第一章 光与作物生产 种植组 高丽

生物环境：植被、昆虫、病害、杂草等 农业的自然环境 作物生产环境 非生物环境：光照、温度、水分、大气、土壤 及营养条件等 包括土壤、肥料、气象条件、栽培、植物生理 以及各种环境因子。

第一章 光与作物生产 本章教学结构 教学要点 教学目标 教学内容 实验实习 复习思考 参考资料

教学要点 作物生产的光照环境 光照与作物的生长发育 提高作物光能利用率的途径 太阳辐射、地面辐射、大气辐射、光合有效辐射。 光照时间与作物的生长发育、光照强度与作物生长发育、光谱 成分与作物的生长发育。 提高作物光能利用率的途径 作物对光的利用、影响作物光能利用率及作物产量的因素、提 高光能利用率的途径。

教学目标 通过学习，使学生了解作物生产的光照环境及其变化规律，理解光照强度、光周期、光质等光环境因素对作物生长发育及作物产量的构成因素的影响，掌握提高光合效率的农业技术措施，学会光照强的观测技术。

第一节 作物生产的光照环境 太阳辐射 太阳辐射在大气中的减弱 到达地面的太阳辐射、地面辐射平衡 地面辐射和大气辐射 吸收作用 太阳辐射光谱 第一节 作物生产的光照环境 太阳辐射 太阳辐射光谱 太阳辐照度 太阳照射时间的长短 太阳辐射在大气中的减弱 吸收作用 散射作用 反射作用 到达地面的太阳辐射、地面辐射平衡 到达地面太阳辐射能量变化 到达地面太阳辐射光谱成分变化 地面辐射和大气辐射 地面辐射 大气辐射 地面有效辐射 地面辐射平衡

太阳辐射 太阳是一个巨大、炽热、自行发光发热的星球，内部温度高达1.5×107 k，表面温度可达6000k。太阳以电磁波的形式向外放射出巨大的能量，其辐射过程称为太阳辐射，放射出来的能量称为太阳辐射能。

太阳辐射光谱：太阳辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。 到达地球大气上界的太阳辐射光谱可划分为： 不同波长的光量子所持的能量不同。 到达地球大气上界的太阳辐射光谱可划分为： 紫外光波段： <390 nm； 可见光波段：390～760 nm； 红外光波段：〉760nm； （近红外光760～ 2500nm ；远红外光25～ 100μm） 波长单位：（nm或μm,1μm=10-6m, 1nm=10-9m） 　　分布范围：太阳0.15-4μm（短波）地气3-120μm（长波） 不同波长的光量子所持的能量 λ（nm）　 颜色 E（kJ/mol） <400　 紫外　 297 400～425　 紫 289　 425～490　 蓝 259 90～560 绿 222　 560～580 黄 209 580～640 橙 197 640～740　 红 721

太阳辐射光谱分区 10 390 760 100 000nm 紫外光 可见光 红 外 光 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 　紫外光 　可见光 　　红 外 　光 　　　390 430 470 　500 　560 　　600 650 760nm 　紫 　蓝 　青 　绿 　　黄 　　 橙 红

太阳辐射光谱分区 太阳辐照度 10 390 760 100 000nm 紫外光 可见光 红 外 光 　　太阳在单位时间内通过或到达某一表面的辐射能称为太阳辐射通量，单位是焦每秒（J/s）或瓦（W）。单位面积上的太阳辐射通量称为太阳辐射通量密度（或太阳辐射度、太阳辐照度），单位是瓦每平方米（W/m2）。光照强度 　　也称光照度或照度 光照强度表示物体被照明的程度，指可见光在单位面积上的光通量，国际单位制中光照强度的单位是勒克斯（lx）。大气上界的太阳光照强度可达1.35×105 lx(光照常数)。 　10 　390 　　760 100 000nm 　紫外光 　可见光 　　红 外 　光 　　　390 430 470 　500 　560 　　600 650 760nm 　紫 　蓝 　青 　绿 　　黄 　　 橙 红 图3-4 太阳光的连续光谱

