第4讲：作物生产潜力

太阳总辐射（Rg）= 24 MJ m-2 d-1
总生物量（W）= 5000 kg DM ha-1 叶面积指数（LAI）= 4 消光系数（K） = 0.65 CO2同化效率（E） = 70 kg CO2 ha-1/(MJ m-2) 太阳辐射反射率（） = 0.1 碳水化合物转化为干物质系数（CVF）= 0.7 kg DM kg-1

E = 作物CO2同化效率 适宜温度条件下，C3和C4作物在生长发育期的最大 E值分别为70和90 kg CO2 ha-1/(MJ m-2)
作物吸收的有效光
Iabs = 作物吸收的有效光（MJ m-2 d-1） = 作物太阳辐射反射率（0.1 - 0.2）
Rg = 太阳总辐射（MJ m-2 d-1）
W 30 CVF Ag Am t 44
CVF = 碳水化合物转化为干物质系数（kg DM kg-1 CH2O）， 与作物类型有关（淀粉、蛋白质和脂肪含量），如谷类作物 = 0.7，豆类 = 0.65，油料作物 = 0.5
4. 例子: 基本数据
气温（T）= 22 º C
1. 基本概念：补偿点、饱和点
•
-
光补偿点和饱和点
光补偿点：叶片的光合速率与呼吸速率相等，即净光合速率为零时的光照 强度 光饱和点：光合速率开始达到最大值时的光照强度
•

CO2补偿点和饱和点
CO2补偿点：叶片的光合速率与呼吸速率相等时，外界环境中的CO2浓度 CO2饱和点：光合速率开始达到最大值时的CO2浓度
3. 作物产量的限制因素：水
水分是光合作用的主要原料之一和植物体的主要成 分（70-90%）。缺水会使： – 气孔导度下降，导致进入叶肉内的CO2减少，光合速 率降低 – 光合产物输出变慢在叶片中积累光合作用产生反 馈抑制 – 光合机构受损光合速率下降 – 叶片死亡光合面积减少
3. 作物产量的限制因素：养分
(H c H a ) 扩散力 T k 扩散阻力 re rs
• 蒸腾受光照、大气湿度、温度、风速和土壤条件影响。
• 水分利用率（WUE）：指每形成1公斤干物质作物蒸散 的水分，又称蒸散率，可表示为：WUE = W / T
对某一作物而言，作物蒸腾量(T)和CO2同化量（Ag)的 比值TAR=T/Ag (kg H2O kg-1 CO2) 基本是不变的
最低温度
小麦 玉米 3–5º C 8 – 10 º C
最适温度
20 – 22 º C 30 – 32 º C
最高温度
30 – 32 º C 40 – 44 º C
温度影响光合速率和生育期长度
净光合率 到开花期日数
C4作物
C3作物
3. 作物产量的限制因素：水、养分 对作物生长的影响符合Liebig的最大限制 因素法则，即作物产量决定于水肥 （NPK)等生长要素亏缺最重的一个
4. 作物生长的减产因素
• 病虫害：降低作物叶片的光合能力 • 杂草：与作物竞争光、热、水和养分
• 污染物：重金属；SO2，氮氧化物（NO2, NO）
等，进入叶肉组织，很容易被吸收，破坏叶 绿体
5. 作物生长条件与产量水平
1）潜在生长条件 — 潜在产量 • • 水分、养分充分供应，无病虫害、杂草危害 作物生长和产量仅决定于太阳辐射、温度和
= 86.2 kg CH2O ha-1 d-1
生长呼吸消耗: (1 - 0.7) * [(30/44) * 700 – 86.2)]
= 117 kg DM ha-1 d-1
作物生长率：
W t
= 0.7 * [(30/44) * 700 – 86.2)] = 274 kg DM ha-1 d-1
k = 作物消光系数（多在0.4 - 0.7）
LAI = 作物叶面积指数
2. 维持呼吸消耗 维持呼吸消耗（Am, kg CH2O ha-1） 维持呼吸消耗与要维持的总生物量有关
Am MC W
• • • W = 总生物量（kg DM ha-1） MC（kg CH2O kg-1 DM）是维持系数，即维持作物 的正常生长需要消耗的碳水化合物量 在气温 20 º C 时，谷类作物的 MC = 0.015 ，豆类 = 0.025，油料作物 = 0.030，在其他温度时，需要进行 温度校正（TC）
