农业气象学二氧化碳与农业生产

CO2、风与农业生产主要内容§1二氧化碳对植物的影响§2农田二氧化碳状况及其调控§3风对农业生产的影响及调控本章重点：碳循环、CO2饱和点与补偿点等基本概念CO2增加对农业生产的影响及CO2调控技术农田作物群体CO2通量及浓度变化规律分析本章难点：农田CO2浓度变化规律分析。本章重点与难点§1二氧化碳对植物的影响主要内容：●碳循环简介●CO2对植物的影响一、碳循环简介（一）碳循环的概念碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环周转的过程。在漫长的地球历史进程中，碳循环最初只是在大气圈、水圈和岩石圈中进行，随着生物的出现，有了生物圈和土壤圈，碳循环便在五个圈层中进行。碳循环的主要途径是：大气中的CO2被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动干预，又以CO2的形式返回到大气中。大气圈CO2生物圈CO2固定土壤呼吸溶解吸收有机质分解交换释放风化溶蚀固定沉积生物残体归还生物有机体归还沉积固定呼吸分解光合固定植物燃烧径流携带化石燃料燃烧、火山爆发、岩石风化土壤圈水圈岩石圈碳循环简图碳循环的主要形式：碳在自然界中的存在形式：碳在生物体内的存在形式：碳进入生物体的途径：碳在生物体之间传递途径：碳进入大气的途径：CO2；CO2和碳酸盐；含碳有机物；绿色植物的光合作用；食物链；①生物的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的燃烧因此，若CO2发生量变，必然会对碳循环产生重大影响。维护碳循环正常运行的关键是控制CO2的排放量。（二）大气中的CO2浓度在地质历史时期，碳的流通缓慢，而且一直在进行沉积，在岩石中积存的碳约达1*1016t，在化石燃料中的碳约积存有1*1013t，这些碳被长期封存地下，从未在短期内大量逸出。因此，大气中的CO2含量是个恒量，或者说接近恒量，从而维持了碳循环的相对稳定和平衡。但自从人类出现以来，特别是工业革命以来，一系列与碳元素有关的经济活动不断加入到碳循环过程中来，其中最主要的活动是燃烧矿物燃料和砍伐森林，结果打破了碳循环原有的平衡，使大气中的二氧化碳浓度增加。工业革命前，大气中的CO2为280ppm左右。其后不断增加，增长速度不断加快。年增长速度：1840～1900年，0.12ppm；1900～1960年，0.34ppm；1960～2000年，1.32ppm。至2000年，全球大气中的CO2浓度已经达到369ppm。1、大气中CO2的来源和去向（1）大气中CO2的来源●海洋。它是人类活动影响前大气中CO2最重要的一个源。据估算，全球由海洋到大气的CO2平均净通量约为4.151*108t(C)/a。●土壤。它是大气中CO2的另一个重要的源，每年约0.273*108t(C)的CO2由土壤直接进入大气。●人类活动。包括大量使用煤、石油、天然气等矿物质燃料向大气排放CO2以及破坏植被影响CO2的吸收与同化。有些研究的估算认为，在1850～1950年的100年间，由于人类活动而进入大气中的碳达1.8*1011t，其中1/3来自化石燃料燃烧，其余2/3则来源于植被破坏特别是森林破坏，从而影响了大气碳平衡。（2）大气中CO2的去向●生物圈。植物通过光合作用吸收同化大气中的CO2而形成有机物质，从而使CO2进入生物圈。据估算，陆地生态系统与大气中CO2交换的净通量为4.342*108t(C)/a。●水圈。大气中CO2溶解进入水圈。CO2+H2O→H2CO3●岩石圈。大气中CO2经过淋溶及化学反应进入岩石圈。H2CO3+Ca++→CaCO3↓+2H+back（一）植物对CO2的吸收和利用1、植物吸收CO2的过程（1）从大气通过湍流和对流交换输送到叶片附近。这段路程最长，CO2与叶片的距离以m或cm来计算，该段路程阻力最小。二、CO2对植物的影响（2）从叶片周围通过气孔到达叶肉细胞的 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面。