作物的产量潜力

– 光温生产潜力分布呈现明显的纬度地带性； – 订正后，与实际产量水平的差异缩小； – 西部的干旱、半干旱地区的光温生产潜力仍与实际
生产潜力有较大差异。
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西部的干旱、半干旱地区的光温 生产潜力仍与实际生产潜力有较 大差异。
可见，光温生产潜力仍然不能排 除水分的影响，所以，还必须把 水资源考虑进来。
• 我国年光合生产潜力的分布——
– 最高的是青藏高原，大部分地区光合生产潜力 在150 t/hm2左右；湖南，大部分105 t/hm2，湘 西90 t/hm2
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• 光合生产潜力与实际情况差异很大!!!
– 西部潜力高于东部，而实际情况与之相反 – 光合生产潜力与实际产量距离很大
• 实际生产中，有相当一部 分潜力没有发挥出来；
（2）总量子数→有效光量子数： 4320×（1－8.33%－10%）=3528 µE/cm2·d
条件——太阳总辐射为2093.4 J/cm2·d，光量子数在每 焦耳总辐射中的估计值为2.064µE，群体反射5%~ 10%， 非光合色素吸收10%
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（3）有效光量子数→生产的（CH2O）：
3528µE/cm2·d÷10=353 µmol/cm2·d
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– 我国除海南岛全部和广东、云南和台湾的部分 地区外，均有霜冻出现。
– 东北无霜期100~150天，华北200天，长江流域 250天，华南300天以上。
– 因此，我国多数地方的温度有效系数T＜1。
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• 用温度有效系数T对光合生产潜力进行订正后， 发现——
– 光温生产潜力普遍低于光合生产潜力，东北与青藏 高原衰减较多；
– 发现光合生产潜力远大于现实生产力。 – 原因：光合生产潜力会受到温度、水分等环境
因子的削减。
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• 探讨作物产量潜力的步骤
–太阳辐射与光合生产潜力 –温度资源与光温生产潜力 –水资源与光温水生产潜力
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1、太阳辐射与光合生产潜力
• 光合生产力——是植物把太阳能转化为化学能， 并形成干物质的能力，是产量形成的基础。
高原和东北地区主要是低温 – 气候-生物生产潜力与实际生产力变化趋势相一致，可作
为确定产量目标的依据
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• 高亮之（1984）在考虑温光水资源的基础上，计算了我国不 同生态区域的水稻最高现实生产力（近期可争取达到的生产 力）——
• 单季早稻潜在生产力可达16875~18375 kg/hm2(1125~ 1225 kg/mu)，双季稻潜在生产力可达15000~18375 kg/hm2 (1000~1225 kg/mu)，单季稻潜在生产力可达16125~26625 kg/hm2 (1125~1775kg/mu)，均较现实生产力高80%~90%
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• 因此，要提高作物的光合生产力就必须从作物群 体、个体、器官、组织、细胞、细胞器、分子等 各个水平上加以研究，包括光能的捕获、电子传 递、CO2固定与同化、呼吸、光合产物种类、运 输与分配等及其相互联系，从中找出限制因素， 进行遗传改良与环境调控。
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• 光合生产力的上限的计算过程——
（1）太阳总辐射→总量子数： 2093.4 J/cm2·d×2.064µE=4320 µE/cm2·d
（4）生产的（CH2O）→净生产（CH2O）：
353×（1－0.33）=237 µmol/cm2·d
（5）净生产（CH2O）→净干物质生产量：
237 µmol/cm2·d×30 g/mol=7110 µg/cm2·d
量子转化率为还原1个CO2分子需要10个光量子，呼吸损失33%
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• 即在太阳总辐射为2093.4 J/cm2·d的地区，其光合生产潜 力为7110 µg/cm2·d。也就是说每焦耳太阳辐射可生产净干 物质3.344 µg。
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㈣ 改善栽培环境和栽培技术
–改善栽培环境
• 措施：改善土壤结构、质地、理化性质和通气条 件，改善土壤养分、水分条件等；
• 目的：通过这些措施来影响作物LAI、LAD和光合 效率等。
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–改进栽培技术
–目的1——增加光能截获量
措施——合理密植、合理施肥与灌溉等。 实现途径——
–A、塑造合理的叶面积动态走势(前期扩展快，中后 期达到一个最适LAI，后期下降缓慢)；
– 在解剖结构和形态学水平上，应高度重视叶色、 叶形、叶片厚度、叶角等。光合速率与比叶重、 气孔密度呈显著正相关。
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㈡ 提高作物群体的光能截获量
– 提高光合效率与提高作物群体的光能截获量是提 高作物群体的光能利用率的两条途径；
– 光合效率高而光能截获量少，也不可能提高作物 群体的光能利用率。
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– 作物群体的光能截获量与太阳辐射在冠层内的 吸收、反射、透射和漏射有关，影响作物群体 的光能截获量的因素主要有：
– 降水－去蒸发力＞当地径流深度时，W ＜ 1，表示过 湿润，过湿润会限制光温生产潜力的发挥
与光温生产潜力相比，光温水生产潜力更接近实际生产力
