0.15
0.50
0.95
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● 植物种类 ● 叶龄、叶片的表面形态、颜色 ● 叶片的水分含量 ● 光的投射角度、天气状况 ● 季节、生育期 因此，叶片对太阳辐射的反射率、透射率 和吸收率存在着日变化、季节变化，不是一个 定值，有一定的变化范围。
如稻、麦作物，叶片向上斜立，其反射和 透射光几乎都比单叶少一半左右；一般在抽穗 开花期，群体的反射率约5～7%，透射率约4～ 7%，而群体的吸收率则高达85～90%。
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三、光在群体中的分布 1、光在群体中的分布规律 由于受作物品种、群体的几何结构以及密 度等因素影响，植被中光强的垂直变化十分复 杂，但其垂直分布有一定的规律。 如油菜、小麦等（图2.1）。
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（2 1919年，美国园艺学家加纳和阿拉德（Garner and Allard） 在观察到烟草的一个变种（ maryland mammoth ）在华盛顿地 区夏季生长时，株高达3～5m时仍不开花，但在冬季转入温室 栽培后，其株高不足1m就可开花。他们试验了温度、光质、 营养等各种条件，发现日照长度是影响烟草开花的关键因素。 在夏季用黑布遮盖，人为缩短日照长度，烟草就能开花；冬 季在温室内用人工光照延长日照长度，则烟草保持营养状态 而不开花。由此他们得出结论，短日照是这种烟草开花的关 键条件。
本章重点： 光合有效辐射、光周期现象、感光性、光饱
和点与光补偿点、光能利用率等基本概念。 光周期学说在农业生产中的应用，光―光合
作用关系分析，光能利用状况及提高途径分析。 本章难点：
光周期学说及其应用， 光―光合作用关系理论分析。
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§1 光的生物学意义与植物的光学特性
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（3）影响叶片对光的反射、透射、吸收能力的因素
● 太阳光谱成分
表2.2 绿叶对不同波段的平均反射、透射、吸收率
波段Leabharlann 光合有效辐射 近红外辐射短波辐射
长波辐射
（380-710nm） （710-4000nm） （350-3000nm） （3000-10000nm）
反射率 0.09
第二章 太阳辐射与农业生产
农业气象学第二章太阳辐射与农业生产
主要内容
§1 光的生物学意义与植物的光学特性 §2 光照长度对植物的影响 §3 光照强度对植物的影响 §4 不同光谱成分对植物的影响 §5 光能利用率及其提高途径 实习1：作物光能利用率的计算及分析
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本章重点与难点
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一、植物的光周期现象
1、日照长度和光照长度 ● 日照长度。是指一地每天从日出到日落 之间的日照时数，是一种在一定地区各年之间 比较稳定的气候要素。 ● 光照长度。也称为光长，它和日照长度 不同，它包括日照长度和曙暮光时段。
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2、光周期 地球上不同纬度地区的温度、雨量和昼夜长度等 会随季节有规律地变化。在各种气象因子中，昼夜长 度变化是最可靠的信号，不同纬度地区昼夜长度的季 节性变化是很准确的。纬度愈高的地区，夏季昼愈长， 夜愈短；冬季昼愈短，夜愈长；春分和秋分时，各纬 度地区昼夜长度相等，均为12h。自然界一昼夜间的光 暗交替称为光周期（photoperiod）。
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2、群体叶片对日光的反射、透射和吸收 太阳辐射进入植被内部，经过植被中茎叶
层层的反射、透射和吸收，当然还包括漏射， 而被削弱，形成了一个较复杂的过程。
关于群体叶片对日光的反射、透射和吸收 能力，可归纳出以下四点看法。
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（1）同一种农田的植被，对于不同波长的 辐射，其反射、透射和吸收能力不同。
一、光的生物学意义 二、植物的光学特性 三、光在群体中的分布
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一、光的生物学意义 1、太阳辐射的重要性 ● 太阳辐射是地球上生物有机体的主要
能量源泉； ● 太阳辐射是大气运动和产生各种天气
气候现象的主要能量源泉。
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2、光的生物学意义
（2）同一种波长的辐射，不同作物、同一 作物不同的生长发育状况（包括品种、密度、 叶龄、叶形、叶片的颜色和含水量等等），其 反射、透射和吸收能力不同。
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（3）反射、透射和吸收率不是一个常数， 在任一光谱中有一定幅度。
（4）群体对日光的反射率和透射率要比 单叶明显地小，而吸收率却明显地高于单叶。
0.71
注意：
门司 — 佐伯公式适用的条件象均一介质 是不可能满足的。
但在实际观测中，光在群体中的垂直变化 确实符合负指数规律，所以门司 — 佐伯公式 目前还是得到了广泛的应用。
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§2 光照长度对植物的影响
一、植物的光周期现象 二、光照长度与植物发育关系的几种解释 三、光周期对植物生长发育的影响 四、光周期学说在农业生产中的应用
6、光周期诱导的机理 （1）光周期诱导 对光周期敏感的植物只有在经过适宜的日照条件诱导 后才能开花，但研究表明，引起植物开花的适宜光周期处 理，并不需要一直持续到花芽分化。植物在达到一定的生 理年龄时，经过足够天数的适宜光周期处理，以后即使处 于不适宜的光周期下，仍能保持这种刺激的效果而开花， 这种效应叫做光周期诱导（photoperiodic induction）。因 此，光周期成花反应是个诱导过程，花芽的分化并不一定 是在适宜光周期处理的当时，植物可以保持这种诱导状态。 不同种类的植物通过光周期诱导的天数不同。
● 吸收：进入叶片内部的太阳辐射被叶片 吸收的部分称为吸收。
● 透射：进入叶片内部不能被叶片吸收从投 射对面一侧向叶外逸出的部分称为透射。
● 反射率R、透射率T和吸收率A之间关系： R+T+A=1
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（2）绿色叶片的能量平衡
