農(nóng)業(yè)氣象學第五章

第五章CO2、風與農(nóng)業(yè)消費主要內(nèi)容§1二氧化碳對植物的影響§2農(nóng)田二氧化碳情況及其調(diào)控§3風對農(nóng)業(yè)消費的影響及調(diào)控本章重點：碳循環(huán)、CO2飽和點與補償點等根本概念CO2添加對農(nóng)業(yè)消費的影響及CO2調(diào)控技術農(nóng)田作物群體CO2通量及濃度變化規(guī)律分析本章難點：農(nóng)田CO2濃度變化規(guī)律分析。本章重點與難點§1二氧化碳對植物的影響主要內(nèi)容：●碳循環(huán)簡介●CO2對植物的影響一、碳循環(huán)簡介〔一〕碳循環(huán)的概念碳循環(huán)是指碳素在地球的各個圈層(大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈、巖石圈)之間遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)周轉(zhuǎn)的過程。在漫長的地球歷史進程中，碳循環(huán)最初只是在大氣圈、水圈和巖石圈中進展，隨著生物的出現(xiàn)，有了生物圈和土壤圈，碳循環(huán)便在五個圈層中進展。碳循環(huán)的主要途徑是：大氣中的CO2被陸地和海洋中的植物吸收，然后經(jīng)過生物或地質(zhì)過程以及人類活動干涉，又以CO2的方式前往到大氣中。大氣圈CO2生物圈CO2固定土壤呼吸溶解吸收有機質(zhì)分解交換釋放風化溶蝕固定堆積生物殘體歸還生物有機體歸還堆積固定呼吸分解光合固定植物熄滅徑流攜帶化石燃料熄滅、火山迸發(fā)、巖石風化土壤圈水圈巖石圈碳循環(huán)簡圖碳循環(huán)的主要方式：碳在自然界中的存在方式：碳在生物體內(nèi)的存在方式：碳進入生物體的途徑：碳在生物體之間傳送途徑：碳進入大氣的途徑：CO2；CO2和碳酸鹽；含碳有機物；綠色植物的光協(xié)作用；食物鏈；①生物的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的熄滅因此，假設CO2發(fā)生量變，必然會對碳循環(huán)產(chǎn)生艱苦影響。維護碳循環(huán)正常運轉(zhuǎn)的關鍵是控制CO2的排放量?！捕炒髿庵械腃O2濃度在地質(zhì)歷史時期，碳的流通緩慢，而且不斷在進展堆積，在巖石中積存的碳約達1*1016t，在化石燃料中的碳約積存有1*1013t，這些碳被長期封存地下，從未在短期內(nèi)大量逸出。因此，大氣中的CO2含量是個恒量，或者說接近恒量，從而維持了碳循環(huán)的相對穩(wěn)定和平衡。但自從人類出現(xiàn)以來，特別是工業(yè)革命以來，一系列與碳元素有關的經(jīng)濟活動不斷參與到碳循環(huán)過程中來，其中最主要的活動是熄滅礦物燃料和砍伐森林，結果突破了碳循環(huán)原有的平衡，使大氣中的二氧化碳濃度添加。工業(yè)革命前，大氣中的CO2為280ppm左右。其后不斷添加，增長速度不斷加快。年增長速度：1840～1900年，0.12ppm；1900～1960年，0.34ppm；1960～2000年，1.32ppm。至2000年，全球大氣中的CO2濃度曾經(jīng)到達369ppm。1、大氣中CO2的來源和去向〔1〕大氣中CO2的來源●海洋。它是人類活動影響前大氣中CO2最重要的一個源。據(jù)估算，全球由海洋到大氣的CO2平均凈通量約為4.151*108t(C)/a。