距离不到1cm，此段路程是气相扩散，其阻力的大小首先决定于气孔阻力的大小，此外CO2分子还要克服叶片内表皮阻力，才能到达叶肉细胞表面。（3）从叶肉细胞的表面进入到叶绿体内。距离最短，在1mm以下，在这段路程中，CO2首先要克服叶肉阻力，其后CO2分子要穿过液相原生质，才能到达叶绿体，再进入到叶绿体内层的光化学反应中心。所以，CO2在由空气到叶绿体内的物理传递过程中受到一系列阻力的影响，包括：●叶片边界层阻力ra●气孔阻力rs●叶肉阻力rm（4）CO2向叶内扩散的数学表达式在这三种阻力的作用下，表达在光合作用中CO2向叶内扩散量(Pc)的关系式为：式中，fc为CO2单位换算系数，即将mg/kg换算为g/cm3CO2的系数。2、植物对CO2的利用二氧化碳是光合作用的原料，对光合速率影响很大。从上式可知，植物吸收利用CO2的状况，与周围空气的CO2浓度有关，即浓度越大，CO2向叶内扩散量就越大。但植物的光合速率与CO2浓度并非简单的直线关系，下面介绍两个重要的概念。（1）CO2饱和点在辐射能充分满足的条件下，植物光合速率不再随CO2浓度增加而增大时的CO2浓度称为CO2饱和点。（2）CO2补偿点植物光合作用所同化的CO2与呼吸作用释放的CO2达到平衡时，环境中的CO2浓度称为CO2补偿点。各种植物的CO2补偿点不同，玉米、高粱、谷子等C4植物的补偿点一般小于10ppm称低CO2补偿点植物；小麦、水稻、棉花、大豆等C3植物的补偿点为40～150ppm，称为高CO2补偿点植物。多数植物的CO2饱和点为800~1800ppm，现在大气中CO2的浓度约为370ppm。大大超过补偿点而远离饱和点，CO2浓度的增加，必定加快光合作用的强度，增加农作物的光合产量，从而加快植物生长。（3）影响植物同化CO2速率的因子a、种间差异C4植物同化CO2的速率比C3植物大得多。据测定，在适宜的环境条件和同样的光强、CO2浓度下，C4植物的产量要比C3植物高出近一倍。b、光强的影响光强与CO2浓度互为限制因子，若光强很小，即使二氧化碳浓度较大，光合作用强度仍不可能大；反之，若二氧化碳浓度很小，即使光强较强，也不能使光合作用达到最大水平。c、温度的影响在光强和CO2浓度条件得到满足时，植物同化CO2的速率随温度的变化呈抛物线型。d、水分的影响当水分不足时，气孔变狭，减少CO2吸收；同时原生质的水合作用减弱，光合能力降低。而水分过多时植物生长发育受到影响，CO2吸收亦会逐渐减弱甚至停止。e、风的影响风的影响主要包括三个方面。一是空气流动可不断地从群体外部向群体内部输送和补充CO2；二是加强群体内部的湍流交换，把下层叶片以及土壤呼吸放出的CO2带到光合能力较强的群体上层；三是风速逐渐增大会使CO2扩散阻力明显减小。f、群体结构的影响直立叶片较多的群体，通风、透光情况良好，有利于群体中CO2的扩散，对提高群体光合能力及干物质积累有利。（二）CO2浓度增加对作物直接影响的试验研究1、试验装置与设备人工增加CO2浓度也称为CO2施肥，研究CO2浓度增加对作物影响的试验装置主要有温室、人工气候箱、气室和开放式试验田（free-airCO2enrichment）等。开放式试验田指在自由空气中增加CO2，它摆脱了上述设备小空间、微环境的影响，直接在自然环境下进行CO2增加的模拟试验，因其试验尺度大，通风良好，光照、温度、湿度和风等环境条件十分接近自然农田，所以在开放式试验田中获得的数据更接近于真实情况。CO2气源a.干冰。价格昂贵，且降低气温。b.CO2发生剂。碳酸氢铵、碳酸盐加稀硫酸、石灰石加盐酸在CO2发生器中化学反应释放CO2。成本较高，安全性差，易造成有毒气体污染。c.工业尾气。如化肥厂、酒精厂生产过程中产生的CO2气体，压缩于钢瓶中。使用效果比较理想。d.燃料。燃烧天然气、石油、煤油等释放CO2。有污染。2、部分试验研究数据　（1）CO2浓度增加对作物光合作用的影响冬小麦：CO2浓度在600ppm之内，光合速率P与CO2浓度几乎是直线关系；春小麦：CO2浓度倍增时，P增大2.569倍；大豆：CO2浓度为500，600，700ppm时，P分别升高80％、143％、205％。