(農(nóng)業(yè)氣象學原理)第五章二氧化碳、風與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

1、第五章 二氧化碳、風與農(nóng)業(yè)生產(chǎn),§1 二氧化碳對植物的影響§2 農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控§3 風對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控,1,本章重點與難點,本章重點： 二氧化碳飽和點與補償點等基本概念， 碳循環(huán)、二氧化碳與光合作用、二氧化碳 增加對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、群體二氧化碳通 量及濃度變化規(guī)律等分析，二氧化碳調(diào)控 技術。 本章難點： 農(nóng)田二氧化碳變化規(guī)

2、律分析。,2,§1 二氧化碳對植物的影響,一、大氣中CO2濃度及碳素循環(huán) 1、大氣中的CO2濃度及其長期演變趨勢 工業(yè)革命前（1750～1800年）：280μL/L。其后不斷增加，增長速度不斷加快。年增長速度： 1840～1900年，0.12μL/L； 1900～1960年，0.34μL/L； 1960～1990年，1.26μL/L。 至1991年全球大氣中的CO2濃度已達3

3、55μL/L。 多數(shù)學者認為到2025年 ，大氣中CO2濃度可達380～470μL/L，全球?qū)⒁驕厥倚鰷?.5～4.5℃。,3,2、碳素循環(huán) （1）大氣中的源和匯 a、大氣中的CO2的源 ● 海洋。它是人類活動影響前大氣中CO2最重要的一個源。全球由海洋到大氣的CO2平均凈通量約為 4.151*1014 g(C)/a。 ● 地幔（土壤）。它是大氣中CO2的另一個重要的源，每年約有0.27

4、3*1014g(C)的CO2由地幔直接進入大氣。,4,● 人類活動。包括大量使用煤、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料向大氣排放CO2以及植物破壞。 有些研究報告的估算認為，在1850～1950年的100年間，由于人類活動而進入大氣中的碳達到1.8*1011T，其中1/3來自化石燃料的燃燒，其余2/3則來源于植被特別是森林破壞影響大氣碳平衡的結果。,5,● 減緩全球變暖措施之一？封存CO2 丹麥一家火力發(fā)電廠

5、正在努力回收 CO2，將其儲存在4個地點，其中一處是距西班牙海岸不遠的一個廢棄油田。 挪威一家能源公司每年從斯萊普納天然氣田中抽取100萬噸CO2，將其注入北海海底的鹽堿層內(nèi)。,6,b、大氣中CO2的匯 ● 生物圈。其機制主要是植物通過光合作用吸收大氣中的CO2而形成有機物質(zhì)，陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣中CO2交換的凈通量為4.342*1014 g(C)/a。 ● 水圈。大氣中CO2溶解進入水圈。

6、 CO2+H2O → H2CO3 ● 巖石圈。大氣中CO2淋化進入巖石圈。 H2CO3+Ca++ → CaCO3↓+2H+,7,（2）碳素循環(huán) a、陸地碳的循環(huán)過程,8,大氣中CO2的貯量大約是7000*108t，而每年大約200～ 300*108tCO2為光合作用所利用，另有1000*108t CO2是以碳酸鹽形式流入海洋，光合作用所消耗的CO2總量不到碳酸鹽途徑的1/3。而從生物圈中的碳循

7、環(huán)過程看，綠色植物的光合作用是推動碳循環(huán)的主要原動力，而且只有CO2形態(tài)的碳才能進入碳循環(huán)。,9,對整個地球而言，二氧化碳在高緯度及兩極地區(qū)水溫低的海洋中溶解度高于低緯及赤道地區(qū)水溫高的海洋。因此，寒冷海洋大量吸收大氣中的CO2 ，并通過深層“寒流”再輸送到熱帶地區(qū)，從而完成了全球水陸CO2的循環(huán)。,10,b、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán) 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)如下圖所示。,11,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)可表示為： 碳平衡(Bi

8、) = 吸收量(Ui) - 排放量(Ei) = 固定量(Fi) + 轉(zhuǎn)移量(Ti)式中，i為年度。 由上式可知，如果 Bi > 0 ,則 Ui > Ei 或Fi + Ti > 0 ，說明系統(tǒng)周年內(nèi)有了一定的碳積累，即固定于系統(tǒng)中，對大氣而言吸收多于排放，為碳之匯，反之則為碳之源。,12,二、 CO2對植物的影響,1、植物對CO2的吸收和利用 （1）植物吸收CO2的過程

