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1、第五章 二氧化碳、風(fēng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn),§1 二氧化碳對植物的影響§2 農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控§3 風(fēng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控,1,本章重點(diǎn)與難點(diǎn),本章重點(diǎn): 二氧化碳飽和點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)等基本概念, 碳循環(huán)、二氧化碳與光合作用、二氧化碳 增加對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、群體二氧化碳通 量及濃度變化規(guī)律等分析,二氧化碳調(diào)控 技術(shù)。 本章難點(diǎn): 農(nóng)田二氧化碳變化規(guī)
2、律分析。,2,§1 二氧化碳對植物的影響,一、大氣中CO2濃度及碳素循環(huán) 1、大氣中的CO2濃度及其長期演變趨勢 工業(yè)革命前(1750~1800年):280μL/L。其后不斷增加,增長速度不斷加快。年增長速度: 1840~1900年,0.12μL/L; 1900~1960年,0.34μL/L; 1960~1990年,1.26μL/L。 至1991年全球大氣中的CO2濃度已達(dá)3
3、55μL/L。 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為到2025年 ,大氣中CO2濃度可達(dá)380~470μL/L,全球?qū)⒁驕厥倚?yīng)增溫1.5~4.5℃。,3,2、碳素循環(huán) (1)大氣中的源和匯 a、大氣中的CO2的源 ● 海洋。它是人類活動(dòng)影響前大氣中CO2最重要的一個(gè)源。全球由海洋到大氣的CO2平均凈通量約為 4.151*1014 g(C)/a。 ● 地幔(土壤)。它是大氣中CO2的另一個(gè)重要的源,每年約有0.27
4、3*1014g(C)的CO2由地幔直接進(jìn)入大氣。,4,● 人類活動(dòng)。包括大量使用煤、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料向大氣排放CO2以及植物破壞。 有些研究報(bào)告的估算認(rèn)為,在1850~1950年的100年間,由于人類活動(dòng)而進(jìn)入大氣中的碳達(dá)到1.8*1011T,其中1/3來自化石燃料的燃燒,其余2/3則來源于植被特別是森林破壞影響大氣碳平衡的結(jié)果。,5,● 減緩全球變暖措施之一?封存CO2 丹麥一家火力發(fā)電廠
5、正在努力回收 CO2,將其儲(chǔ)存在4個(gè)地點(diǎn),其中一處是距西班牙海岸不遠(yuǎn)的一個(gè)廢棄油田。 挪威一家能源公司每年從斯萊普納天然氣田中抽取100萬噸CO2,將其注入北海海底的鹽堿層內(nèi)。,6,b、大氣中CO2的匯 ● 生物圈。其機(jī)制主要是植物通過光合作用吸收大氣中的CO2而形成有機(jī)物質(zhì),陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣中CO2交換的凈通量為4.342*1014 g(C)/a。 ● 水圈。大氣中CO2溶解進(jìn)入水圈。
6、 CO2+H2O → H2CO3 ● 巖石圈。大氣中CO2淋化進(jìn)入巖石圈。 H2CO3+Ca++ → CaCO3↓+2H+,7,(2)碳素循環(huán) a、陸地碳的循環(huán)過程,8,大氣中CO2的貯量大約是7000*108t,而每年大約200~ 300*108tCO2為光合作用所利用,另有1000*108t CO2是以碳酸鹽形式流入海洋,光合作用所消耗的CO2總量不到碳酸鹽途徑的1/3。而從生物圈中的碳循