C3和C4植物：根据COwenku.baidu.com被同化的途径/最初产物区分的
C3植物在光合作用过程中产生3个碳原子化合物的植物，包括大部分树木 和农作物 C4植物在光合作用过程中产生4个碳原子化合物的植物，包括许多种类的 草和部分农作物如玉米、谷子和高粱等
2. 作物产量的决定因素：作物性状
• • 作物生理性状：如CO2的同化能力、生育期长度、收获 指数、叶面积指数，等等； 作物类型： C3 和 C4 作物（见下表）；谷类作物、根茎 作物、豆科作物、油料作物。
• 用re, rs, ri, rm分别表示扩散层阻力、气孔阻力、叶肉阻力和 羧化阻力，ca和cc分别为大气和叶绿体基质中CO2浓度，k为 系数，则CO2的流通速率P（光合速率）可表示为：
k (ca cc ) P re rs ri rm
2. 作物产量的决定因素：温度
三基点温度：低温导致叶绿体结构破坏和酶的钝化，影 响光合作用；高温下光呼吸和暗呼吸加强，净光合速 率下降。 小麦、玉米三基点温度（来源：略）
1. 基本概念：呼吸作用类型
•
-
暗呼吸：在光照和黑暗中都可以进行（生活细胞）
维持呼吸：维持生物器官的正常功能（如新陈代谢） 生长呼吸：将碳水化合物转化为作物的结构性物质（纤维素、 蛋白质、脂肪等）
•
光呼吸
– – – 植物的绿色细胞在光下吸收O2，放出CO2的过程 与光合作用密切相关：光强、温度和氧含量提高增加光呼吸； CO2浓度提高减少光呼吸 仅发生在C3作物，可占同化量的35%，造成作物生长率降低
产量(t ha-1)
5.94 6.55 7.87 9.47
收获指数
0.34 0.36 0.45 0.53
株高(cm)
145 134 96 78
6. 提高作物产量的途径：提高经营管理
• 提高光合能力
– 温度调控（秸秆覆盖、塑料薄膜、温室等） – 提高CO2浓度：深施碳铵、增施有机肥、秸秆还田等， 增加作物冠层的浓度
CH2O 计算净光合率（作物生长率）
例子: 解答
吸收的总有效光：Iabs = 0.5 * (1-0.1) * 24 * [1-e-(0.65*4)]
= 10 MJ m-2 d-1
总同化量：Ag = 70 * 10 = 700 kg CO2 ha-1 d-1 维持呼吸消耗：Am = 0.015 * 2[(22-20)/10] * 5000
光 能 利 用 示 意 图
2.3%
C3 作 物 温 带 荷 兰
光呼吸
维持呼吸
生长呼吸
C3和C4植物光合效率对比
四、作物限制产量
1. 水分限制产量 2. 养分限制产量
1. 水分 限制产量：基本概念
• 蒸腾速率T：单位叶面积上单位时间内散失的水量
– 用re,rs分别表示扩散层阻力和气孔阻力， – Hc和Ha分别为大气和气孔中水汽湿度，则T可表示为：
温度（T）校正系数TC
TC Q
T Tref 10 10
Q10一般等于2 Tref = 20 º C（温带，C3作物） Tref = 25 º C (热带， C4作物）
3. 潜在生长率
潜在生长率（ W ，kg DM ha-1 d-1）
t
等于总同化量减去维持呼吸和生长呼吸消耗
第五讲 作物生产潜力
吕昌河
中科院地理科学与资源研究所
Email: luch@igsnrr.ac.cn
电话：64889110
讲课内容
一． 作物生产潜力的定义与研究意义 二． 作物生长因素和产量水平 三． 作物潜在生长率
四． 作物限制产量
五． 作物模拟模型及其应用 六． 土地人口承载力与案例
七． 思考题
1. 基本概念：光合作用 可见光 H2O + CO2 +光能
• 作物吸收可见光，将 CO2 和水同化为 碳水化合物，释放出氧气：全球每年 合成有机质约 500 亿吨，同化碳素约 200亿吨，释放氧气535亿吨 • 大多数高等植物的光合产物是淀粉； 但洋葱、大蒜等的产物是葡萄糖和果 糖，小麦、蚕豆是蔗糖