太阳辐照度 太阳辐照度：单位面积上的太阳辐射通量称为太阳辐照度。单位（W/m2）。（单位时间内通过某一表面的辐射能称为太阳辐射通量，单位是：J/s）。 太阳常数: 在大气上界垂直于太阳光方向测得的太阳辐照度称为太阳辐射常数，约为1367+-7W/m2。 光照度 ： 光照强度表示物体被照明的程度，指可见光在单位面积上的光通量，单位是勒克斯（lx）。 光照常数：指大气上界的太阳光照度，可达1.35×105 lx。 光照强度取决于人眼对可见光的平均感觉，所以光照强度与辐射强度是两个不同的概念。一般来说，夏季晴天中午地面的光照强度约为1.0×105 lx，阴天或背阴处光照强度为1.0×104～2.0×104 lx。

太阳高度角是指太阳光线与水平面之间的夹角。 1) 太阳辐照度和太阳高度角的关系 　　到达地面的太阳辐照度和太阳高度角的正弦值成正比. 　　2)太阳高度角的变化 　　一天和一年之中，太阳高度角发生规律性的变化，使地球的光热条件也发生周期性变化。 　　时间变化:一天中正午太阳高度角最大,近日出太阳高度角最小。一年中 春分、秋分时太阳直射赤道，赤道上的太阳高度角最大，为90°，向北、向南太阳高度角逐渐变小；北半球夏至日最大,冬至日最小. 　　空间变化：正午的太阳高度角随纬度增加而减小。 　　春分、秋分太阳高度角随着纬度的变化 　　一天中正午的太阳高度角hθ=90°-Φ+δ 　　哈尔滨市正午的太阳高度角： 　　6.21 hθ=90-45°41′+23°27′=67°46′ 　　3.21和9.23 hθ=90-45°41′=44°19′ 　　12.2390-45°41′-23°27′=20°52′

太阳辐射时间的长短 昼夜长短与纬度和季节的关系 冬至日北半球黑夜长于白昼，且随纬度的增高，白昼越短，黑夜越长，北极圈内有夜无昼，称为极夜现象；夏至日，北半球白昼长于黑夜，且随纬度的增高，白昼越长，黑夜越短，北极圈内有昼无夜，称为极昼现象。在春分和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼长等于夜长。 北半球春分日日长为12h，春分日后，日长逐渐增长，大于12h，到夏至日达到最长，然后日长渐短，至秋分日又减少到12h，日夜等长。秋分过后，日长渐短，到冬至日达到最短。 太阳辐射时间长短的表示方法 1）日照百分率 实照时数： 可照时数：例哈尔滨9.6. 13.01h 3.17 11.87h 日照百分率=实照时数/可照时数*100%全省55-70% 2）光照时间 在农业生产中把包括曙暮光在内的昼长时间叫光照时间。即：光照时间=可照时间+曙暮光时间

太阳辐射在大气中的减弱 吸收作用 O2、O3：紫外线0.2~0.32μm 云雾：红外线 减弱14% 减弱6% H2O：红外线0.73~3μm CO2：红外线4.3μm 杂质：各类波长光谱 散射作用 晴朗的天空为什么是蓝色的？阴天为什么是灰白色的？ 提问分析 减弱10% 1．分子散射（直径<入射波长） 2．粗粒散射（直径>入射波长） 反射作用 减弱27%

到达地面的太阳辐射 到达地面太阳辐射能量变化 　　　　太阳辐射穿过大气时，因为被吸收、散射及反射而减弱，因此，到达地面的太阳辐照度总是小于太阳辐射常数。其强弱主要决定于太阳高度角（hθ）和大气透明度（P）。太阳高度角时空变化如何？ 1．太阳直接辐射（S´） 　　　　随hθ 增大，S´增强；随P增大，S´增强。反之S´减弱。另外，海 拔高度越高，太阳直接辐射越强；反之则越弱。地球纬度的增高太阳直接辐射减弱。在农业生产中，可利用调节太阳高度角，提高对太阳辐能的吸收利用。例：大棚、温室建造。 2．散射辐射（D） 　　　　散射辐射指地面上获得的来自整个天空大气散 射出来的太阳辐射能。散射辐射强弱也受太阳高度角和空气透明度等因素的影响。 　　　　随hθ 增大D也增强；hθ不变时，随P增大，D减小。

我国部分地区的太阳辐射年总量（J/cm2） 3．太阳总辐射（Q） 　　　　太阳总辐射是指经过地球大气层的吸收、散射、反射辐射后到达地面的太阳辐射。太阳总辐射由太阳直接辐射和太阳漫辐射两部分组成： Q = S´ + D 　　　　总辐射的强弱也取决于太阳高度角、大气透明度等因素。还与日照时数有关。晴天，总辐射的增减主要由太阳高度角决定。总辐射的日、年变化与太阳高度角的变化同步，即中午前后、夏季月份太阳总辐射量大，早晚、冬季月份太阳总辐射量小，夜间太阳总辐射为零。 我国部分地区的太阳辐射年总量（J/cm2） 地　　区 哈尔滨　 北京　 杭州　 南昌 　广州 昆明 拉萨 太阳辐射 　年总量 467941 565008 435716 495118 454816 522332 791003