9、 a、從大氣通過湍流和對流交換輸送到葉片附近。這段路程最長 ，CO2與葉片的距離以m或cm來計算，該段路程阻力最小。 b、從葉片周圍通過氣孔到達葉肉細胞表面。距離不到1cm，其阻力大小首先決定于氣孔阻力的大小，此外CO2分子還要克服葉片內(nèi)表皮阻力，才能到達葉肉細胞表面。,13,C、從葉肉細胞表面進入到葉綠體內(nèi)。距離最短，在1mm以下，在這段路程中，CO2首先要克服葉肉阻力（約為2～10 s/cm)，其后CO2

10、分子要穿過原生質(zhì)液相，才能到達葉綠體.,14,在這三種阻力的作用下，表達在光合作用中CO2向葉內(nèi)擴散量(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.CO2 /cm3的系數(shù) ，等于1.97*10-9。其中，葉綠體中CO2濃度在光合作用活躍時可能是很小的,因此，上式可近似地寫成：,15,（2）CO2飽和點與補償點a、CO2飽和點 在輻射能充分滿足的條件下，植物的光he速率不再隨CO2

11、濃度增加而增大時的CO2濃度稱為CO2飽和點。 5～10lx光強時，植物的CO2飽和點一般為800～1800μL/L。,16,b、CO2補償點 植物光合作用所消耗的CO2與呼吸作用釋放的CO2達到平衡時，環(huán)境中的CO2濃度稱為補償點。 ● CO2補償點時的光合速率等于零。 ● CO2補償點是了解和衡量作物光合作用與呼吸作用兩者關系的一個重要生理指標。 玉米等C4植物的CO2補償點為0～10

12、μL/L； 小麥等C3植物的CO2補償點為40～100μL/L。 ● CO2補償點還與作物發(fā)育和環(huán)境條件有關。,17,（3）影響作物同化CO2速率的因子 a、種間差異 C4植物同化CO2的速率比C3植物要大的多。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)量比C3植物高出近一倍。 b、光強的影響 光強、CO2濃度與光合作用之間關系：,18,式中，P為光合作用強度；

13、DC(Max)為光達到飽和且CO2為某一濃度時的植物同化CO2速率；a為常數(shù)。 c、溫度的影響 在光強和CO2濃度條件得到滿足時，光合作用強度隨溫度的變化呈拋物線型。顯然，作物同化CO2的速率受溫度的影響也存在著同樣的關系。,19,d、水分的影響 水分含量的多少通過氣孔開度的大小來影響作物同化CO2的速率。 當水分不足時，氣孔變狹，減少CO2吸收；同時原生質(zhì)的水合作用減弱，光合能力降低 。而水分

14、過多時 CO2吸收亦會逐漸減弱甚至停止。 因此，正常的CO2交換只有在水分供應適宜時進行，其范圍較窄。,20,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)部輸送和補充CO2；二是加強群體內(nèi)的湍流交換，把下層葉片和土壤呼吸放出的CO2帶到光合能力較強的群體上層；三是風速逐漸增大會使CO2擴散阻力明顯減少。 f、群體結構的影響 直立葉片較多的群體，通風、透光情況良

15、好，有利于群體中CO2的擴散，對提高群體光合能力及干物質(zhì)積累有利。,21,2、CO2濃度增加對作物的影響 （1）直接影響 a、實驗裝置 人工模擬CO2增加對作物影響的實驗裝置主要有溫室、人工氣候箱、氣室和開放式試驗田塊等。 氣室在近百年的發(fā)展中，其結構發(fā)生了很大的變化，主要有三個發(fā)展階段： 密閉式靜態(tài)氣室； 密閉式動態(tài)氣室和； 開頂式氣室。,22,b、直接影響 FACE（

