第二章__植物生长的光环境调控

项目二植物生长的光环境太阳辐射第一节昼夜和季节第二节太阳辐射第三节地面辐射和大气辐射第四节太阳辐射与农业生产要求深刻理解和熟练掌握的重点内容：•太阳辐射强度和太阳常数概念•太阳高度角变化规律•大气对太阳辐射的减弱•到达地面的太阳辐射强度及影响因素•地面辐射差额有关概念、公式及变化规律•光照与农业生产要求一般理解和掌握的内容：•辐射及其特性•太阳辐射光谱、辐射波谱与农业生产•光能利用与农业生产难点：•太阳高度角、太阳方位角和昼长的计算•推导太阳直接辐射强度公式•日照时间与作物引种返回第一章第一节昼夜和季节一、昼夜1、昼夜的形成地球在自转的过程中，总是有半个球面向着太阳，表现为白昼，称为昼半球，另外半个球面背对着太阳，表现为黑夜，称为夜半球。地球不停的自转，就形成了昼夜交替的现象，如图1—1为昼夜形成示意图。图1-1昼夜的形成2、昼夜长短的变化地球在自转和公转的过程中，由于地轴和地球公转轨道面保持66º33ˊ的倾角，使得晨昏线和地轴不在一个平面上（春秋分除外），又由于地球和太阳的相对位置经常发生变化，而地轴方向保持不变，使晨昏线也经常发生变化，进而形成了昼夜长短的变化。3、日照时间可照时数（昼长）实照时数日照百分率光照时间从日出到日落太阳可能照射的昼长时间。它以小时为单位。它是地面上用日照计实际测量的日照时数。受云层和遮蔽物的影响，由于散射辐射强度几乎达不到日照计感应强度，所以日照时数几乎可以说明太阳直接辐射的时数多少，即晴朗时数多少。它是实照时数与可照时数的百分比。它的大小说明晴阴状况，日照百分率大说明晴天多。可照时数（昼长）是日出至日没的时数，实际上，就民用和作物光合作用所需光照而言，在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0°-6°时，光通过大气散射到地表产生一定光照度，这种光分别称曙光和暮光，所以光照时间=可照时间+曙暮光时间二、季节（一）季节的形成1、日照时间的长短日照时间越长，地面接受的太阳能量越多，而日照时间的长短，随太阳直射地球的位置和纬度的变化而变化。一年中，太阳直射地球的地理纬度变动于南北纬23º27ˊ之间，南北纬23º27ˊ的纬线，分别称为南回归线和北回归线。如图1—2为昼夜长短的季节变化示意图。北半球昼长变化规律：①相同纬度，昼长随季节变化，冬短夏长，春秋介于二者间；②夏季昼长随纬度升高而增长，冬季昼长随纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。•夏至日太阳直射北回归线，北半球昼长夜短，纬度愈高，白昼愈长，在北极圈内（66.5°N）为24h白昼，称极昼现象；南半球则相反。此时，北半球为夏季，南半球为冬季。•冬至日太阳直射南回归线，北半球昼短夜长，纬度愈高，白昼愈短，在北极圈内为24h黑夜，称极夜现象；南半球则相反。此时北半球为冬季，南半球为夏季。•春分日和秋分日太阳直射赤道，全球各纬度均昼夜平分，各为12h，北半球分别为春、秋季。2、太阳高度角的大小太阳高度角（h⊙）：太阳平行光线与水平面之间的夹角。h⊙=0°时最小，h⊙=90°时最大。（见右图）太阳高度角（h⊙）的变化：一天中，早晨和傍晚，h⊙最小，水平面上得到太阳能少；正午，h⊙大，水平面上得到的太阳能多。北半球：一年中，冬至h⊙最小，夏至最大。所以，太阳辐射能夏季大，冬季小。（二）二十四节气二十四节气是根据地球在绕太阳公转轨道上所处的位置而确定的，反映了地球上冷暖变化与太阳位置的关系，如图1－3，地球公转与二十四节气划分。图1－3地球公转与二十四节气划分（二）二十四节气地球绕太阳公转一周要转360度，期间地球要自转365圈，历时365天。把地球公转一周等分为二十四等份，第一等份为15度，大约历时15天，这15天为一个节气。春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连。秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。上半年来六廿一，下半年来八廿三。每年两节日期定，最多相差一两天。