作物 类型 主要作物 CO2补偿 点 光呼吸 （占CO2 同化量） 最大单叶光合能力 （kg CO2 ha-1 h-1）
C3作物 小麦、水稻、油菜、 50 ppm 大豆、土豆、蔬菜
C4作物 玉米、谷子、甘蔗 10 ppm
20-40%
无
40（20-50）
70（50-80）
2. 作物产量的决定因素：光照
• 养分是植物细胞结构物质的组成成分
• 氮：蛋白质的主要成分（16-18%）；氮过多不利于同 化物向子粒分配，缺氮则引起叶功能早衰
• 磷：促进光合作用和有机物的运输，促进蔗糖合成
• 钾：促进糖分转变成淀粉；有利于有机物运输
植物体除了已构成细胞壁的物质外，其他物质都可以被转移到 其他组织或器官中去。当叶片衰老时，大部分的糖和NPK都 要就近转移到新生器官。如小麦叶片衰老时， 85% 的氮、 90%的磷要转移到穗部。
• 光照：光和作用的能量来 源，形成叶绿素的必要条 件；影响光和作用的重要 因素 • 光强-光合曲线：光补偿点、 光饱和点
• 一般来说，光补偿点高的 植物其光饱和点也高：草 本>木本植物；C4>C3植物； 阳生>阴生植物
不同作物的光合曲线
光 合 速 率
有效光强
2. 作物产量的决定因素：CO2浓度
• 增加光合面积：合理密植 • 延长光合作用时间：提高复种指数、延长生育期 • 灌溉、施肥、病虫害防治 • 耕作、清除杂草，等等
三、 作物潜在生长率
1. CO2总同化量 2. 维持呼吸消耗
3. 潜在生长率
4. 例子
1. CO2总同化量 CO2总同化量（Ag，kg CO2 ha-1d-1）
Ag E I abs
4）实际生长条件 — 实际产量
• 作物生长受到减产因子病虫害、杂草以及气象灾害等 的影响
产量水平图示
6. 提高作物产量的途径：改良作物品种
• 提高叶面积指数 • 降低植株高度，提高收获指数 新老小麦品种性状对比
品种
很老 老 较新 现代
地上生物量（t DM ha-1）
15.0 15.4 14.8 15.9
（PPM)
CO2光合曲线：CO2补偿点和饱和点
2. 作物产量的决定因素：CO2浓度
• C4植物的CO2补偿点 和饱和点均低于C3
光 合 速 率 C4作物
植物
• 增加CO2浓度可提高
C3作物
植物的光合能力，尤 其对C3植物效果明 显
CO2的供应
re rs ri rm
• 大气气孔叶肉细胞间隙叶肉细胞原生质叶绿体基质
CH2O + O2
• 幼龄叶片除糖类外还形成较多蛋白质
1. 基本概念：呼吸作用
释放化学能
C6H12O6 + O2
6 CO2 + 6H2O
• 生物细胞内的有机物，在一系列酶的参与下，逐步氧化 分解成简单物质，并释放能量的过程。 • 为生命活动提供能量：植物对养分和水的运输、有机物 的合成、细胞分裂与生长等 • 为有机物质合成提供合成原料：分解过程中的中间产物 如α-酮戎二酸、苹果酸等可为合成糖类、脂类、氨基 酸、蛋白质等的原料
有效光
潜在蒸腾量 实际蒸腾量 实际与潜在蒸 腾量的比
潜在生长率
实际生长率
水分限制条件下，实际CO2同化量的计算 • 水分对CO2同化量的影响可通过下式计算: A = (Ta/Tp) • Ap.
作物性状
2）水分限制生长条件 — 水分限制产量 • 在作物生长季节至少部分阶段出现缺水，作物生长受 到影响 • 在无灌溉、无病虫害和杂草危害，以及养分充分满足 的条件下，作物可能实现的产量，称为雨养潜力。 3）养分限制生长条件 — 养分限制产量
• 作物生长受到养分或同时水分短缺的影响，但无病虫 害、杂草危害；养分通过土壤或固氮作物提供。
一、 作物生产潜力的定义与研究意义
• 定义
– 在特定的自然条件下，作物可能实现的最大 产量。
• 意义
– 食物安全 – 可持续农业设计 – 人口承载能力
二、作物生长因素和产量水平
1. 基本概念
2.
3. 4. 5. 6.
作物产量的决定因素：光、CO2、温度
作物产量的限制因素：水、养分 作物产量的减产因素：病虫害、杂草、污染物 作物生长条件与产量水平 提高产量的途径