7、環(huán)過程看,綠色植物的光合作用是推動(dòng)碳循環(huán)的主要原動(dòng)力,而且只有CO2形態(tài)的碳才能進(jìn)入碳循環(huán)。,9,對整個(gè)地球而言,二氧化碳在高緯度及兩極地區(qū)水溫低的海洋中溶解度高于低緯及赤道地區(qū)水溫高的海洋。因此,寒冷海洋大量吸收大氣中的CO2 ,并通過深層“寒流”再輸送到熱帶地區(qū),從而完成了全球水陸CO2的循環(huán)。,10,b、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán) 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)如下圖所示。,11,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)可表示為: 碳平衡(Bi
8、) = 吸收量(Ui) - 排放量(Ei) = 固定量(Fi) + 轉(zhuǎn)移量(Ti)式中,i為年度。 由上式可知,如果 Bi > 0 ,則 Ui > Ei 或Fi + Ti > 0 ,說明系統(tǒng)周年內(nèi)有了一定的碳積累,即固定于系統(tǒng)中,對大氣而言吸收多于排放,為碳之匯,反之則為碳之源。,12,二、 CO2對植物的影響,1、植物對CO2的吸收和利用 (1)植物吸收CO2的過程
9、 a、從大氣通過湍流和對流交換輸送到葉片附近。這段路程最長 ,CO2與葉片的距離以m或cm來計(jì)算,該段路程阻力最小。 b、從葉片周圍通過氣孔到達(dá)葉肉細(xì)胞表面。距離不到1cm,其阻力大小首先決定于氣孔阻力的大小,此外CO2分子還要克服葉片內(nèi)表皮阻力,才能到達(dá)葉肉細(xì)胞表面。,13,C、從葉肉細(xì)胞表面進(jìn)入到葉綠體內(nèi)。距離最短,在1mm以下,在這段路程中,CO2首先要克服葉肉阻力(約為2~10 s/cm),其后CO2
10、分子要穿過原生質(zhì)液相,才能到達(dá)葉綠體.,14,在這三種阻力的作用下,表達(dá)在光合作用中CO2向葉內(nèi)擴(kuò)散量(Pc)的關(guān)系式為:式中,fc為CO2單位換算系數(shù),即將mg/kg換算為g.CO2 /cm3的系數(shù) ,等于1.97*10-9。其中,葉綠體中CO2濃度在光合作用活躍時(shí)可能是很小的,因此,上式可近似地寫成:,15,(2)CO2飽和點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)a、CO2飽和點(diǎn) 在輻射能充分滿足的條件下,植物的光he速率不再隨CO2
11、濃度增加而增大時(shí)的CO2濃度稱為CO2飽和點(diǎn)。 5~10lx光強(qiáng)時(shí),植物的CO2飽和點(diǎn)一般為800~1800μL/L。,16,b、CO2補(bǔ)償點(diǎn) 植物光合作用所消耗的CO2與呼吸作用釋放的CO2達(dá)到平衡時(shí),環(huán)境中的CO2濃度稱為補(bǔ)償點(diǎn)。 ● CO2補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)的光合速率等于零。 ● CO2補(bǔ)償點(diǎn)是了解和衡量作物光合作用與呼吸作用兩者關(guān)系的一個(gè)重要生理指標(biāo)。 玉米等C4植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)為0~10
12、μL/L; 小麥等C3植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)為40~100μL/L。 ● CO2補(bǔ)償點(diǎn)還與作物發(fā)育和環(huán)境條件有關(guān)。,17,(3)影響作物同化CO2速率的因子 a、種間差異 C4植物同化CO2的速率比C3植物要大的多。據(jù)測定,在適宜的環(huán)境條件和同樣的光強(qiáng)、 CO2濃度下,C4植物的產(chǎn)量比C3植物高出近一倍。 b、光強(qiáng)的影響 光強(qiáng)、CO2濃度與光合作用之間關(guān)系:,18,式中,P為光合作用強(qiáng)度;
