第五章作物与生态环境

第五章作物与生态环境作物学通论第一节作物的生态因子与生长调节一、生态因子1、生态因子的概念作物存在的生态系统称为农田生态系统农田生态系统与其它生态系统一样也是由生物因子和非生物因子所组成。农作物本身是这个系统生物因子中的一个种群。与作物相关的所有环境因子，统称生态因子。作物学通论第一节作物的生态因子与生长调节一、生态因子2、生态因子的分类(1)气候因子包括光照、温度、水分、空气等诸多因子，随地理位置和海拔高度而变化。(2)土壤因子土壤水分、土壤空气和土壤结构、土壤温度、土壤酸碱度、土壤肥力、土壤有机质、土壤生物等。(3)地形因子高原、山地、平原、低地以及坡度的大小和坡向等。(4)生物因子动物如哺乳动物、昆虫等，其中昆虫对作物影响较大；植物中除作物本身外还有各种杂草微生物中包括对作物有益的微生物和有害的病原菌等。(5)人为因子栽培措施作物学通论3、生态因子的作用机制与限制方式(1)生态因子的作用机制生态因子作用的主次效应在一定的环境条件下，众多的生态因子中总有一、两个因子起着主导性的、决定性的作用，而其它因子则处于次要的地位。生态因子的交互作用效应当作物受到多个生态因子的作用时，各个因子对作物的效应会表现出某种交互作用。生态因子的直接作用和间接作用有些生态因子，如光、温、水、气和土壤养分等(生活因子），能直接影响或参与作物的新陈代谢；另一些生态因子，如纬度、海拔、地形等则是通过影响上述因子间接作用于作物。生态因子作用的阶段性在农田环境中，各个生态因子及其组合会随着时间的推移而发生阶段性的变化，加上不同生育阶段的作物对生态因子有不同的反应。因此，生态因子的作用往往表现出一定的阶段性特点。作物学通论3、生态因子的作用机制与限制方式(2)生态因子的限制方式李比希最小因子定律德国化学家李比希提出了“植物的生长取决于数量最不足的那一种营养物质”的观点，即最小因子律。（限制因子）条件：第一，这一定律只有相对稳定的条件下才能运用。第二，必须考虑因子间的相互作用。报酬递减律从经济学移植到农业生产上。从一定的土地上所得到的报酬随着向该土地投入的劳动和资本量的增大而有所增加，但随着投入的单位劳动和资本量的增加，报酬增加的幅度却在逐渐减少。作物学通论3、生态因子的作用机制与限制方式(2)生态因子的限制方式谢尔福德耐性定律在最小因子定律的基础上，人们发现某些因子的过量也会成为限制因子。谢尔福德把最大量和最小量限制作用的概念合并为耐性定律。A一种生物对各种生态因子的耐性范围不同；不同生物对同一生态因子的耐性范围也不同。B同一种生物在不同发育阶段对生态因子的耐性范围不同C由于生态因子间的相互作用，在某个生态因子不是处于最适状态时，则生物对其它一些生态因子的耐性范围缩小。D对主要生态因子耐性范围宽的生物种，其分布范围广。E同一生物种内的不同品种，长期生活在不同的生态环境下，会形成对多种生态因子的不同耐性范围，从而形成生态型的分化。作物学通论二、作物的生态适应性作物的生态适应性，系指作物对环境的要求与实际环境的吻合程度。即作物生长发育和产量形成的节律与环境节律的吻合程度。作物的生态适应性具有地区性和季节性，而季节性又是其核心。作物各生育时期对环境有一个综合要求，不利的环境因子降低了其它适宜因子的作用，适宜的环境因子能部分弥补不利因子的不良作用。作物的生态适应性就是每种作物具有的遗传、生理、生态等属性和环境相统一的特性。一般生态适应性可分为：强、中、弱和不适应四个等级。同一种生物（包括作物）的不同个体群，长期生活在不同的生态环境或人工培育条件下，发生趋异适应，经自然和人工选择分化形成了生态、形态和生理特性不同的基因型类群，称为生态型。（种以下）不同种的生物（作物）在自然和人工选择条件下，形成具有类似形态、生理和生态特性的生物（作物）类群，称为生活型。