农业气象学第三章

第三章热量条件与农业生产主要内容§1温度的概念§2温度强度对农业生物的影响§3积温学说及其在农业上的应用§4温度的周期性变化对农业生物的影响§5不利温度条件对农业生物的影响§6近地层气温及土壤温度的调控技术实习2：积温的求算本章重点与难点本章重点：三基点温度、农业界限温度、活动积温、有效积温、作物的感温性和温周期现象等基本概念。积温的求算方法、稳定性分析、改进措施及其应用，不利温度条件对农业生物的影响，近地层气温及土壤温度的调控技术。本章难点：积温表达形式与求算方法的改进及应用。§1温度的概念主要内容：●什么是温度?●气温及其时空变化●土壤温度的时空变化●温度对生物影响的主要方式一、温度的概念在研究热量条件与生物生长发育的关系时，一般都用温度这个物理量表示。温度：温度是表示物体冷热程度、反映系统分子状态和热量水平的物理量。具体指物质分子的内能，表现为冷或热。计量单位为华氏度、摄氏度或开氏度。二、气温及其时空变化1、概念：表示空气冷热程度的物理量。气温的高低变化，实质上是内能大小的变化，当内能增加时，温度升高；当内能减少时，温度降低。引起空气内能发生变化的原因有两种：一种是由于空气与外界有热量交换引起的，称为非绝热变化，另一种是空气与外界没有热量交换，而是由外界压力的变化对空气做功，使空气膨胀或压缩引起的，称为绝热变化。2、气温的时空变化空气温度高低取决于空气的热量收支情况，低层空气的热量主要来源于下垫面，由于下垫面的热量不断地发生日、年周期性变化，所以空气温度也随着发生日、年周期性变化，特别是离地50m以下的近地气层，这种变化更为明显，另外，在空气的水平运动影响下，空气温度还会产生非周期变化。（1）气温的周期性变化a.气温的日变化气温日较差影响气温日较差的因素主要有：纬度、季节、地形、下垫面、天气b.气温的年变化气温年较差影响气温年较差的因素主要有：纬度、地形、下垫面（2）气温的非周期性变化“倒春寒”“秋老虎”（3）气温的垂直分布三、土壤温度的时空分布1、日变化2、年变化3、垂直分布四、温度对生物影响的主要方式●温度强度（高、低）●持续时间（累积）●温度变化（周期性）在这三个方面中，温度强度是最基本的。只有具备了一定的强度，其持续时间与变化才能对农业生物产生影响。§2温度强度对农业生物的影响主要内容：●农业生物生命活动的基本温度●温度与农作物的生长发育●温度条件与作物引种一、农业生物生命活动的基本温度1、三基点温度（1）作物生命活动的三种温度范围●维持生命的温度，最宽●适宜生长的温度，次之●保证发育的温度，最窄作物生命活动的基本温度如下图所示。维持生命温度适宜生长温度保证发育温度-1001020304050℃光合温度呼吸温度作物生命活动的基本温度示意图（2）三基点、五基点或七基点温度作物生命活动的每一个过程，都有三个基本点温度，即三基点温度。●最低（下限）温度●最适温度●最高（上限）温度对于作物的生长，在最适温度下生长迅速而良好，在最低和最高温度下作物停止生长，但是仍然能够维持生命而不受害。所以在三基点温度之外，还可以确定作物的受害温度（受害高温或受害低温）以及致死温度（致死高温或致死低温）。这就是通常所说的五基点温度或者七基点温度。三基点、五基点或七基点温度见下图。如果温度继续降低或升高，作物就会逐渐受到不同程度的危害直至死亡。致受最最最受致死害低适高害死低低温温温高高温温度度度温温温度三基点五基点七基点温度作物三、五或七基点温度范围示意图（1）有关试验及结果分析●几种主要作物的三基点温度作物最低温度最适温度最高温度牧草3～42630小麦3～4.520～2230～32油菜4～520～2530～32玉米8～1030～3240～44棉花13～1528352、三基点温度的特征生育期最低温度最适温度最高温度种子发芽期10-1220-3040苗期12-1526-3240-42分蘖期15-1625-3240-42抽穗成熟期15-2025-3040水稻主要生育期的三基点温度光合作用和呼吸作用的三基点温度范围最低最适最高光合作用0－5℃20－25℃40－50℃呼吸作用－10℃36－40℃50℃病虫对温度的反应区别●不同作物的三基点温度不同；●同一作物不同品种的三基点温度不同；●同一品种不同生育期的三基点温度不同；●同一作物不同生理过程三基点温度不同；●同一植株上不同器官的三基点温度不同。