●土壤。它是大氣中CO2的另一個重要的源，每年約0.273*108t(C)的CO2由土壤直接進入大氣?！袢祟惢顒?。包括大量運用煤、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料向大氣排放CO2以及破壞植被影響CO2的吸收與同化。有些研討的估算以為，在1850～1950年的100年間，由于人類活動而進入大氣中的碳達1.8*1011t，其中1/3來自化石燃料熄滅，其他2/3那么來源于植被破壞特別是森林破壞，從而影響了大氣碳平衡?！?〕大氣中CO2的去向●生物圈。植物經(jīng)過光協(xié)作用吸收同化大氣中的CO2而構成有機物質(zhì)，從而使CO2進入生物圈。據(jù)估算，陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣中CO2交換的凈通量為4.342*108t(C)/a?！袼?。大氣中CO2溶解進入水圈。CO2+H2O→H2CO3●巖石圈。大氣中CO2經(jīng)過淋溶及化學反響進入巖石圈。H2CO3+Ca++→CaCO3↓+2H+back〔一〕植物對CO2的吸收和利用1、植物吸收CO2的過程〔1〕從大氣經(jīng)過湍流和對流交換保送到葉片附近。這段路程最長，CO2與葉片的間隔以m或cm來計算，該段路程阻力最小。二、CO2對植物的影響〔2〕從葉片周圍經(jīng)過氣孔到達葉肉細胞的外表。間隔不到1cm，此段路程是氣相分散，其阻力的大小首先決議于氣孔阻力的大小，此外CO2分子還要抑制葉片內(nèi)表皮阻力，才干到達葉肉細胞外表。〔3〕從葉肉細胞的外表進入到葉綠體內(nèi)。間隔最短，在1mm以下，在這段路程中，CO2首先要抑制葉肉阻力，其后CO2分子要穿過液相原生質(zhì)，才干到達葉綠體，再進入到葉綠體內(nèi)層的光化學反響中心。所以，CO2在由空氣到葉綠體內(nèi)的物理傳送過程中遭到一系列阻力的影響，包括：●葉片邊境層阻力ra●氣孔阻力rs●葉肉阻力rm〔4〕CO2向葉內(nèi)分散的數(shù)學表達式在這三種阻力的作用下，表達在光協(xié)作用中CO2向葉內(nèi)分散量(Pc)的關系式為：式中，fc為CO2單位換算系數(shù)，即將mg/kg換算為g/cm3CO2的系數(shù)。2、植物對CO2的利用二氧化碳是光協(xié)作用的原料，對光合速率影響很大。從上式可知，植物吸收利用CO2的情況，與周圍空氣的CO2濃度有關，即濃度越大，CO2向葉內(nèi)分散量就越大。但植物的光合速率與CO2濃度并非簡單的直線關系，下面引見兩個重要的概念?！?〕CO2飽和點在輻射能充分滿足的條件下，植物光合速率不再隨CO2濃度添加而增大時的CO2濃度稱為CO2飽和點?！?〕CO2補償點植物光協(xié)作用所同化的CO2與呼吸作用釋放的CO2到達平衡時，環(huán)境中的CO2濃度稱為CO2補償點。各種植物的CO2補償點不同，玉米、高粱、谷子等C4植物的補償點普通小于10ppm稱低CO2補償點植物；小麥、水稻、棉花、大豆等C3植物的補償點為40～150ppm，稱為高CO2補償點植物。多數(shù)植物的CO2飽和點為800~1800ppm，如今大氣中CO2的濃度約為370ppm。大大超越補償點而遠離飽和點，CO2濃度的添加，必定加快光協(xié)作用的強度，添加農(nóng)作物的光合產(chǎn)量，從而加快植物生長?！?〕影響植物同化CO2速率的因子a、種間差別C4植物同化CO2的速率比C3植物大得多。