（2）CO2浓度倍增对作物发育期和株高的影响从上表可知,CO2浓度倍增使棉花发育提前8d,冬小麦和大豆分别提前4d和2d,对玉米没有影响。CO2浓度倍增对冬小麦株高的影响最为明显,增高量达14cm,其次是棉花和大豆,对玉米影响不大。（3）CO2浓度倍增对作物生物量(干重)的(g/株)的影响从上表可知,CO2浓度增加,作物生物量随之增加，但4种作物地下和地上两部分生物量的增长率并不平衡,玉米和冬小麦根的增长最为明显,其次为大豆,而棉花根的增长率略低于地上的增长率。　（4）CO2浓度倍增对作物产量（g/株）的影响CO2浓度增加,4种作物产量呈增加趋势,其中大豆增长最为明显,增长率达67.1%,冬小麦和棉花次之,且增长幅度十分相近,玉米仍最小。　（5）CO2浓度增加对黄瓜生长发育的影响　（6）温室蔬菜施用CO2气肥后的增产作用3、部分研究结论●提高植物的光饱和点；●能促进植物的光合作用，增加植物生物量的累积；●能显著提高C3作物产量，但对C4作物产量的影响较小；●对根系生长的促进作用要大于地上部分；●对大多数作物的物候略有加速。●会减小气孔开度，从而降低蒸腾量，提高水分利用率。　●温室蔬菜的二氧化碳适宜施放期随蔬菜种类及其生育期而异黄瓜、西葫芦等瓜类蔬菜宜在开花初期开始施放二氧化碳。芹菜等叶菜类蔬菜则应在封垄后开始施放二氧化碳。●温室一天内CO2的适宜施放时间在不同季节有所不同。在深秋和初冬季节,宜在下午收风后施放。在隆冬季节,温室不放风或放风时间很短,宜在上午11时左右施放。在晚冬和初春季节,放风时间较长,宜将一次施放改为两次施放,放风前1h施放一次,收风后再施放一次。●温室人工增施CO2的适宜浓度国内外许多学者曾做过大量试验,但因试验条件、供试蔬菜和栽培方式等各不相同,试验结果有很大差异。多数学者认为:一般温室蔬菜生长和产量形成的CO2适宜浓度为600～1500ppm。（三）CO2浓度增加对农业生产的间接影响●“温室效应”将导致气温上升，使各地作物生长季延长，从而使农作物种植界限和耕作制度发生变化。●在中纬度地区，可减弱低温对作物的胁迫作用，使产量和质量提高。●可能使害虫数量大幅度增加，危害期延长。●可能加速农药和肥料的分解，降低杀虫剂和除草剂的效率。●可能使一些地区更加湿润，而使另一些地区更加干旱。●CO2浓度增加虽对植物蒸腾有抑制作用，会使植物的水分利用率随之提高，但它导致的气候变暖又可使蒸发量增加，减小水分的有效性，这两种效应的方向是相反的。§2农田二氧化碳状况及其调控主要内容：●时间变化和空间变化●农田CO2通量密度及其时间变化●土壤和近地层CO2调控技术一、时间变化和空间变化（一）时间变化1、日变化作物的不同发育阶段，不同时间和地点，农田CO2浓度的日变化趋势是基本一致的。白天CO2浓度随光合作用的增强而不断降低，日落后CO2浓度则升高，日出前达最大值。　晴天与昙天温室内二氧化碳浓度的日变化曲线　阴天和晴间多云天气温室内二氧化碳浓度的日变化曲线2、年变化在北纬30度以北地区的大气中，从4月至9月，CO2浓度减少3％。且土壤中有机质也在不断分解。大气中CO2浓度一般在夏末秋初达到最低值，10月到次年3月是一个积累时期，浓度逐渐上升，到冬末春初达到最大值。（二）空间变化CO2浓度的垂直变化由近地气层CO2被固定和释放的情况所决定。当地面覆有植被，光合作用旺盛时，二氧化碳被大量固定，二氧化碳浓度随高度下降而明显降低，呈光合型。这期间，从地面到16千米高度，二氧化碳浓度均低于320ppm。在光合作用微弱甚至停止时，只有土壤及动物呼吸和燃烧等释放二氧化碳的过程，则越近地面，浓度越高，呈呼吸型。这期间，从地面到16千米高度，二氧化碳浓度均高于320ppm。二、农田CO2通量密度及其时间变化1、计算方法近地层中CO2的垂直通量，决定于湍流扩散机制。因此，可以从湍流扩散角度来得到农田上方CO2的铅直输送公式，即：式中，qc为铅直方向的CO2通量；fc为单位换算系数；kc为CO2湍流交换系数；为CO2浓度的铅直梯度。