（种以上）作物学通论三、作物生长的环境调节1、环境因子在自然界中并非孤立存在，而是互相影响相互制约的2、采取各种“应变”措施，处理好作物与环境的相互关系，既要让作物适应当时当地的环境条件，又要使环境满足作物的要求，作物学通论环境措施作物产品第二节作物与光照一、光照度对作物的影响1、太阳光的性质光是太阳辐射能以电磁波的形式投射到地球表面的辐射线。太阳放射出不同频率和波长的电磁波，组成太阳光谱。到达地球的太阳光谱范围是250～4,000nm之间。作物学通论第二节作物与光照一、光照度对作物的影响1、太阳光的性质光的波长及其所含的能量对作物有非常重要的意义：(1)热效应：辐射是作物体与外界环境进行能量交换的主要形式。太阳能被作物截获后大部分转化为热能，用于蒸腾以及维持作物的体温，保证各代谢过程以合适的速率进行。(2)光合作用：作物把吸收的太阳辐射能的一部分用于光合作用，它是作物将光能转化为化学能进行生产的基础。(3)光形态建成：太阳辐射的数量（光强）和光谱成份（光质），对作物的生长和发育的调整起着重要作用。(4)诱发性突变：太阳光中紫外线、X-射线等波长很短的高能量辐射对生物有杀伤作用，同时它们也能改变遗传物质的结构引起突变。作物学通论第二节作物与光照一、光照度对作物的影响1、太阳光的性质不同光谱成分对作物生育和产形成的作用作物学通论第二节作物与光照一、光照度对作物的影响2、光照强度及其变化太阳光照强度在地球大气层上方基本上是恒定的，大约在1395.9W/m2，这一数值称为太阳常数太阳光通过大气层时，由于散射、反射和被气体、水蒸气、空气中的尘埃微粒所吸收，强度减弱，并且进行了重新分配。在穿过作物冠层时，太阳辐射又会大大减弱。在自然界中光照强度和光合有效辐射(photosyntheticactiveradiation,PAR)是随时随地变化的，这些变化与天气、太阳高度角、纬度、海拔、坡向等有密切关系。作物学通论第二节作物与光照一、光照度对作物的影响3、光照度对作物的影响叶片光合速率与呼吸速率相等，净光合速率为零，这时的光强称为光补偿点。在一定范围内（低光强区），光合速率随光强的增加而呈比例增加；超过一定光强后，光合速率增加变慢；当达到某一光强时，光合速率就不再随光强而增加，呈现光饱和现象开始达到光合速率最大值时的光强称为光饱和点。此点以后的阶段称为光饱和阶段不同作物光照—光合曲线不同，光补偿点和光饱和点也有差异作物学通论C3植物、C4植物和CAM植物的某些光合特征和生理特性特征C3植物C4植物CAM植物叶结构叶绿体叶绿素a/bCO2补偿点（ul/L）光合固定CO2的途径CO2最初受体光合作用最初产物PEP羧化酶活性(μmol/mg.min)强光下的净光合速率（mgCO2/dm2h）光呼吸同化产物分配蒸腾系数(gH2O/gdw)维管束鞘不发达，周围叶肉细胞排列疏松只有叶肉细胞有正常叶绿体约3：130～70只有卡尔文循环RuBPPGA0.30～0.3515～35多，易测出慢450～950维管束鞘发达，周围叶肉细胞排列紧密叶肉细胞有正常叶绿体，维管束鞘细胞有叶绿体但基粒无或不发达约4：110C4途径和卡尔文循环PEPOAA16～1840～80很少，难测出快250～350维管束鞘不发达，叶肉细胞液泡大只有叶肉细胞有正常叶绿体≤3：1光照下：0～200，黑暗中：5CAM途径和卡尔文循环RuBP(光）PEP（暗）PGA（光）OAA（暗）19.21～4很少，难测出不等光下：150～60暗中：18～100第二节作物与光照一、光照度对作物的影响3、光照度对作物的影响群体的光合作用大豆：单叶光饱和点：27000lx光补偿点：1700lx（吉林13号，赵述文，1981）右图：群体内光照情况（铁丰18号，沈阳农学院，1981）作物学通论顶：12.6万lx2/3：2750lx1/3：910lx底：450lx第二节作物与光照二、日照长度对作物的影响1、日照长度及其变化除赤道以外，地球上各纬度的白昼长度，都是随季节而改变的自然界中一昼夜间的光暗交替称为光周期2、光周期现象和作物光周期类型作物在发育的某一阶段，要求一定长短的昼夜交替，才能开花，这种现象叫作物的光周期现象。