據(jù)測定，在適宜的環(huán)境條件和同樣的光強、CO2濃度下，C4植物的產(chǎn)量要比C3植物高出近一倍。b、光強的影響光強與CO2濃度互為限制因子，假設光強很小，即使二氧化碳濃度較大，光協(xié)作用強度仍不能夠大；反之，假設二氧化碳濃度很小，即使光強較強，也不能使光協(xié)作用到達最大程度。c、溫度的影響在光強和CO2濃度條件得到滿足時，植物同化CO2的速率隨溫度的變化呈拋物線型。d、水分的影響當水分缺乏時，氣孔變狹，減少CO2吸收；同時原生質(zhì)的水協(xié)作用減弱，光合才干降低。而水分過多時植物生長發(fā)育遭到影響，CO2吸收亦會逐漸減弱甚至停頓。e、風的影響風的影響主要包括三個方面。一是空氣流動可不斷地從群體外部向群體內(nèi)部保送和補充CO2；二是加強群體內(nèi)部的湍流交換，把下層葉片以及土壤呼吸放出的CO2帶到光合才干較強的群體上層；三是風速逐漸增大會使CO2分散阻力明顯減小。f、群體構造的影響直立葉片較多的群體，通風、透光情況良好，有利于群體中CO2的分散，對提高群體光合才干及干物質(zhì)積累有利?！捕矯O2濃度添加對作物直接影響的實驗研討1、實驗安裝與設備人工添加CO2濃度也稱為CO2施肥，研討CO2濃度添加對作物影響的實驗安裝主要有溫室、人工氣候箱、氣室和開放式實驗田〔free-airCO2enrichment〕等。人工氣候箱北京利康達圣科技開展消費OTC_1型開頂式氣室1992年由氣科院和解放軍防化院結合設計開放式實驗田指在自在空氣中添加CO2，它擺脫了上述設備小空間、微環(huán)境的影響，直接在自然環(huán)境下進展CO2添加的模擬實驗，因其實驗尺度大，通風良好，光照、溫度、濕度和風等環(huán)境條件非常接近自然農(nóng)田，所以在開放式實驗田中獲得的數(shù)據(jù)更接近于真實情況。CO2氣源a.干冰。價錢昂貴，且降低氣溫。b.CO2發(fā)生劑。碳酸氫銨、碳酸鹽加稀硫酸、石灰石加鹽酸在CO2發(fā)生器中化學反響釋放CO2。本錢較高，平安性差，易呵斥有毒氣體污染。c.工業(yè)尾氣。如化肥廠、酒精廠消費過程中產(chǎn)生的CO2氣體，緊縮于鋼瓶中。運用效果比較理想。d.燃料。熄滅天然氣、石油、煤油等釋放CO2。有污染。2、部分實驗研討數(shù)據(jù)〔1〕CO2濃度添加對作物光協(xié)作用的影響冬小麥：CO2濃度在600ppm之內(nèi)，光合速率P與CO2濃度幾乎是直線關系；春小麥：CO2濃度倍增時，P增大2.569倍；大豆：CO2濃度為500，600，700ppm時，P分別升高80％、143％、205％。〔2〕CO2濃度倍增對作物發(fā)育期和株高的影響從上表可知,CO2濃度倍增使棉花發(fā)育提早8d,冬小麥和大豆分別提早4d和2d,對玉米沒有影響。CO2濃度倍增對冬小麥株高的影響最為明顯,增高量達14cm,其次是棉花和大豆,對玉米影響不大?！?〕CO2濃度倍增對作物生物量(干重)的(g/株)的影響從上表可知,CO2濃度添加,作物生物量隨之添加，但4種作物地下和地上兩部分生物量的增長率并不平衡,玉米和冬小麥根的增長最為明顯,其次為大豆,而棉花根的增長率略低于地上的增長率?！?〕CO2濃度倍增對作物產(chǎn)量〔g/株〕的影響CO2濃度添加,4種作物產(chǎn)量呈添加趨勢,其中大豆增長最為明顯,增長率達67.1%,冬小麥和棉花次之,且增長幅度非常相近,玉米仍最小?！?