第二节太阳辐射一、有关辐射的基本知识1、辐射的概念物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式称辐射，传递交换的能量称辐射能。2、物体对辐射能的吸收、反射和透射投射到物体上的辐射，并不能全部被物体所吸收，而是一部分被它反射，一部分可能透过该物体。如图1—4为物体对辐射的收、反射和投射的示意图。(Q)(Qa)(Qr)(Qt)物体对辐射吸收、反射和透射的能力，各以吸收率、反射率和透射率来表示：吸收率（a）a=Qa/Q反射率（r）r=Qr/Q透射率（t）t=Qt/Qa+r+t=1(1-3)图1—4物体对辐射的吸收、反射和投射二、太阳辐射太阳是一个极其炽热的气态球体，中心温度为2000万度，表面温度高达6000°K，在这样的高温下，太阳时刻不停地把巨大的能量向四周放射能量，称为太阳辐射。（一）太阳辐射光谱太阳辐射光谱：太阳辐射能随波长的分布曲线称之。图中实线是大气上界的太阳辐射光谱，太阳辐射能绝大部分集中在波长150—4000nm之间，占太阳辐射总能量的99%。可见光区（400—760nm）能量占总能量的50%，具有光效应，是人类肉眼可见光谱区，也是植物光合作用的有效光谱区。可见光可按波长由长至短分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。太阳辐射的最大波长λm=475nm，相当于青蓝光区波长。紫外线区（λ400nm）能量占总能量的7%，具有化学效应，全部到达地面有毁灭生物的作用，幸大气中O3层吸收而到达地面的极少，它具有杀菌消毒，促进种子萌发的作用。红外线区（λ760nm）能量占总能量的43%，具有热效应，起着加热地面、大气、动、植物等物体的作用。（二）太阳辐照度1、太阳辐照度太阳辐照度是反映太阳辐射强弱程度的物理量。它指单位时间内垂直投射到单位面积上的太阳辐射能量，其单位为J/m2。当太阳和地球处于日地平均距离时，在地球大气上界垂直于太阳光的平面上的太阳辐照度成为太阳常数。太阳常数并不是一个恒定的常数。（二）太阳辐照度2、光照度光照度是表示物体被光照射明亮程度的物理量。它指单位时间内垂直投射到单位面积上的对正常人眼能产生光亮感觉的太阳辐射能量，其单位为Lx（勒克斯）。（三）大气对太阳辐射的减弱若以大气上界得到的太阳辐射能为100%的话，经过大气层后，大气吸收了14%，大气散射和云层、地面反射共返回宇宙空间43%，能直达和散射到达地面且被地面吸收的仅43%。可见大气减弱太阳辐射是强烈的。大气对太阳辐射的减弱方式•吸收作用•散射作用•反射作用大气的某些成分，具有选择吸收某些波长的太阳辐射的特性，其中最主要的有O2、O3、水汽和CO2等。O2、O3：强烈吸收波长200nm的紫外线；水汽：主要吸收红光及红外线；CO2及微尘杂质：吸收红外线。大气对可见光谱区吸收极少。•分子散射当直径比太阳辐射波长小的质粒所产生的散射。分子散射具有选择性，波长越短，被散射的越强；而波长较长的辐射，则被散射的较弱。•粗粒散射•当直径比太阳辐射波长小的质粒所产生的散射。粗粒散射没有选择性，对各种波长几乎具有同等散射能力，散射系数不再随波长改变，称之为漫射。大气中较大的尘粒、云滴、云层能反射太阳辐射到宇宙空间去，其中云层反射作用最显著。云的反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50-55%。大气对太阳辐射的减弱因素•大气层的厚度•大气透明程度太阳辐射穿过大气的路程越长，它被减弱得越多；反之路径越短，被将减弱得越少。太阳辐射穿过大气层的厚度与太阳高度角有关。太阳高度角越大，太阳辐射穿过大气层的路程越短，反之越长。用大气透明系数表示。与大气的密度、水汽含量以及尘埃杂质大小及含量有关，这些物质越多，大气透明程度越差，因而太阳辐射受到的减弱越强。大气上界h(四)到达地面的太阳辐射强度1、到达地面的太阳辐射的组成经过大气减弱后投射到地面的太阳辐射由两部分组成，即太阳直接辐射和散射辐射。直接辐射是指以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐射。