13、DC(Max)為光達(dá)到飽和且CO2為某一濃度時(shí)的植物同化CO2速率;a為常數(shù)。 c、溫度的影響 在光強(qiáng)和CO2濃度條件得到滿足時(shí),光合作用強(qiáng)度隨溫度的變化呈拋物線型。顯然,作物同化CO2的速率受溫度的影響也存在著同樣的關(guān)系。,19,d、水分的影響 水分含量的多少通過氣孔開度的大小來影響作物同化CO2的速率。 當(dāng)水分不足時(shí),氣孔變狹,減少CO2吸收;同時(shí)原生質(zhì)的水合作用減弱,光合能力降低 。而水分
14、過多時(shí) CO2吸收亦會(huì)逐漸減弱甚至停止。 因此,正常的CO2交換只有在水分供應(yīng)適宜時(shí)進(jìn)行,其范圍較窄。,20,e、風(fēng)的影響 風(fēng)的影響主要包括三個(gè)方面。一是空氣流動(dòng)可不斷地從群體外部向群體內(nèi)部輸送和補(bǔ)充CO2;二是加強(qiáng)群體內(nèi)的湍流交換,把下層葉片和土壤呼吸放出的CO2帶到光合能力較強(qiáng)的群體上層;三是風(fēng)速逐漸增大會(huì)使CO2擴(kuò)散阻力明顯減少。 f、群體結(jié)構(gòu)的影響 直立葉片較多的群體,通風(fēng)、透光情況良
15、好,有利于群體中CO2的擴(kuò)散,對提高群體光合能力及干物質(zhì)積累有利。,21,2、CO2濃度增加對作物的影響 (1)直接影響 a、實(shí)驗(yàn)裝置 人工模擬CO2增加對作物影響的實(shí)驗(yàn)裝置主要有溫室、人工氣候箱、氣室和開放式試驗(yàn)田塊等。 氣室在近百年的發(fā)展中,其結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化,主要有三個(gè)發(fā)展階段: 密閉式靜態(tài)氣室; 密閉式動(dòng)態(tài)氣室和; 開頂式氣室。,22,b、直接影響 FACE(
16、free-air CO2 enrichment)試驗(yàn)開展的十多年中,CO2濃度升高對作物的主要影響結(jié)果: ● 促進(jìn)了植物的光合作用,增加了其生物量的累積; ● 顯著提高了C3作物產(chǎn)量,但對C4作物產(chǎn)量的影響很??; ● 降低了C3和C4作物的氣孔導(dǎo)度,非常顯著的提高了所有作物的水分利用率;,23,● 對植物生長的促進(jìn)作用在水分不足與水分充足時(shí)二者相當(dāng)或前者大于后者; ● 對非豆科植物生長的促進(jìn)作用
17、要受到土壤低氮水平的限制 ,而對豆科植物則不受氮肥水平限制; ● 對根系生長的促進(jìn)作用要大于地上部分; ● 對多年生植物氣孔導(dǎo)度的影響較少,但對其生長的促進(jìn)作用仍然很高;,24,● 降低了植物體內(nèi)的氮含量,但作物體內(nèi)碳水化合物及某些其它含碳化合物含量增加 ,且葉部含量要明顯高于植物其它器官; ● 對大多數(shù)作物的物候略有加速; ● 對某些土壤微生物具顯著影響,對有些則無,但都增加了微生物的活性
18、; ● 土壤對大氣CO2的固定量增加。,25,(2)間接影響 主要是通過CO2濃度增加引起全球氣候變化,從而對全球農(nóng)業(yè)生物產(chǎn)生影響。 氣候效應(yīng)主要包括兩個(gè)方面: 一是溫室效應(yīng)即導(dǎo)致氣溫升高; 二是氣候變暖導(dǎo)致內(nèi)陸地區(qū)降水減少,蒸發(fā)加大。,26,未來氣候變化對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響: a、氣溫升高可導(dǎo)致熱量增加,無霜期延長,在不考慮水分缺乏的前提下,可使現(xiàn)行的作物種植北界北移,復(fù)種指數(shù)可