〕CO2濃度添加對黃瓜生長發(fā)育的影響〔6〕溫室蔬菜施用CO2氣肥后的增產(chǎn)作用3、部分研討結論●提高植物的光飽和點；●能促進植物的光協(xié)作用，添加植物生物量的累積；●能顯著提高C3作物產(chǎn)量，但對C4作物產(chǎn)量的影響較?。弧駥Ω瞪L的促進作用要大于地上部分；●對大多數(shù)作物的物候略有加速?！駮p小氣孔開度，從而降低蒸騰量，提高水分利用率?！駵厥沂卟说亩趸歼m宜施放期隨蔬菜種類及其生育期而異黃瓜、西葫蘆等瓜類蔬菜宜在開花初期開場施放二氧化碳。芹菜等葉菜類蔬菜那么應在封壟后開場施放二氧化碳?！駵厥乙惶靸?nèi)CO2的適宜施放時間在不同季節(jié)有所不同。在深秋和初冬季節(jié),宜在下午收風后施放。在隆冬季節(jié),溫室不放風或放風時間很短,宜在上午11時左右施放。在晚冬和初春季節(jié),放風時間較長,宜將一次施放改為兩次施放,放風前1h施放一次,收風后再施放一次?！駵厥胰斯ぴ鍪〤O2的適宜濃度國內(nèi)外許多學者曾做過大量實驗,但因?qū)嶒灄l件、供試蔬菜和栽培方式等各不一樣,實驗結果有很大差別。多數(shù)學者以為:普通溫室蔬菜生長和產(chǎn)量構成的CO2適宜濃度為600～1500ppm?！踩矯O2濃度添加對農(nóng)業(yè)消費的間接影響●“溫室效應〞將導致氣溫上升，使各地作物生長季延伸，從而使農(nóng)作物種植界限和耕作制度發(fā)生變化?！裨谥芯暥鹊赜?，可減弱低溫對作物的脅迫作用，使產(chǎn)量和質(zhì)量提高?！衲軌蚴购οx數(shù)量大幅度添加，危害期延伸?！衲軌蚣铀俎r(nóng)藥和肥料的分解，降低殺蟲劑和除草劑的效率?！衲軌蚴挂恍┑赜蚋映睗?，而使另一些地域更加干旱?！馛O2濃度添加雖對植物蒸騰有抑制造用，會使植物的水分利用率隨之提高，但它導致的氣候變暖又可使蒸發(fā)量添加，減小水分的有效性，這兩種效應的方向是相反的。-60%-40%-20%0%20%40%60%冬小麥灌溉冬小麥春小麥灌溉春小麥單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，我國種植業(yè)產(chǎn)量能夠會減少5－10％，三大主要作物產(chǎn)量均以減產(chǎn)為主〔溫度升高，旱澇加劇，水短缺等〕我國三大作物產(chǎn)量的變化范圍增產(chǎn)減產(chǎn)§2農(nóng)田二氧化碳情況及其調(diào)控主要內(nèi)容：●時間變化和空間變化●農(nóng)田CO2通量密度及其時間變化●土壤和近地層CO2調(diào)控技術一、時間變化和空間變化〔一〕時間變化1、日變化作物的不同發(fā)育階段，不同時間和地點，農(nóng)田CO2濃度的日變化趨勢是根本一致的。白天CO2濃度隨光協(xié)作用的加強而不斷降低，日落后CO2濃度那么升高，日出前達最大值。晴天與曇天溫室內(nèi)二氧化碳濃度的日變化曲線陰天和晴間多云天氣溫室內(nèi)二氧化碳濃度的日變化曲線2、年變化在北緯30度以北地域的大氣中，從4月至9月，CO2濃度減少3％。且土壤中有機質(zhì)也在不斷分解。大氣中CO2濃度普通在夏末秋初到達最低值，10月到次年3月是一個積累時期，濃度逐漸上升，到冬末春初到達最大值?！捕晨臻g變化CO2濃度的垂直變化由近地氣層CO2被固定和釋放的情況所決議。當?shù)孛娓灿兄脖?，光協(xié)作用旺盛時，二氧化碳被大量固定，二氧化碳濃度隨高度下降而明顯降低，呈光合型。這期間，從地面到16千米高度，二氧化碳濃度均低于320ppm。