16、free-air CO2 enrichment）試驗開展的十多年中，CO2濃度升高對作物的主要影響結果： ● 促進了植物的光合作用，增加了其生物量的累積； ● 顯著提高了C3作物產(chǎn)量，但對C4作物產(chǎn)量的影響很小； ● 降低了C3和C4作物的氣孔導度，非常顯著的提高了所有作物的水分利用率；,23,● 對植物生長的促進作用在水分不足與水分充足時二者相當或前者大于后者； ● 對非豆科植物生長的促進作用

17、要受到土壤低氮水平的限制 ，而對豆科植物則不受氮肥水平限制； ● 對根系生長的促進作用要大于地上部分； ● 對多年生植物氣孔導度的影響較少，但對其生長的促進作用仍然很高；,24,● 降低了植物體內(nèi)的氮含量，但作物體內(nèi)碳水化合物及某些其它含碳化合物含量增加 ，且葉部含量要明顯高于植物其它器官； ● 對大多數(shù)作物的物候略有加速； ● 對某些土壤微生物具顯著影響，對有些則無，但都增加了微生物的活性

18、； ● 土壤對大氣CO2的固定量增加。,25,（2）間接影響 主要是通過CO2濃度增加引起全球氣候變化，從而對全球農(nóng)業(yè)生物產(chǎn)生影響。 氣候效應主要包括兩個方面： 一是溫室效應即導致氣溫升高； 二是氣候變暖導致內(nèi)陸地區(qū)降水減少，蒸發(fā)加大。,26,未來氣候變化對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響： a、氣溫升高可導致熱量增加，無霜期延長，在不考慮水分缺乏的前提下，可使現(xiàn)行的作物種植北界北移，復種指數(shù)可

19、望提高，糧食總產(chǎn)可望增加。也可使現(xiàn)有主要作物品種生育期縮短，高溫危害加劇，病蟲害危害程度增強，產(chǎn)量降低。 b、氣候變暖會導致內(nèi)陸地區(qū)降水減少、蒸發(fā)加大，使作物產(chǎn)量降低。還將加劇內(nèi)陸地區(qū)的干旱化趨勢，使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性增加，農(nóng)牧過渡帶南移。,27,§2 農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控,一、植被層中CO2平衡 植被層中CO2平衡方程式為： qa= Rx+ Rk+ Rm- Pc式中，qa為植被層上方

20、的CO2通量；Rx為作物地上部分呼吸放出的CO2量；Rk為根部呼吸放出的CO2量；Rm為土壤中微生物釋放出的CO2量；Pc為光合作用同化的CO2量（真光合作用）。,28,二、CO2通量的變化,1、農(nóng)田上方CO2通量變化 近地層中CO2的垂直通量，決定于湍流擴散機制。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。,29,應用桑斯威特-霍爾茲羅公式

21、，可將上式改寫為：式中，u1、u2和c1、c2分別為z1、 z2高度上的平均風速和CO2濃度；æ是卡曼常數(shù)，一般取0.4左右；d為零平面位移；σ為常數(shù)； Ri為理查遜數(shù)，為表征大氣層結穩(wěn)定程度的量。,30,如在上式中令：z1=z0+d ，z2=z ，由于z0為粗糙度，因此u1= uz0+d = 0，則上式變?yōu)椋?可見，農(nóng)田上方鉛直方向CO2通量變化的主要影響因子為： CO2濃度差、風速、

22、大氣層結穩(wěn)定程度。,31,2、群體中CO2通量的變化 可用下式來表示群體中z高度的CO2擴散情況：式中，fl(z)為葉面積密度；p(z)為單位葉面積的CO2吸收（光合）強度；rp 為單位葉面積的CO2排出（呼吸）強度。,32,將CO2濃度和通量僅僅看成是高度的函數(shù)，且將公式右邊的兩項合并，則上式可變?yōu)椋菏街校琍(z)=p(z)-rp為凈吸收的CO2量，則：,33,積分可得：即： 上式即作

23、物群體內(nèi)CO2通量的表達式，qc（H）為作物群體表面的CO2通量，H為群體高度。,34,由作物群體內(nèi)CO2通量的表達式可知： ● 白天時 P(z)＞0 ，qc(z)＜qc(H), CO2通量向下。 ● 夜晚時 P(z)＜0 ，qc(z)＞qc(H), CO2通量向上。,35,CO2通量隨高度的變化速率，可由農(nóng)田上方CO2通量公式取偏導給出： 由