到达地面太阳辐射光谱成分变化 空间变化： 　　　　太阳直接辐射光谱随太阳高度角降低（纬度增高）长波成分增加，反之减少。例：hθ=5°时紫外线为0；可见光占30%；其余以红外线为主。海拔高度增加直接辐射中长、短波成分均增加。大 气 层 时间变化： 　　　　一年中夏季短波成分多，冬季长波成分多。一天中正午短波成分多，早晚长波成分多。

地面辐射和大气辐射 地面、大气辐射波长：3-120μm 地面辐射 地面辐射E1：地面辐射是低层大气的主要热源。波长：3-80μm 大气辐射 　　温室效应：大气能透过短波辐射，吸收地面长波辐射使其不易逸出大气并以逆辐射形式返回地面部分能量，对地面有保温作用。称为温室效应。 E1 E2 大 气 层

地面有效辐射 1.地面有效辐射E0 地面辐射减去大气逆辐射，称为地面有效辐射。晴天E0=1.029w/m2 在冬季或夜间，地面收入的辐射能小于支出的辐射能（E0>0），使地面降温，严重时对植物造成冷害甚至冻害。农林生产中的地面覆盖、温室大棚等设施，都可以减少地面有效辐射，使地面及其一定空间内的空气温度保持相对稳定，有利于植物的正常生长或安全越冬。逆温时E0<0。 2.影响地面有效辐射的因子 　　1）天气状况：云雾多、湿度大E0 小。夜晚的阴天和晴天哪个温度低？为什么？ 　　2）地表状况：E0干土>湿土；粗糙>光滑；有覆盖<无覆盖。 　　3）海拔高度：海拔高E0大。 　　4）地气温差：地>气E0>0；地<气E0<0。

地面辐射平衡 1. 地面辐射平衡 R = （S´ + D）（1-r）- E。 　　辐射平衡 收入(总辐射) 支出(有效辐射) 　　　　地面反射辐射与到达地面的太阳总辐射的百分比称为地面反辐射率（r），（1-r）则为地面吸收率。所以，地面吸收的太阳总辐射能（Q´）为：Q´ =（S´ + D）（1-r）。 　　　　地表性质对太阳辐射的反射率影响很大。一般颜色越深、土壤湿度越大、表面越粗糙的地表，反射率越小；太阳高度角越大，反射率越小。植物对太阳辐射具有选择反射能力，对可见光的反射能力较小（约7%），对近红外部分的太阳辐射反射率较大（约50%）。对于地球表面的植被或农林植物来说，由于枝叶密度、叶色、高度及含水量的不断变化，对太阳辐射的反射率也有差异。 　　　　因此R是形成中气候的重要因子,改变任何一项就会改变地面辐射状况,从而人工调节小气候 。例如:铲地松土可减小地面对太阳辐射的反射率使R增大,白天增温;灌水土色变深反射率减小,有效辐射也减小,另外,在高温季节可向垄上撒白色的高岭土增大反射率降温. 2. 地面辐射平衡的变化 　　　　一天中白天R >0正午最大;夜间R<0正负转换时间在日出和日落。 　　　　一年中夏季R >0, 冬季R<0正负转换时间因纬度而异,我国39N以南R为正值,以北为负值月份较多.

光与作物生产 太阳辐射光谱与植物生长发育 紫外线与植物生长发育 1.抑制植物生长 促进植物干物质积累，加速繁殖器官的形成。 紫外线与植物生长发育 　　 1.抑制植物生长　促进植物干物质积累，加速繁殖器官的形成。 例1高山植物之所以相对矮小；花卉色泽鲜艳。 例2温室、塑料大棚内的植物比较细长。 例3白炽灯光下栽培植物，生长的比较细长。 紫外线随太阳高度角和海拔高度如何变化？ 2.对土壤和种子有杀菌消毒作用 3.对植物有刺激作用，促进种皮透性，提高种子萌发能力。 例：农民在播前晒种、果树上山晒苗。 4.促进植物果实成熟；提高果实含糖量，提高蛋白质和维生素含量，改善农产品质。 例1向阳的果子，色泽红润，口味香甜； 例2玻璃温室中栽培的黄瓜和番茄果实维C含量低于露地栽培