（2）特征●最低、最适、最高温度指标不是一个具体的数值，而是具有一定的范围，不仅与强度有关，还与作用的持续时间有关。●无论是生存、生长还是发育，其最适温度基本上是在同一个变幅范围，差异很小。●各种作物的最低温度的最低点差异很大，且最低温度与最适温度差值较大。共同特征●在作物的生命过程中，最低温度远较最高温度出现的机率大。●各种作物最高温度指标值差异较小，且各种作物的最高温度与最适温度值也比较接近。●确定温度的有效性●判断作物是否受害●确定作物的种植季节与分布区域●估算作物生长发育速度●计算作物生产潜力…………（3）三基点温度的用途●界限温度的定义界限温度是标示着某些重要物候现象或农事活动开始终止的温度。而所谓界限，完全是根据农业生产和气象条件的关系来划定的。●农业气象学常用的界限温度0℃；3或5℃；10℃；15℃；20℃3、界限温度及其农业意义●各种界限温度的农业意义0℃：土壤冻结和解冻，越冬作物秋季停止生长，春季开始生长。春季0℃至秋季0℃之间的时段即为农耕期。3-5℃：早春作物播种、喜凉作物开始生长、多数树木开始生长。春季3(5)℃至秋季3(5)℃之间时段为冬作物或早春作物的生长期。10℃：春季喜温作物开始播种与生长，喜凉作物开始迅速生长。开始大于10℃至开始小l0℃之间的时段为喜温作物的生长期。15℃：初日为水稻适宜移栽期，棉苗开始生长期，终日为冬小麦适宜播种期。初终日之间的时段为喜温作物的活跃生长期。20℃：初日为热带作物开始生长期，水稻分蘖迅速增长，终日对水稻抽穗开花开始有影响，往往导致空壳。初终日之间的时段为热带作物的生长期，也是双季稻的生长季节。二、温度与农作物的生长发育1、有关试验研究结果●范霍夫（荷兰）定律在一定的温度范围内，温度对主要生命过程的影响基本上服从范霍夫定律，即温度每升高10℃，反应速率加快一倍：21010TTKKQ式中KT和KT+10分别为T和T+10时的化学反应速率。●光合作用强度与温度的关系40光合强度(mgCO2/dm2/hr)马铃薯30黄瓜201001020304050温度℃光合作用—温度曲线（伦德加，1945）●呼吸作用强度与温度的关系50呼吸强度(mgCO2/dm2/hr)403020100102030405060℃呼吸作用—温度曲线（伦德加，1945）●光合作用强度与呼吸作用强度之比（P/R）6P/R54321010203040温度℃P/R—温度曲线●植物生长与温度的关系1.00相对速率光合作用0.75植物生长呼吸作用0.500.250.00010203040温度℃植物生长—温度曲线（1）不同作物的光合作用强度与温度的关系不完全相同，但各种作物“光合作用—温度”曲线的一般形状是基本一致的。（2）“光合作用—温度”曲线和“呼吸作用—温度”曲线的变化趋势近似。（3）光合作用和呼吸作用也有它们的三基点温度，但呼吸作用的最适温度比光合作用的高。2、主要结论（5）作物有机物质的增加，取决于光合作用所积累的有机物质和呼吸作用所消耗的有机物质之差。（6）温度还通过影响植物对无机养分的吸收及植物的蒸腾作用来影响植物的光合作用。（4）随着温度的升高，光合作用与呼吸作用的比值降低。（7）温度对作物生长的影响还与作物本身的生理机能有关。C3植物适宜的温度范围是20～25℃，而C4植物适宜的温度范围是30～35℃。（8）温度对作物生长的影响还和其前期的温度条件（前期温度锻炼）密切相关。三、温度条件与作物引种1、引种是丰富地区种质资源，提高农产品产量和品质的重要手段。2、在作物引种工作中，除了要考虑土壤、肥力和农业技术措施等条件以外，一定要遵循原产地和引入地生态环境特别是农业气候相似原理。