19、望提高,糧食總產(chǎn)可望增加。也可使現(xiàn)有主要作物品種生育期縮短,高溫危害加劇,病蟲害危害程度增強(qiáng),產(chǎn)量降低。 b、氣候變暖會(huì)導(dǎo)致內(nèi)陸地區(qū)降水減少、蒸發(fā)加大,使作物產(chǎn)量降低。還將加劇內(nèi)陸地區(qū)的干旱化趨勢,使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性增加,農(nóng)牧過渡帶南移。,27,§2 農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控,一、植被層中CO2平衡 植被層中CO2平衡方程式為: qa= Rx+ Rk+ Rm- Pc式中,qa為植被層上方
20、的CO2通量;Rx為作物地上部分呼吸放出的CO2量;Rk為根部呼吸放出的CO2量;Rm為土壤中微生物釋放出的CO2量;Pc為光合作用同化的CO2量(真光合作用)。,28,二、CO2通量的變化,1、農(nóng)田上方CO2通量變化 近地層中CO2的垂直通量,決定于湍流擴(kuò)散機(jī)制。式中,qc為鉛直方向的CO2通量;fc為單位換算系數(shù);kc為CO2湍流交換系數(shù); 為CO2濃度的鉛直梯度。,29,應(yīng)用桑斯威特-霍爾茲羅公式
21、,可將上式改寫為:式中,u1、u2和c1、c2分別為z1、 z2高度上的平均風(fēng)速和CO2濃度;æ是卡曼常數(shù),一般取0.4左右;d為零平面位移;σ為常數(shù); Ri為理查遜數(shù),為表征大氣層結(jié)穩(wěn)定程度的量。,30,如在上式中令:z1=z0+d ,z2=z ,由于z0為粗糙度,因此u1= uz0+d = 0,則上式變?yōu)椋?可見,農(nóng)田上方鉛直方向CO2通量變化的主要影響因子為: CO2濃度差、風(fēng)速、
22、大氣層結(jié)穩(wěn)定程度。,31,2、群體中CO2通量的變化 可用下式來表示群體中z高度的CO2擴(kuò)散情況:式中,fl(z)為葉面積密度;p(z)為單位葉面積的CO2吸收(光合)強(qiáng)度;rp 為單位葉面積的CO2排出(呼吸)強(qiáng)度。,32,將CO2濃度和通量僅僅看成是高度的函數(shù),且將公式右邊的兩項(xiàng)合并,則上式可變?yōu)椋菏街校琍(z)=p(z)-rp為凈吸收的CO2量,則:,33,積分可得:即: 上式即作
23、物群體內(nèi)CO2通量的表達(dá)式,qc(H)為作物群體表面的CO2通量,H為群體高度。,34,由作物群體內(nèi)CO2通量的表達(dá)式可知: ● 白天時(shí) P(z)>0 ,qc(z)<qc(H), CO2通量向下。 ● 夜晚時(shí) P(z)<0 ,qc(z)>qc(H), CO2通量向上。,35,CO2通量隨高度的變化速率,可由農(nóng)田上方CO2通量公式取偏導(dǎo)給出: 由
24、于CO2通量隨高度的變化 ,主要是植物光合作用同化CO2或呼吸作用釋放CO2所引起的,因此, 也就相當(dāng)于某一層葉片的凈光合作用強(qiáng)度。,36,由上述分析可知: ● 當(dāng) >0時(shí),即凈光合作用強(qiáng)度大于零,CO2凈吸收量為正,則此區(qū)域稱為CO2的匯。 ● 當(dāng) <0時(shí),即凈光合作用強(qiáng)度小于零,CO2凈吸收量為負(fù),則此區(qū)域稱為CO2的源。 ● 當(dāng) =0時(shí)
25、,即凈光合作用強(qiáng)度等于零,CO2凈吸收量為零,則此區(qū)域?yàn)镃O2補(bǔ)償點(diǎn)。,37,3、CO2濃度的變化 用CO2通量變化公式進(jìn)一步整理,可得到群體上方和群體內(nèi)任意高度的CO2濃度表達(dá)式: 群體上方: 群體內(nèi):,38,式中,C(H)是作物表層的CO2濃度。 大氣與農(nóng)田群體中的CO2其時(shí)空變化規(guī)律總結(jié)如下: (1)晴朗無風(fēng)天氣下,近地層CO2濃度呈現(xiàn)明顯的晝低夜高的變化規(guī)律,夏季尤為突出。 白