可见光与植物生长发育 光合有效辐射：能被叶绿素吸收并参与光合作用的太阳辐射光谱。 　　植物主要吸收红橙光和蓝紫光，表现出较强的光合作用。 　　1）蓝紫光使植物合成较多的蛋白质，红橙光下则形成较多的淀粉。 例高山茶，纤维素含量较少，茶素和蛋白质含量高，为优质名茶。 　　2）蓝紫光对植物生长有一定的抑制作用，影响植物向光运动。 例：波斯菊、向日葵、麦杆菊的向光运动。（生长素浓度差异引起） 　　3）黑光灯或萤光灯发出的短波光（0.33-0.44μm），可诱杀害虫。 红外线与植物生长发育 不能被叶绿素吸收参与生化作用，只提供热量。

光照度与植物的生长发育 光照度影响植物光合作用 　　　　当CO2、H2O条件充足时，在一定温度和光照度范围内，光合强度（CO2µmol/dm2.h）随光照度增加而增加，制造的有机物随之增多，相反光照度减弱，光合强度也减弱。制造的有机物随之减少。 　　　　光照度范围指：光饱和点～光补偿点； 几种植物的光饱和点和光补偿点 　　　　小麦棉花水稻光饱和点（lx）24000～3000050000～8000040000～50000光补偿点（lx）200～400约750600～700 植物光照生态类型有： 喜阳植物：光补偿点（500lx～1000lx）、饱和点较高（2.5lx～6万lx C4植物的高达10万lx）。例：如蒲公英、西瓜及许多农作物。 耐阴植物：光补偿点(<500lx)、饱和点较低(<1万lx)，例：蕨类植物；莴苣、菠菜、茼蒿、生姜、韭菜等。

光照度影响植物的生长发育 　　1）强光下使苗木茎粗、低矮、节间缩短，促进根系生长。 　　2）光照度不同会使园林树木产生偏冠现象。 　　3）适当的弱光有利于植物的营养生长，而较强的光照有利于植物繁殖器官的发育。 例1：光充足有利于植物花芽分化和开花结果，光弱则落花落果。 例2：强光下黄瓜雌花增多，雄花减少，小麦小花也多。 光照度影响植物产品品质 　　1．光照度影响叶色 　　2．光照度影响果实着色 　例：苹果在太阳直射光下才能着色良好。 　　3．光照度影响产品的营养成分 例：强光可增加瓜果的含糖量；禾本科、豆科植物蛋白质也增加；弱光减少甜菜根含糖量和马铃薯块茎中淀粉含量。

光照时间与植物的生长发育 植物对光周期的反应类型 植物对昼夜长短的反应，统称为光周期现象。光周期现象影响着植物的开花结实、落叶、休眠以及地下块根块茎等贮藏器官的形成。 起源于不同纬度地区的植物，成花对光周期有不同的要求或反应，故将植物分为长日照植物、短日照植物和日中性植物三种类型。 1．长日照植物 长日照植物要求日照时间长于一定的临界值（>12～14）才能开花。日长越长，越促进或提早长日照植物开花；缩短日照时间，则会延迟甚至抑制长日照植物开花。例：麦类、豌豆、亚麻、油菜、甜菜、葫萝卜、洋葱、蒜、菠菜、甘蓝、月见草、唐菖蒲。原产于高纬度。 几种长日照植物的临界日长 植物种类 冬小麦 菠菜 甜菜 白芥菜 天仙子 临界日长（h） 12 13 13～14 14 11.5

2．短日照植物 短日照植物要求日照时间短于一定的临界值（<12～14）才能开花。日长越短，越促进或提早短日照植物开花；延长日照时间，则会延迟或抑制短日照植物开花。例：菊花、君子兰、一品红、报春花、大豆、玉米、高梁、豇豆、茼蒿。原产于低纬度。 几种短日照植物的临界日长 3．中性日照植物 中性日照植物的成花对日照时间长短要求不严格，只要其它条件适宜，在自然光周期条件下都能开花。 例：茄子、黄瓜、四季豆、西红柿、月季、美人蕉、大丽花、香石竹、仙客来。 植物 美洲烟草 草莓 菊花 苍耳 早大豆 晚大豆 临界日长 14 10.5～11.5 16 15.5 17 13～14