在光協(xié)作用微弱甚至停頓時，只需土壤及動物呼吸和熄滅等釋放二氧化碳的過程，那么越近地面，濃度越高，呈呼吸型。這期間，從地面到16千米高度，二氧化碳濃度均高于320ppm。二、農(nóng)田CO2通量密度及其時間變化1、計算方法近地層中CO2的垂直通量，決議于湍流分散機制。因此，可以從湍流分散角度來得到農(nóng)田上方CO2的鉛直保送公式，即：式中，qc為鉛直方向的CO2通量；fc為單位換算系數(shù)；kc為CO2湍流交換系數(shù)；為CO2濃度的鉛直梯度。運用桑斯威特-霍爾茲曼公式將上式改寫為：式中，u1、u2和c1、c2分別為z1、z2高度上的平均風速和CO2濃度；?是卡曼常數(shù)，普通取0.4；d為零平面位移；σ為常數(shù)；Ri為理查遜數(shù)，是表征大氣層結穩(wěn)定程度的量。2、時間變化白天，CO2通量密度為正，由大氣指向作物層，從9時至16時維持較大的通量密度，最高值出如今11時左右。夜晚那么相反，CO2通量密度為負，由作物層指向大氣。三、土壤和近地層CO2調(diào)控技術1、土壤CO2釋放的調(diào)理〔1〕原理土壤空氣中CO2濃度遠高于大氣，因此土氣間的濃度差導致了土壤CO2釋放。土壤中CO2的釋放量因土壤溫度、含水量及有機質(zhì)含量不同而有很大差別。因此，可以采取措施改動土壤物理性質(zhì)和環(huán)境條件等以到達調(diào)理CO2釋放量的目的?！?〕主要措施a、松土。添加土壤孔隙度，提高地溫。b、增濕。加強土壤微生物的活動。c、施肥。增施農(nóng)家肥，添加土壤腐殖質(zhì)量，釋放CO2。2、田間CO2濃度調(diào)理a.合理密植，改善田間的通風條件；整枝打葉，使土壤中釋放的CO2盡量被光合機能強的綠色葉片吸收利用。b.種植行向要與當?shù)厥⑿酗L向一致，改善田間通風條件，以有利于CO2隨風進入農(nóng)田。c.栽培時要寬行窄株距，改善群體內(nèi)通風條件，亦可起到提高農(nóng)田中CO2濃度的作用?！?風對農(nóng)業(yè)消費的影響及調(diào)控主要內(nèi)容：●風的影響●防風措施一、風的影響〔一〕有利影響1、風對農(nóng)田小氣候的調(diào)理風能影響農(nóng)田湍流交換強度，加強地面與空氣的熱量和水分等的交換，添加土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，也添加空氣中CO2等成分的交換，使作物群體內(nèi)部的空氣不斷更新，對株間的溫度、水汽、CO2等調(diào)理有重要作用。2、風與光協(xié)作用在低風速條件下，葉片的邊境層變薄，CO2的分散阻力減少，有利于CO2的保送，又能使光合有效輻射以閃光的方式合理分布到葉層中，從而提高光協(xié)作用強度，提高光能利用率。據(jù)測定，在太陽輻射與氣溫根本一樣的前后兩天，有風的一天玉米干物質(zhì)的增長量比無風的一天大40％。3、風對花粉、種子傳播的影響自然界中的許多植物是借助風的力量進展異花授粉和傳播的，風速的大小會影響授粉效率和種子傳播間隔，從而對植物的繁衍和分布起著較大的影響作用。在作物(如油菜)和果樹開花時，風能散播花的芳香，招引昆蟲教授花粉。風能傳播種子，如杉樹種子靠風力傳播到遠處，擴展繁衍生長區(qū)域?！捕巢焕绊?、大風對作物的危害風力在6級以上就可對作物產(chǎn)生危害。風速＞17m／S(8級以上)的風稱為大風，它對農(nóng)業(yè)危害很大。大風加速