农业气象学第二章

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
本章重点与难点
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。
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。
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。
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。
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）。
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 50 60 70 80 90 平均 8 13 20 32 48 100 — F 4.06 3.74 2.99 2.37 1.54 1.00 0.30 — k 0.74 0.68 0.68 0.67 0.74 0.74 0.71
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）。
北半球不同纬度地区昼夜长度的季节变化
3、植物光周期现象
（1）植物光周期现象的概念
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。
§1 光的生物学意义与植物的光学特性
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
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
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。
§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
群体消光系数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。
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
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。
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
4、研究太阳辐射与农业生产的重要意义
● 绿色植物通过光合作用所合成的物质约占
其干重的90～95%；
● 太阳辐射能投射到植物体上真正为植物所
利用进行光合作用部分却很少。光能利用率低。
因此，提高作物的光能利用率是农业生产中
的一个十分重要的课题，当然也是农业气象学的 主要任务之一。
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。
● 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 +
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 。
（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 反射率 透射率 吸收率 光合有效辐射
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。
三种主要光周期反应类型
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 (在纵坐标上数目字后面的K字表示这些数字是任意的)
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。
（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。
（3）光周期诱导中光期与暗期的作用 自然条件下，一天24h中是光暗交替的，即 光期长度和暗期长度互补。所以，有临界日长就 会有相应的临界暗期（critical dark period）， 那么，是光期还是暗期起决定作用？许多试验表 明，暗期有更重要的作用。
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
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）。
图2.1 相对总辐射在植被中的分布（翁笃鸣等，1981）
相 100
对 80
总 60
油菜
辐 40
射 20 小麦
% 0
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。
2、光的生物学意义 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。 各种辐射波段对植物的重要性见表2.1。
表2.1 辐射波段及其对植物生命活动的重要性
占太阳 辐射能 （% ） 0 ～4 对植物生命的效应 热效应 不重要 光合 效应 不重要 形态 效应 中 等
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。
（2）光周期现象的发现
有人提出暗长积量的概念，即将光照阶段内
每日暗期时间之和称为暗长积量，认为满足
所需的暗长积量，作物才能完成光照阶段。
7、光周期性形成与生态条件
● 植物光周期性的形成与原产地发育期间
自然光照的绝对长度和它的变化趋势有着密切 的关系。
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。
（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。
切。
● 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。
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%。
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：
辐 射 波 段
光谱区
紫外线
290～380
光合有效辐射
近红外辐射
380～710
710～4000
21～46
50～79
重
重
要
要
重
要
重
要
不重要
不重要
长波辐射
3000～10000