直接辐射照度是指单位面积，在单位时间内所接受的直接辐射，用Sˊ表示。散射辐射是指经散射后，由天空投射到地面的太阳辐射。散射辐射照度是指单位面积，在单位时间内所接受的散射辐射，用D表示。直接辐射与散射辐射之和，称为总辐射。直接辐射照度与散射辐射照度之和称为总辐照度（Q）。即Q=S'+D（1-4）2、影响太阳总辐照度的因素主要是太阳高度角和大气透明系数。(1)太阳高度角当太阳高度角增大时，直接辐射和散射辐射都增大，因而总辐射也增大。又由于太阳高度角有日、年变化和随纬度的变化，因此总辐射也有日、年变化和空间水平变化。（2)大气透明度当大气透明系数增大时，直接辐射增大，但散射辐射减小，这时，辐射总量的变化就取决于直接辐射和散射辐射对总辐射贡献的大小。一般来说，直接辐射大于散射辐射，变化也快，因此，多数情况下，当大气透明系数增大时，总辐射也增大。(3)海拔高度：当海拔升高时，大气透明系数增大，总辐射也增大。(4)云量：云量增多，总辐射可能增大，也可能减小，分为以下三种情况：①当天空乌云密布时，直接辐射为零（Sˊ=0），到达地面的辐照度以散射辐射（D）为主，但其值也减小，则这时的总辐射（Q）必定减小。②当部分天空有云，且云遮住阳光，这时，对该区域来讲，直接辐射为零（Sˊ=0），而散射辐射（D）的增大量补偿不了直接辐射（Sˊ）的减小量，则总辐射（Q）也减小。③当部分天空有云，而且是没有遮住阳光的中云和高云，这时，对该区域来讲，直接辐射（Sˊ）没有明显减小，或减小不多，而散射辐射（D）却有明显增大，因此使得总辐射（Q）增大。3、太阳总辐照度的周期性变化（1）总辐照度的日变化一天中，总辐照度夜间为零，日出后逐渐增大，正午达到最大，午后又逐渐减小。（2）总辐照度的年变化一年中，中、高纬度地区总辐照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，一年中有两个最大值，分别出现在春分和秋分。（3）光照度的变化晴天时，光照度由直射光和散射光两部分组成；阴天时，只有散射光。4、太阳辐射总量在空间上的变化一天内，一般在中纬度地区，夏季太阳辐射日总量大，冬季太阳辐射日总量小；中高纬度不同地区太阳辐射日总量最大值可能出现在春季或秋季；在低纬度地区日总量的变化不大。一年中，太阳辐射年总量一般随纬度的增高而减少。（五）地面对太阳辐射的反射和吸收1、地面的反射辐射:到达地面的太阳总辐射中，有一部分被地面反射回到大气中，称为地面反射辐射。地面反射辐射占到达地面的总辐射的百分率，称为地面反射率，以r表示。反射率主要与下垫面性质有关。下垫面：垫在空气层下面的面。（五）地面对太阳辐射的反射和吸收2、地面对太阳辐射的吸收:由于太阳辐射不能穿透地球，所以地面吸收率为1-r。第三节地面辐射和大气辐射一、地面辐射地面辐射（Ee）：地面昼夜不停的向外放射辐射能，称地面辐射。地面辐射的大部分为大气所吸收，少量透过大气向宇宙空间散逸，如果地面温度按300K计算，地面辐射的波长范围在3000—80000nm之间，最大放射能力的波长约为10000nm。地面辐射的波长全部在红外光区，因此，地面辐射又称为地面长波辐射和红外热辐射。地面长波辐射通过大气层时，大气中的水汽、二氧化碳和水滴等吸收了绝大部分的地面辐射能，其中尤以水汽的吸收能力最强，据统计地面辐射的能量93%被大气所吸收，仅有7%的能量散失在大气层之外，而大气对太阳辐射的吸收仅为大所上界的6%，可见大气能量主要直接来自地面，而不是来自太阳，所以说地面辐射是低层大气的主要热源。二、大气辐射和大气逆辐射大气辐射：大气向外放射的辐射称之。大气平均温度比地面低，其辐射波长范围为7000—12000nm，最大放射能力的波长为15000nm，也属于红外长波辐射。大气辐射有一部分向上进入宇宙空间，有一部分向下到达地面，这一部分因与地面辐射的方向相反，称为大气逆辐射（Ea）。大气温室效应大气能让大部分的太阳辐射透过而到达地面，使地面获得能量：却把地面辐射几乎全部吸收，阻止地面能量外泄；还以大气逆辐射的形式把一部分能量传回给地面，补偿了地面以辐射的形式所损失的能量，这就使地面不至于过多地损失热量，而对地面起到了保温作用，这种作用称为大气热效应。因为大气效应与温室玻