a.能量用于光合作用； b.能量用于叶子向周围 环境散热； c.余下的能量转化为热能， 可使623—640克的水分 燕腾，并在光合作用中 形成约1克物质 。
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三种主农业要气象光学第周二章期太阳反辐射应与农类业生型产
对不同日长的几种开花反应
1.日中性植物； 2.相对长日植物； 3.绝对长日植物； 4.绝对短日植物； 5.相对短日植物 (在纵坐标上农数业目气字象学后第面二的章太K字阳辐表射示与这农业些生数产字是任意的)
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4、 根据光长影响植物开花情况对植物的分类 （1）长日性植物。是指只有在光照长度超过
一定临界值（临界光长）时开花，否则即停留在 营养生长状态的植物。例如麦类、豌豆、亚麻、 油菜、胡萝卜等原产于高纬度地区的作物。
（2）短日性植物。是指只有在光照长度短于 一定临界值时开花的植物。如水稻、玉米、棉花 等原产于低纬度地区的作物。
例如在对棉花的观测中发现，在始花期， 早晚的透光率为10%，而正午时透光率可达到 41%。
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2、光在群体中垂直分布规律的数学描述
门司正三和佐伯敏郎（日本），1953年从 实际观测（大田切片法）和理论推算两个方面 建立了光强对叶面积的依赖关系。他们假定： 叶层是由叶片等植物器官所组成的均一介质， 并把比尔（Beer）定律引入到群体中光强垂直 分布的研究，提出了著名的门司—佐伯公式。
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（2）有效光强 ● 植物的光周期反应不需要很强的光强，
几个勒克司的弱光即对光周期反应有效。 ● 几个勒克司的弱光例如曙暮光和路灯,
虽不能使植物进行光合作用，但仍能起到延长 光照长度的作用。
太阳辐射对植物的作用： ● 光合效应 ● 热效应 ● 光的形态效应
光还在相当程度上影响植物的地理分布。
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3、光对植物影响的主要方式 光主要从三个方面对植物产生影响：
● 光长，即光照时间的长短。 ● 光强，即光照的强弱。 ● 光质，即光谱组成的不同。
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（3）中日性植物。是指当昼夜长短的比例 接近于相等时才能开花的植物。如甘蔗等。
（4）中间型植物。指开花受光长影响较小的 植物，又称光期钝感植物。如西红柿、黄瓜等。
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5、临界光照长度（临界光长） 是指引起植物开花的光照长度界限。 长日性植物的开花要求光长不能短于这个 界限长度，而短日性植物的开花要求光长不能 长于这个界限长度。
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门司 — 佐伯公式: I = I0 exp（-kF）
式中，I0为冠层（群体顶部）的光强；I为各层 的光强；k为群体叶层光强衰减系数或群体消光 系数；F为各层次以上部分的叶面积之和。
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群体消光系数k值可用下式求算： k =（-ln(I/I0))/F
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表2.3 叶层的光分布及光强衰减系数 （上海植生所，1959）
层高（cm） I/I0（%）
30
5
40
8
50
13
60
20
70
32
80
48
90
100
平均
—
F 4.06
3.74 2.99 2.37 1.54 1.00 0.30
—
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k 0.74 0.68 0.68 0.67 0.74 0.74
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北半球不同纬度地区昼夜长度的季节变化 农业气象学第二章太阳辐射与农业生产
3、植物光周期现象
（1）植物光周期现象的概念
昼夜光照与黑暗的交替对植物发育（主要是 开花）有显著影响的现象称为光周期现象 （photoperiodism）。植物的开花、休眠和落叶， 以及鳞茎、块茎、球茎等地下贮藏器官的形成 都受昼夜长度的调节，但是，在植物的光周期 现象中最为重要且研究最多的是植物成花的光 周期诱导。
式中， I/I0即透光率。 k值是一个无量纲数，它描述了叶片的
遮阴程度，当上层叶面积大时，k值就大， 光强衰减就明显。
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注意： 实际上，大田内部的情况十分复杂，影响 k值的因素非常多，包括叶片大小、厚薄、表面 光滑度、叶绿素含量以及叶片含水量等影响叶片 反射、透射和吸收的因素；入射光的方向和光谱 成分；叶片角度及群体的结构；季节、天气以及 时间等。因此，K值不是一个稳定的值。
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图2.1 相对总辐射在植被中的分布（翁笃鸣等，1981）
相 100
对 80
油菜
总 60
辐 40
射 20
小麦
%0
100 80 60 40 20 0 相对株高%
（油菜株高158厘米，小麦株高123厘米）
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在实际工作中常用透光率来表征农田中 的透光情况。
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在实际应用中，禾谷类作物K值较稳定， 因而使用平均值代替。
一般地，k值小于1。据门司和佐伯测算， 草中的k值为0.3～0.5，水平叶子作物层中的 k值为0.7～1.0。而中科院上海植生所测得的 水稻叶层的k值在0.67～0.74之间，平均达到 0.71（表2.3）。
透光率：所测高度处的照度与农田上方 照度的比值，用小数或百分数表示，也称相 对照度。
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● 农田中透光率的分布曲线与光强 的分布曲线完全一致，亦随深度迅速递 减，其递减率与叶片的铅直分布关系密 切。
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● 农田中各高度透光率存在着相同的日 变化，由于太阳高度角的改变，中午时透光 率最大，早晚时透光率较小。