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• 通过光、温、水资源与作物产量潜力的分析， 得如下结论：
– 我国广大地区光照条件较好，光合生产潜力高，西部地 区产量水平较低但光资源比东部好
– 东部地区温度、水分与光照条件配合协调，生产潜力高 – 限制光合生产潜力的因子，西部主要是水分不足，青藏
• 光合生产力是最大的生产力。据测算，目前地球 上所消耗的能量仅仅是光合作用所提供的能量的 1/10。
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• 光合生产力的形成涉及与光合作用有关的生理生 化过程以及包括光合源、库、光合产物转运与分 配、碳氮代谢等复杂的体系。
• 这个复杂体系可以概括为：基因×环境→光合表 现→作物生产力。含义：遗传因子与环境互作下 的光合生产力就是作物生产力。
– 作物的每一个生命活动过程都限制在一定的温 度范围内，并有最低、最适、最高温度界限， 只有在最适温度下，作物生长发育良好。
– 影响作物的3个温度：气温、土温、水温。
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• 衡量一个地区热量资源的主要指标：积温和无霜期
– 积温：作物要完成某一个生育时期或整个生命周期， 必须要达到一定的热量积累，生产上一般用积温来 表示，≥0℃ （活动积温）或≥10℃（有效积温）。
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最高现实生产力可否实现？
• 通过品种改良和栽培技术改进，是可以实 现这个目标的。
• 实际上，水稻、小麦、玉米等都已经有了 一些高产记录，能够达到1000~1200 kg/mu。
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二、提高产量潜力的途径
• 总的途径是：通过遗传改良提高作物光合效率，采用先进 的栽培技术措施，改善栽培环境，提高群体光能利用率
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实现途径—— – A、改进种植方式（采用宽窄行等），改 善通风条件，促进外界CO2及时补充到群 体中来； – B、人工增加群体中的CO2浓度（增施 CO2肥，如灌溉水中加CO2、增施有机肥、 施碳酸氢铵）。
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思考题
1、如何提高作物的产量潜力？
THE END
• LAI（叶面积指数）、LAD（叶面积持续时间）、 叶面积在垂直空间的分布、叶倾角
– 一般上部叶直立、旋转，而下部叶片略平展的 群体光能利用率高，可达90%以上。
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㈢ 降低呼吸消耗
– 正常的呼吸作用是必要的，呼吸作用消耗光合产 物30%左右或更高；
– 不良的环境条件使呼吸作用增强，造成光合产物 消耗过多；
提高作物群体 的光能截获量
降低呼吸消耗
遗传改良提高 光合效率
改善栽培环境 和栽培技术
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㈠ 遗传育种与提高光合效率
–通过遗传改良来提高光合效率是一个很复杂的 问题。因为光合形状的表现涉及到形态、解剖 结构、生理生化代谢以及酶系统等各个层次。
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– 在生理水平上，遗传改良的重点是：改变光合 色素的组成与数量，改造叶片的吸光特性，提 高光饱和点，缓解光合抑制；改变CO2固定酶， 提高酶活性及对CO2的亲和力；
• 此时，光能利用率为 7110 µg ÷30 g/mol 237 µmol ×468.922 kJ/mol 111.1 J ÷2093.4 J =5.3%
（注：1molCH2O的产热量为468.922 kJ ）
• 实际生产中的光能利用率仅为0.5%~1.5%。
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• 一种简单的年光合潜力估算方法(黄秉维，1985)： Pf=0.123 Q
第三节 作物的产量潜力
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• 潜在生产力
– 在充分理想条件下，作物所能形成的产量，或者 说作物产量潜力得到充分发挥时所能达到的产量， 叫作物的潜在生产力或理论生产力。
• 现实生产力
– 在具体的生产条件下所能形成的产量，叫现实生 产力。
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一、温、光、水资源与作物产量潜力 • 1960s，研究者开始探讨作物生产力
(Pf即干物质生产量，斤/亩；Q即年总辐射量，cal/cm2)
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• 经过估算，我国各地年总辐射量在355~837 kJ/cm2之间，一般西北多于东南，高原多于平原 – 青藏高原＞753，华北、东北＜586，长江中下 游＜500，华南沿海500以上，贵州中北部、湘 鄂西＜420，四川盆地＜370
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3、水资源与光温水生产潜力
• 水是作物生命活动的基础
– 在生理上，水构成植株鲜重的70%~90%，水是光 合作用的原料，同时是物质运输、根系吸收矿物质 以及所有生化过程的介质。
– 在生态上，水分可以调节田间小气候（温度、湿度、 土壤养分的有效性）。
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光温水生产潜力公式
• 孙惠南（1985）提出了水分有效系数（W），用 于订正光温生产潜力。W=降水/蒸发力。W≤1。
–B、通过间套作提高复种指数，避免耕地裸露。
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– 目的2——提高光合效率
措施——
– A、确保充足的养分与水分供应； – B、确保CO2的供应。空气中CO2浓度在300