(1)长日照作物：这一类作物要求在24小时昼夜周期中，日照长度长于某一个临界日长才能成花。小麦、黑麦、大麦、油菜、甜菜、菠菜、萝卜等。(2)短日照作物：这一类作物要求在24小时昼夜周期中，日照长度短于某一个临界日长才能成花。水稻、玉米、大豆、高梁、烟草、大麻、黄麻等(3)日中性作物：这类作物的成花对日照长度不敏感，在任何长度的日照下均能开花。棉花、黄瓜、茄子、辣椒、番茄等。作物学通论第二节作物与光照二、日照长度对作物的影响3、光周期诱导的机理在植物的光周期诱导中，暗期的长度是植物成花的决定因素，尤其是短日作物对不同波长光的研究中发现，红光最为有效，而远红光的作用相反。作物学通论PrPfr生理效应破坏暗逆转第二节作物与光照二、日照长度对作物的影响4、光周期理论在生产上的应用（1）引种一般在同纬度地区，只要肥水条件相似，引种容易成功。从不同纬度的地区引种时，一定要进行试验，且忌盲目引进。(2)育种花期相遇南繁北育(3)控制花期花卉生产菊花（短日照），杜鹃、山茶花（长日照）(4)调节营养生长和生殖生长以营养器官为主要收获物的作物，适当推迟开花能够提高产品的产量和品质，短日作物从南方引进种子到北方种植能达到这一目的。“南麻北种”就是把我国华南生产的大麻、黄麻及红麻的种子，运到北方种植，不仅提高了产量，麻纤维的质量也相应提高。利用暗期的光间断处理，可以抑制甘蔗开花，从而提高产量。作物学通论第三节作物与温度作物生长发育需要一定的热量，表示热量的是温度。各种作物生长、发育都要求一定的温度条件。同时温度也会引起其它环境因子发生变化，如土壤水分、大气湿度及土壤肥力等。真正影响作物生理、生化活动的是作物的体温，而作物是变温的有机体，它的体温虽然可以有一定程度偏离环境温度，但又总是趋向于环境温度。环境温度包括大气温度和土壤温度。作物学通论第三节作物与温度一、温度的变化节律及其对作物的影响气温变化可分为周期性变化(节律性变温)与非周期性变化(非节律性变温)两大类。1、气温的时间变化温度在一天内有一个最高值和一个最低值，最高值与最低值之差，称为气温的日较差，日较差的大小，因纬度、季节、海陆、天气状况的不同而异。一年内有一个最高值和一个最低值。一年中最高月平均气温（最热月）与最低月平均气温（最冷月）之差，称为气温的年较差在北半球，最热月出现在7月（大陆上）和8月（海洋上），最冷月出现在1月（大陆）和2月（海洋）作物学通论第三节作物与温度一、温度的变化节律及其对作物的影响2、气温的空间变化（1）气温的水平分布气温在水平方向上的变化，称为水平地理分布。气温的水平地理分布与地理纬度、海陆分布等因素密切相关。赤道到两极可以划分为热带、亚热带、温带和寒带。一般纬度每增加一度，年平均温度降低0.5℃。①两半球的年平均温度由赤道向极地降低。②各纬度之间年平均温度的变化及其强度并不相同，在赤道与20度纬线之间，纬度每隔10度，温度下降不到2度。而在两半球20～50度之间，温度下降加快。有的地方每隔纬度10度，下降10～13℃，由80度到极地温度下降的速度略为减退。③南半球各纬度的年平均温度比北半球同纬度要低一些，全球年平均温度为14.3℃，而北半球为15.2℃，南半球为13.3℃。全球平均最高气温不在赤道，而在北纬10度附近，④温度年较差也是由赤道向极地增大，在北半球温度年较差自20度纬线开始显著增大，而南半球要从南纬50度起才显著增加。由于北半球自20度纬线向北，大陆面积显著扩大；而南半球由赤道到南纬50度，大陆面积始终很小，这就缓和了这里温度的年较差。作物学通论第三节作物与温度一、温度的变化节律及其对作物的影响2、气温的空间变化（2）气温的垂直分布气温随海拔高度的变化，称为气温的垂直分布。一般对流层的温度随海拔高度的升高而降低。海拔每升高100米温度降低的数值，称为气温直减率。在对流层的不同高度，气温直减率也不相同，平均为0.65℃/hm。在对流层内，有时上层空气比接近地面的空气更热。这种现象称为“逆温”。形