26、天,群體是CO2的匯而大氣是CO2的源,這時(shí)CO2由大氣向群體中輸送,這種CO2濃度隨高度而遞增的分布型稱之為光合型;夜間,群體是CO2的源而大氣是CO2的匯,這時(shí)CO2由群體向大氣輸送,這種CO2濃度隨高度而遞減的分布型稱之為呼吸型;,39,(2)全年各月CO2濃度變化與農(nóng)業(yè)生物在一年內(nèi)的興衰密切相關(guān),表現(xiàn)為暖季低而冷季高。 (3)大氣中CO2濃度的變化,一般波動(dòng)到16公里處。越接近地面波動(dòng)越大,且隨著高度的增加,最高值明顯滯后
27、。 (4)群體內(nèi)CO2濃度的時(shí)空分布,因群體種類、狀態(tài)及氣象條件等而有很大變化。如風(fēng)力大時(shí)或在通風(fēng)好的群體中CO2濃度變化小,反之則變化大。,40,三、土壤和近地層CO2調(diào)控技術(shù),1、土壤CO2釋放的調(diào)節(jié) (1)原理 土壤空氣中CO2的濃度遠(yuǎn)高于大氣,因此土氣間的濃度差導(dǎo)致了土壤CO2釋放 。土壤中CO2的釋放量因土壤溫度、含水量及有機(jī)質(zhì)含量不同而有很大差異。 (2)主要措施 a、松土。增加土壤孔
28、隙度,提高地溫。 b、增濕。增強(qiáng)土壤微生物的活動(dòng)。 c、施肥。增加土壤腐殖質(zhì)含量,腐殖釋放CO2。,41,2、田間CO2濃度調(diào)節(jié) a、合理密植,改善田間通風(fēng)條件;整枝打葉,使土壤中釋放的CO2盡量被光合機(jī)能強(qiáng)的綠色葉片吸收利用。 b、種植行向要與當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向一致,改善田間通風(fēng)條件,以有利于CO2隨風(fēng)進(jìn)入農(nóng)田。 c、栽培時(shí)要寬行窄株距,改善群體通風(fēng)條件,亦可起到提高農(nóng)田中CO2濃度的作用。,42,
29、3、CO2施肥 (1)CO2氣源 a、干冰。價(jià)格昂貴,且降低氣溫。 b、CO2發(fā)生劑。碳酸氫銨、碳酸鹽加稀硫酸、石灰石加鹽酸在CO2發(fā)生器中起化學(xué)反應(yīng)釋放CO2。 c、工業(yè)尾氣。如酒精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2氣體,壓縮于鋼瓶中。使用效果比較理想。 d、燃料。燃燒天然氣、石油、煤油等燃料釋放CO2。有污染。,43,(2)CO2施肥應(yīng)注意的問題 a、施用時(shí)間 以作物的CO2臨界期(生殖生
30、長期)、最大需要期(營養(yǎng)、生殖生長兩旺時(shí)期)、CO2限制期(光照強(qiáng)、氣溫較高、供水充足時(shí))增施CO2,效果較好。 b、施用濃度 一般維持在正常CO2濃度2~3倍左右的水平即可達(dá)到較好的施肥效果,不宜超過10倍。過多會(huì)使氣孔關(guān)閉,從而影響CO2的吸收。,44,§3、風(fēng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控,一、風(fēng)的影響 1、有利影響 ● 使群體內(nèi)外熱量相平衡,加快葉片蒸騰,降低葉溫; ● 是植物
31、被動(dòng)吸水、礦物質(zhì)運(yùn)輸?shù)脑瓌?dòng)力; ● 使葉片邊界層變薄,減小二氧化碳進(jìn)入到植物體內(nèi)的阻力; ● 使群體內(nèi)外、上下層二氧化碳相平衡; ● 傳播花粉、孢子、種子、果實(shí)等。,45,2、不利影響 ● 造成植物的機(jī)械損傷;還為病原菌從傷口侵入植物體提供了條件; ● 引起植物落花、落果、落鈴、落莢、落粒或大片倒伏等; ● 加重干旱、低溫、暴雨、暴雪、污染等的不利影響; ● 傳播病蟲害;
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