24、于CO2通量隨高度的變化 ，主要是植物光合作用同化CO2或呼吸作用釋放CO2所引起的，因此， 也就相當于某一層葉片的凈光合作用強度。,36,由上述分析可知： ● 當 ＞0時，即凈光合作用強度大于零，CO2凈吸收量為正，則此區(qū)域稱為CO2的匯。 ● 當 ＜0時，即凈光合作用強度小于零，CO2凈吸收量為負，則此區(qū)域稱為CO2的源。 ● 當 =0時

25、，即凈光合作用強度等于零，CO2凈吸收量為零，則此區(qū)域為CO2補償點。,37,3、CO2濃度的變化 用CO2通量變化公式進一步整理，可得到群體上方和群體內(nèi)任意高度的CO2濃度表達式： 群體上方： 群體內(nèi)：,38,式中，C(H)是作物表層的CO2濃度。 大氣與農(nóng)田群體中的CO2其時空變化規(guī)律總結如下： （1）晴朗無風天氣下，近地層CO2濃度呈現(xiàn)明顯的晝低夜高的變化規(guī)律，夏季尤為突出。 白

26、天，群體是CO2的匯而大氣是CO2的源，這時CO2由大氣向群體中輸送，這種CO2濃度隨高度而遞增的分布型稱之為光合型；夜間，群體是CO2的源而大氣是CO2的匯，這時CO2由群體向大氣輸送，這種CO2濃度隨高度而遞減的分布型稱之為呼吸型；,39,（2）全年各月CO2濃度變化與農(nóng)業(yè)生物在一年內(nèi)的興衰密切相關，表現(xiàn)為暖季低而冷季高。 （3）大氣中CO2濃度的變化，一般波動到16公里處。越接近地面波動越大，且隨著高度的增加，最高值明顯滯后

27、。 （4）群體內(nèi)CO2濃度的時空分布，因群體種類、狀態(tài)及氣象條件等而有很大變化。如風力大時或在通風好的群體中CO2濃度變化小，反之則變化大。,40,三、土壤和近地層CO2調(diào)控技術,1、土壤CO2釋放的調(diào)節(jié) （1）原理 土壤空氣中CO2的濃度遠高于大氣，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異。 （2）主要措施 a、松土。增加土壤孔

28、隙度，提高地溫。 b、增濕。增強土壤微生物的活動。 c、施肥。增加土壤腐殖質(zhì)含量，腐殖釋放CO2。,41,2、田間CO2濃度調(diào)節(jié) a、合理密植，改善田間通風條件；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，改善群體通風條件，亦可起到提高農(nóng)田中CO2濃度的作用。,42,

29、3、CO2施肥 （1）CO2氣源 a、干冰。價格昂貴，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)生器中起化學反應釋放CO2。 c、工業(yè)尾氣。如酒精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2氣體，壓縮于鋼瓶中。使用效果比較理想。 d、燃料。燃燒天然氣、石油、煤油等燃料釋放CO2。有污染。,43,（2）CO2施肥應注意的問題 a、施用時間 以作物的CO2臨界期（生殖生

30、長期）、最大需要期（營養(yǎng)、生殖生長兩旺時期）、CO2限制期（光照強、氣溫較高、供水充足時）增施CO2，效果較好。 b、施用濃度 一般維持在正常CO2濃度2～3倍左右的水平即可達到較好的施肥效果，不宜超過10倍。過多會使氣孔關閉，從而影響CO2的吸收。,44,§3、風對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控,一、風的影響 1、有利影響 ● 使群體內(nèi)外熱量相平衡，加快葉片蒸騰，降低葉溫； ● 是植物

31、被動吸水、礦物質(zhì)運輸?shù)脑瓌恿Γ?● 使葉片邊界層變薄，減小二氧化碳進入到植物體內(nèi)的阻力； ● 使群體內(nèi)外、上下層二氧化碳相平衡； ● 傳播花粉、孢子、種子、果實等。,45,2、不利影響 ● 造成植物的機械損傷；還為病原菌從傷口侵入植物體提供了條件； ● 引起植物落花、落果、落鈴、落莢、落?；虼笃狗龋?● 加重干旱、低溫、暴雨、暴雪、污染等的不利影響； ● 傳播病蟲害；