自然地理学教案

授课题目第九章自然地理系统的生产功能授课类型理论课首次授课时间2009年11月12日学时2教学目标通过本节课,使学生：了解农业生产潜力的概念；掌握农业生产潜力的估算模型。重点与难点农业生产潜力的概念。农业生产潜力的估算模型。教学手段与方法多媒体教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）复习（5分钟）：中国六大自然区划方案；植物初级生产力；第二节农业生产潜力一、农业生产潜力的概念及意义（一）农业生产潜力的概念1．农业生产潜力的概念农业生产潜力是指在一定时期内、一定土地面积上，农作物摄取太阳能和二氧化碳进行光合作用制造有机物质，最终形成的经济产量。2．农业生产潜力与自然植被NPP的区别首先，农作物是经过人类改良后的植物。广义农作物包括粮食作物、经济作物、果树和牧草等在内供人类及其饲养的畜禽等食用的植物，而不同于其它的自然植被；其次，自然植被的NPP是在自然环境条件下形成的实在的净生产能力，而农业生产潜力则是指在理想的环境条件下农作物最大可能的净初级生产力，是一种潜在的净初级生产力，对它的估算应有一个合理的最大限度的光合作用利用率作为前提。（二）农业生产潜力的意义如上所述，尽管农作物或农业植被不同于其它自然植被，但是在地表自然环境中，它作为一个特殊的农业生态系统仍是全球植物生态系统的一部分，也可看作是自然地理系统中经受人类活动重大影响的一个植物生态系统。这一部分农业植被的净初级生产力对于人类的生存而言有着更为重要的实际意义。当今世界，人口在持续增长，而耕地面积却是有限的，所以农业的增产主要应依靠单位面积产量的提高。然而一公顷农田究竟能产出多少粮食？能负担多少人口的需要？为此，农业生产潜力的研究便成为备受人们重视的世界性问题之一。地理学者们重视农业生产潜力的研究，不仅是因为国际、国内发展形势的需要，也是因为它作为自然地理学研究为农业服务的重点之一，是农业自然地理学的重要研究内容。农业生产潜力作为一种自然生产力存在着地域差异的特点，因此对它的研究也为自然区划和农业区划提供重要依据。农业生产潜力研究还与农业生态系统研究密切相关：对农业生态系统而言，研究农业生产潜力可为评价农业生态系统的质量、制定最优化的农业生产目标提供科学依据。二、农业生产潜力的估算与植物初级生产力估算进行对比，分析植物初级生产力估算模型与农业生产潜力进行对比分析。农作物净初级生产力的大小与不同作物的光合作用转化性能以及对环境条件的适应性能有关，农业管理水平也起相当重要的作用。计算农业生产潜力，必须进行定点长期多项目实测实验工作，获取大量系统的有关数据。项目包括辐射平衡、热量平衡、水分平衡、植物光合作用呼吸作用观测、养分平衡观测（包括作物地上、地下部分的生长观测、土壤养分及理化性质分析、土壤动物、微生物研究等），还应系统记录天气现象与农业措施等。对农业生产潜力的估算，是通过依次计算光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土地生产潜力来完成的。20世纪70年代我国地理学家黄秉维提出一种估算农业生产潜力的方法，计算步骤如下：（一）光合生产潜力简称“光合潜力”。即假设作物具有理想的群体结构，在其生长发育过程中，热量、水分、CO2、土壤养分等外界环境条件及农业技术措施等都处于最佳状态，在作物光合器官上最大效率摄取太阳光能的条件下，根据光合理论测算的作物群体的最高产量，称为光合生产潜力，亦称作物产量的理论上限。黄秉维提出的光合潜力估算方法较简单，计算工作较容易，每项参数也都经过验证和比较，总体选取偏保守的标准，以期计算结果稳妥。令光合潜力为P0（kg/hm2·a）；太阳总辐射能为Q（J/cm2·a）；则P0=0.22Q（kg/hm2·a）。其中，0.22为光合潜力系数。P0的计算依据如下：①太阳辐射能直接为植物光合器官所吸收进行光合作用的部分仅为0.31Q。这是由于：首先，可见光约占太阳总辐射的50%；而其中可有72%照射于植物的光合器官上；此后又有14%被叶面反射。因此，实际用于植物光全器官进行光合作用的可见光，只有太阳总辐射能的0.5×0.72×0.86=0.31倍。②计算可见光光量子合成碳水化合物的数量：在上述0.31Q的可见光中，每焦尔的光量子数为4.5mol，其总数为4.5×0.31Q=1.395Qmol光量子；每合成1mol碳水化合物需要12mol光量子；因此，植物光合器官所吸收的可见光所生成的碳水化合物为1.395Q÷12=0.116Qmol/cm2·a。③光合作用生成的碳水化合物中，有50%消耗于呼吸作用，即重新转化成二氧化碳。因此，农作物最后净生成的碳水化合物量应为0.116Q×0.5=0.058Qmol/cm2·a。