（1）纬度相近或同纬度地区之间引种容易成功。 光周期理论在农生产中的应用 1.光照时间与植物引种 （1）纬度相近或同纬度地区之间引种容易成功。 （2）短日照植物北种南引，生育期缩短，应引晚熟品种，南种北引则相反。 （3）长日照植物北种南引生育期延迟，应引早熟品种，南种北引则相反。 长日照植物有“温抵偿现象。”短日照植物有“光温叠加现象。” 2.调节植物开花时间 例 1 遮光可提早短日照花卉开花、延迟长日照花卉开花。菊花。 例2 加人造光源延长日照时数或夜间闪光可提早长日照花卉开花、延迟短日照花卉开花。 例3 在育种工作中有时遇到雌雄亲本花期不遇的问题，无法杂交。通过暗期闪光、人工延长光照时间或适当遮光等技术措施调控光周期，使雌雄亲本同时开花，以便顺利杂交，培育新品种。 3.改变植物休眠与促进植物生长 长日照条件能促进多年生植物的萌动生长，短日照条件则引起植 物落叶及休眠。 例1路灯旁的行道树，因为灯光延长了日照时数，使园林树木春季萌动、展叶早，落叶较晚，进入休眠晚，生长期长。 例2秋季短日照条件下，很多植物因为叶片感受短日照刺激，产生脱落酸，从而促进落叶及休眠。

提高植物光能利用率的途径 植物光能的利用率：植物光合产物中贮存的能量占其所得到能量的百分率，称为植物的光能利用率。 一般为0.5%～1%，低产田只有0.1%～0.2%，丰产田也3%左右。 合理密植 合理密植是提高植物产量的重要措施之一。 选育光能利用率高的品种 在植物品种的选育过程中，应选育具有矮秆抗倒伏、叶片较短较直立、叶片分布合理、耐荫性较强、适于密植及青秆黄熟等特点的植物品种，这些特点有利于植物对光能的利用。 生长季的太阳光能 采用间作、套种、复种、立体栽培、育苗移栽、地膜覆盖等。充分利用生长季，提高光能利用率。

提高光合强度 1．人工补充光照 光线较弱时，增加人工光照可提高光合强度，如日光灯、反光幕等已广泛应用于蔬菜、瓜果及花卉的保护地栽培。 2．调节温度 温度低时调控温度，促进光合作用的进行。温度高时，适当降温，降低呼吸消耗，增加净积累。 3．改善CO2的供应条件 合理密植，多施有机肥，增施CO2肥料。 4．降低光呼吸 采取适当措施增加净光合积累，降低光呼吸消耗。 （1）适当增加环境中CO2的浓度，降低光呼吸。 （2）利用光呼吸抑制剂降低光呼吸。亚硫酸氢钠（大豆）、干冰 加强田间管理 合理排灌、合理施肥、适时中耕松土、整枝修剪、防除杂草及病虫害防治等。创造良好条件，有利于光合作用的进行，减少有机物消耗，调节光合产物的分配，提高植物产量。

复习思考题 1．名词：太阳辐照度 光照度 光照时间 太阳高度角 2．太阳辐射光谱分区。 3．一天中正午的太阳高度角计算。 1．名词：太阳辐照度 光照度 光照时间 太阳高度角 2．太阳辐射光谱分区。 3．一天中正午的太阳高度角计算。 4.太阳辐射在大气中的减弱方式。 5．简述到达地面太阳总辐射和光谱成分变化情况？ 6．夜晚晴天和阴天哪个土温更高？为什么? 7.什么叫地面有效辐射?受哪些因子影响?如何变化? 8.什么叫地面辐射平衡?和小气候调节有何关系? 9．名词：光合有效辐射 光能利用率 10．太阳辐射光谱对植物生长发育有何影响？ 11．太阳辐照度对植物有哪些影响？ 12．光周期现象在植物生产中有哪些应用？ 13．如何提高植物光能利用率？

学习参考资料 1.《农业气象学》北京农业大学 中国农业出版社 1998 2.《土壤肥料学》陈忠焕等 北京 中国农业出版社 1990 1.《农业气象学》北京农业大学 中国农业出版社 1998 2.《土壤肥料学》陈忠焕等 北京 中国农业出版社 1990 3.《植物生产与环境》 陈瑞生等 北京 中国农业出版社 1999 4.《测土与施肥》 吕英华等 北京 中国农业出版社 2002 5.《小气候改善与管理》 乐天宇等 北京 农业出版社 1982

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