应用桑斯威特-霍尔兹曼公式将上式改写为：式中，u1、u2和c1、c2分别为z1、z2高度上的平均风速和CO2浓度；æ是卡曼常数，一般取0.4；d为零平面位移；σ为常数；Ri为理查逊数，是表征大气层结稳定程度的量。2、时间变化白天，CO2通量密度为正，由大气指向作物层，从9时至16时维持较大的通量密度，最高值出现在11时左右。夜晚则相反，CO2通量密度为负，由作物层指向大气。三、土壤和近地层CO2调控技术1、土壤CO2释放的调节（1）原理土壤空气中CO2浓度远高于大气，因此土气间的浓度差导致了土壤CO2释放。土壤中CO2的释放量因土壤温度、含水量及有机质含量不同而有很大差异。因此，可以采取措施改变土壤物理性质和环境条件等以达到调节CO2释放量的目的。（2）主要措施a、松土。增加土壤孔隙度，提高地温。b、增湿。增强土壤微生物的活动。c、施肥。增施农家肥，增加土壤腐殖质量，释放CO2。2、田间CO2浓度调节a.合理密植，改善田间的通风条件；整枝打叶，使土壤中释放的CO2尽量被光合机能强的绿色叶片吸收利用。b.种植行向要与当地盛行风向一致，改善田间通风条件，以有利于CO2随风进入农田。c.栽培时要宽行窄株距，改善群体内通风条件，亦可起到提高农田中CO2浓度的作用。§3风对农业生产的影响及调控主要内容：●风的影响●防风措施一、风的影响（一）有利影响1、风对农田小气候的调节风能影响农田湍流交换强度，增强地面与空气的热量和水分等的交换，增加土壤蒸发和作物蒸腾，也增加空气中CO2等成分的交换，使作物群体内部的空气不断更新，对株间的温度、水汽、CO2等调节有重要作用。2、风与光合作用在低风速条件下，叶片的边界层变薄，CO2的扩散阻力减少，有利于CO2的输送，又能使光合有效辐射以闪光的形式合理分布到叶层中，从而提高光合作用强度，提高光能利用率。据测定，在太阳辐射与气温基本相同的前后两天，有风的一天玉米干物质的增长量比无风的一天大40％。3、风对花粉、种子传播的影响自然界中的许多植物是借助风的力量进行异花授粉和传播的，风速的大小会影响授粉效率和种子传播距离，从而对植物的繁衍和分布起着较大的影响作用。在作物(如油菜)和果树开花时，风能散播花的芳香，招引昆虫传授花粉。风能传播种子，如杉树种子靠风力传播到远处，扩大繁殖生长区域。（二）不利影响1、大风对作物的危害风力在6级以上就可对作物产生危害。风速＞17m／S(8级以上)的风称为大风，它对农业危害很大。大风加速植物蒸腾，使耗水过多，造成叶片气孔关闭，光合强度降低。在北方，春夏季大风可加剧农作物的旱害，冬季大风可加重越冬作物冻害。强风时造成林木和作物倒伏、断枝、落叶、落花落果和矮化等，从而影响其生长发育和产量形成。水稻开花期前后受暴风侵袭而倒伏所造成的减产是很严重的。2、风能加重干旱，造成土壤风蚀干旱地区和干旱季节如出现多风天气，不但土壤水分消耗增加，旱情加重，大风还会吹走大量表土，造成风蚀。土地沙漠化过程一般是先从地表风蚀开始，经过风化、片状流沙发育和形成密集沙丘。中国北部和西北内陆地区，风蚀十分强烈，如内蒙古乌兰察布盟后山地区开垦的农田，经过30-50年，已有43％被风蚀沙漠化，风蚀深度一般在40cm左右。3、风能传播病虫害风能传播病原体，引起作物病害蔓延。据研究，小麦锈病孢子在春季偏南风吹送下向北方传播，到冷凉地区越夏；秋季随着偏北气流吹向南方冬暖区，造成危害。风还能帮助一些害虫迁飞，扩大危害范围。例如粘虫、稻飞虱等害虫，每年春夏季节随偏南气流北上，在那里繁殖，扩大危害区域；入秋后就随偏北风南迁，回到南方暖湿地区越冬。作物或果树枝叶受风危害，病原体从机械损伤的伤口侵入或有利于害虫寄生，造成危害。风还传播杂草种子，扩大繁殖区，也是不利的方面。二、防风措施1、增加地面植被覆盖营造防风林、架风障是减轻风害、保护土壤和作物的有效措施。风蚀沙化区可进行封沙育草、育林，保护草场。2、改进农业技术措施利用生物技术选育矮秆、茎秆坚韧能抗风的优良品种；调节播种期，尽可能避开风沙害时期；高秆作物的培土防风；果树的立杆支撑；作物种植行向与地区盛行风向一致等。