④将上述以mol/cm2·a为单位的碳水化合物折算成以kg/hm2·a为单位的产量：按1mol碳水化合物等于3×10-8kg，则每公顷年的产量为0.058Q×3×10-8×108=0.174Qkg/hm2·a。⑤上述植物质中（包括根、茎、叶、籽粒、果实）尚约含有10%的无机养分，以及约含15%的水分，今分别以1.10和1.15的系数计入光合生产潜力。最后P0值为P0=0.174Q×1.1×1.15=0.22Qkg/hm2·a。对于以下的计算尚需作如下说明：（1）光合有效辐射在总辐射中的比例，随太阳高度角不同而异，直射光与散光的比值也不同，今取其中值。（2）落在土面上的阳光，在作物生长盛期约只有5%左右，但生长前期植株的覆盖率低，生长后期植被衰老，算入穗部对阳光的遮挡，总的即可按20%扣除。另外，落在植物非光合器官上的阳光按10%扣除。故共按0.8×0.9=0.72折算。（3）反射光一项也包括了一部分透射光。（4）可见光平均每焦尔的光量子数与总辐射的光量子数要区别，其数量约差一倍。（5）呼吸作用氧化碳水化物成CO2的部分随作物而异，今取较大的数值。（6）光合作用的光量子需要数，其测定值差异较大，约为4~16，今取多数人的测定值12，只能相对准确。（7）用一个系数乘太阳总辐射以计算光合潜力，实际上认为①高光合效能的作物群体在自然界中没有光饱和问题；②高光效作物群体将阳光转变为植物质的效率与光强成线性关系，这一点与传统概念不同。但考虑到近年来有这方面的实验数据，即使传统概念仍有效，因光不强和特别高的天数在我国农业区并不多，所以误差不致太大。（二）光温生产潜力与气候生产潜力1．光温生产潜力上述光合生产潜力是植物的理论生产能力，即最大限度的生产能力，它只考虑光合作用。实际上，植物的生长过程还受温度、水分、土壤状况等因素的影响。例如：温度条件几乎和光一样，也是目前技术条件下很难大面积改变的一个产量因素。作物对温度有敏感的反应，因此需要对光合生产潜力P0作温度因素的调整。经温度调整后的作物生产潜力，称为光温生产潜力，简称“光温潜力”，用Pt表示：Pt=Po·T=P0·365n式中的n——一年中无霜期天数；T=365n——温度有效系数。无霜期是农业气候上一个重要的指标，农作物的安排、种植制度的选择都需考虑无霜期。首先无霜期物理意义明确，当气温降至0℃时，出现霜冻，阻碍作物生产；其次，无霜期反映一地的温度情况，从热带、亚热带到温带、寒带，无霜期由长变短很有规律，也反映作物生长条件的地域差异。例如，我国华南大部分地区的全年无霜期n＞350天，其温度有效系数T=350/365=0.959，则其光温生产潜力Pt=0.959P0，光合潜力将发挥更大能力；我国东北的无霜期只有100天，温度有效系数T=100/365=0.274，则其光温生产潜力Pt=0.274P0，作物的光合潜力即大受影响。2．气候生产潜力简称“气候潜力”。它指当作物群体结构处于最佳状态，作物光合潜力经温度有效系数调整后，再考虑水分状况对作物生长的影响。用水分有效系数W对光温生产潜力Pt进行调整后，即得到气候生产潜力P。因此气候生产潜力又称“光温水生产潜力”。P=W·Pt。式中，W——水分有效系数，W等于降水量r与蒸发力E0的比值，即：W=r/Eo。在应用W值时需要作具体分析。例如，一地在其降水r＞蒸发力E0时，应根据所产生的径流深数值y决定W的取值：如果（r－E0）＜y，则取W=1，表示降水可满足蒸发需要，且不过分湿润，水分因素不限制光温潜力的发挥；当r＞（E0+y）时，取W＜1，表明过于湿润，水分状况影响作物生长。（三）土壤有效系数和农业自然生产潜力农业生产潜力的估算，在气候生产潜力的基础上还应加入土壤因素的影响，这种因素称为土壤有效系数S。土壤对作物产量的影响十分复杂，不易直接取一个通用数值。目前的研究认识也不一致，对于土壤有效系数S对农业生产潜力的影响程度也有不同看法。一般来说，不同土壤的各种理化性状有一定的稳定性，对农作物的生产潜力应发挥一定的影响。今拟根据土壤的8种因素（质地、有机质、速效氮、磷、钾、pH、侵蚀程度、盐化程度）的差别状况分别评分之后，再与地形因素的评分按权重共同组成S值，供参考使用。今将以上因素的评分标准列表如下：（表19）据表19所列指标按实际土壤状况评分后，按下式计算S值S=a8110/iiiyx求得土壤有效系数S后，即可与气候生产潜力相结合，求得农业生产潜力Pa。由于该值未考虑作物种植制度及管理等因素对生产潜力的影响，故Pa又可称为“农业自然生产潜力”。Pa=S·Pw综合以上各调整系数后，农业自然生产潜力可写成：Pa=0.22Q·T·W·S以上所介绍的农业生产潜力估算方法，由于对各系数的计算或取值标准不相同，总的估算会有差异，故应针对具体实际情况，因地制宜、具体分析，以求取得更切合实际的估算值。思考题、讨论题、作业教学后记如何给学生介绍农业生产潜力的估算模型，这有利于培养学生的开创性思维。