●北种南引（高山引向平原）比南种北移（平原引向高山）容易成功。因为南种北移是作物能否成活的问题，而北种南引则是温度可能影响产品质量的问题。3、根据作物对温度条件的要求和引种成败的经验，作物引种有下列三条规律：●温度对植物生长的作用，在一定程度上是相对的，各种植物都有一定的适应性，因此在植物引种的过程中，存在着气候驯化现象。●草本植物要比木本植物引种容易成功，一年生植物较多年生植物引种容易成功，落叶植物比常绿植物引种容易成功，灌木要比乔木引种容易成功。§3积温学说及其在农业上的应用主要内容：●积温的定义和积温学说●积温的种类与计算方法●积温的稳定性与改进措施●积温在农业生产中的应用一、积温的定义和积温学说1、积温的定义积温的概念经历了很多年的发展历程，并因研究目的不同而有差异。但从广义的角度可以把积温定义为：某一时段内逐日平均气温之和，单位为℃。2、积温学说的发展1735年，法国DeRéaumur提出热量常数的概念，指出各种作物完成每个发育期都需要相应的温度总和。1875~1878年，F.Haberlandt给出了大多数作物的积温指标。1923年，F．C．Houghton和C．P．Yaglou提出了有效温度的概念，开始了对作物有效温度和生物学零度以及有效积温的研究。3、积温学说的内容●在其他条件得到满足的前提下，温度对作物的发育起着主导作用。●作物开始发育要求一定的下限温度；而根据近年来的研究结果，在高温季节完成的发育期还存在有上限问题。●作物完成某一阶段的发育需要一定的积温。1、积温的种类常用的主要有活动积温和有效积温两种。（1）下限温度（生物学零度）作物开始生长发育要求一定的下限温度，实际上是作物生长发育的起始温度，又称为生物学零度，用B表示。当日平均气温高于下限温度时对作物的生长发育有效；等于或低于下限温度时则无效，即对作物生长发育来说是零度。二、积温的种类与计算方法把高于下限温度（B）的日平均气温（Ti）称为活动温度。作物在某一时段内活动温度的总和称为活动积温（Aa），用下式表示：niiaTA1（2）活动积温（Ti＞B；当Ti≤B时，Ti=0。）活动温度与下限温度之差（Ti–B）称为有效温度。作物在某时段内有效温度的总和称为有效积温（Ae），用下式表示：niieBTA1（3）有效积温（Ti＞B；当Ti≤B时，Ti-B=0。）a.活动积温优点：考虑了生物学零度，排除了对作物发育不起作用的生物学零度以下的日平均气温；用实测的日平均气温统计，比较方便。不足：活动积温包含了一部分低于生物学零度的无效温度，使积温的稳定性较差。活动积温多用于农业气候分析。（4）活动积温和有效积温的比较优点：排除了对作物不起作用的生物学零度以下的无效温度，积温稳定性好，较符合实际。不足：统计比较繁琐，往往给分析计算带来一定的困难。有效积温多用于研究作物的发育与热量条件的定量关系，建立作物发育速度的农业气象模式和编制农业气象预报等。b.有效积温（5）积温的基本特征作物早熟型中熟型晚熟型马铃薯100014001800谷子1700～18002200～24002400～2600玉米2100～24002500～2700＞3000水稻2300～26002800～35003500～4100棉花2600～31003200～36004000a.有关试验及分析结果●几种主要作物所需10℃以上活动积温●水稻IR661播种至始穗需10℃以上活动积温期次123456播种25/430/410/520/51/610/6始穗6/86/810/816/825/82/9天数1039891878584积温147114421457149314641431●不同作物，同一作物的不同品种，同一品种不同发育期所需的积温是不同的。●同一作物品种的同一发育期在不同年份、不同播期、不同地区所经历的天数可能不同，积温值也有一些差异。但从理论上讲，B值和A值应该是不变的，特别对Ae值而言更是