现代自然地理第7讲：作物生产潜力

1、第七讲 作物生产潜力,吕昌河 中科院地理科学与资源研究所 Email: 电话：64889110,讲课内容,作物生产潜力的定义与研究意义 作物生长因素和产量水平 作物潜在生长率 作物限制产量 作物模拟模型及其应用 土地人口承载力 思考题,一、 作物生产潜力的定义与研究意义,定义 在特定的自然条件下，作物可能实现的最大产量。 意义 食物安全 可持续农业设计 人口承载能力,二、作物生长因素和产量水平,基本概念 作物产量的决定因素：光、CO2、温度 作物产量的限制因素：水、养分 作物产量的减产因素：病虫害、杂草、污染物 作物生长条件与产量水平 提高产量的途径,1. 基本概念：光合作用,可见光 H2O + CO2 +光能 CH2O + O2,作物吸收可见光，将CO2和水同化为碳水化合物，释放出氧气：全球每年合成有机质约500亿吨，同化碳素约200亿吨，释放氧气535亿吨 大多数高等植物的光合产物是淀粉；但洋葱、大蒜等的产物是葡萄糖和果糖，小麦、蚕豆是蔗糖 幼龄叶片除糖类外还形成较多蛋白质,1. 基本概念：呼吸作用,释放化学能 C6H12O6 + O2 6 CO2 + 6H2O 生物细胞内的有机

2、物，在一系列酶的参与下，逐步氧化分解成简单物质，并释放能量的过程。 为生命活动提供能量：植物对养分和水的运输、有机物的合成、细胞分裂与生长等 为有机物质合成提供合成原料：分解过程中的中间产物如-酮戎二酸、苹果酸等可为合成糖类、脂类、氨基酸、蛋白质等的原料,1. 基本概念：呼吸作用类型,暗呼吸：在光照和黑暗中都可以进行（生活细胞） 维持呼吸：维持生物器官的正常功能（如新陈代谢） 生长呼吸：将碳水化合物转化为作物的结构性物质（纤维素、蛋白质、脂肪等） 光呼吸 植物的绿色细胞在光下吸收O2，放出CO2的过程 与光合作用密切相关：光强、温度和氧含量提高增加光呼吸；CO2浓度提高减少光呼吸 仅发生在C3作物，可占同化量的35%，造成作物生长率降低,1. 基本概念：补偿点、饱和点,光补偿点和饱和点 光补偿点：叶片的光合速率与呼吸速率相等，即净光合速率为零时的光照强度 光饱和点：光合速率开始达到最大值时的光照强度 CO2补偿点和饱和点 CO2补偿点：叶片的光合速率与呼吸速率相等时，外界环境中的CO2浓度 CO2饱和点：光合速率开始达到最大值时的CO2浓度 C3和C4植物：根据CO2被同化的途径/最初

3、产物区分的 C3植物的最初产物是一种三碳化合物 而C4植物的最初产物是一种四碳化合物,2. 作物产量的决定因素：作物性状,作物生理性状：如CO2的同化能力、生育期长度、收获指数、叶面积指数，等等； 作物类型：C3和C4作物（见下表）；谷类作物、根茎作物、豆科作物、油料作物。,2. 作物产量的决定因素：光照,光照：光和作用的能量来源，形成叶绿素的必要条件；影响光和作用的重要因素 光强-光合曲线：光补偿点、光饱和点 一般来说，光补偿点高的植物其光饱和点也高：草本木本植物；C4C3植物；阳生阴生植物,有效光强,光合速率,不同作物的光合曲线,2. 作物产量的决定因素：CO2浓度,CO2光合曲线：CO2补偿点和饱和点,2. 作物产量的决定因素：CO2浓度,C4植物的CO2补偿点和饱和点均低于C3植物 增加CO2浓度可提高植物的光合能力，尤其对C3植物效果明显,光合速率,C3作物,C4作物,CO2的供应,re rs ri rm 大气气孔叶肉细胞间隙叶肉细胞原生质叶绿体基质 用re, rs, ri, rm分别表示扩散层阻力、气孔阻力、叶肉阻力和羧化阻力，ca和cc分别为大气和叶绿体基质中CO2浓度，

4、k为系数，则CO2的流通速率P（光合速率）可表示为：,2. 作物产量的决定因素：温度,三基点温度：低温导致叶绿体结构破坏和酶的钝化，影响光合作用；高温下光呼吸和暗呼吸加强，净光合速率下降。 表3 小麦、玉米三基点温度（来源：略）,温度影响光合速率和生育期长度,开花期日数,净光合率,C3作物,C4作物,对作物生长的影响符合Liebig的最大限制因素法则，即作物产量决定于水肥（NPK)等生长要素亏缺最重的一个,3. 作物产量的限制因素：水、养分,3. 作物产量的限制因素：水,水分是光合作用的主要原料之一和植物体的主要成分（70-90%）。缺水会使： 气孔导度下降，导致进入叶肉内的CO2减少，光合速率降低 光合产物输出变慢在叶片中积累光合作用产生反馈抑制 光合机构受损光合速率下降 叶片死亡光合面积减少,3. 作物产量的限制因素：养分,养分是植物细胞结构物质的组成成分 氮：蛋白质的主要成分（16-18%）；氮过多不利于同化物向子粒分配，缺氮则引起叶功能早衰 磷：促进光合作用和有机物的运输，促进蔗糖合成 钾：促进糖分转变成淀粉；有利于有机物运输,植物体除了已构成细胞壁的物质外，其他物质都可以被转

5、移到其他组织或器官中去。当叶片衰老时，大部分的糖和NPK都要就近转移到新生器官。如小麦叶片衰老时，85%的氮、90%的磷要转移到穗部。,病虫害：降低作物叶片的光合能力 杂草：与作物竞争光、热、水和养分 污染物：重金属；SO2，氮氧化物（NO2, NO）等，进入叶肉组织，很容易被吸收，破坏叶绿体,4. 作物生长的减产因素,5. 作物生长条件与产量水平,1）潜在生长条件 潜在产量 水分、养分充分供应，无病虫害、杂草危害 作物生长和产量仅决定于太阳辐射、温度和作物性状,2）水分限制生长条件 水分限制产量 在作物生长季节至少部分阶段出现缺水，作物生长受到影响 在无灌溉、无病虫害和杂草危害，以及养分充分满足的条件下，作物可能实现的产量，称为雨养潜力。 3）养分限制生长条件 养分限制产量 作物生长受到养分或同时水分短缺的影响，但无病虫害、杂草危害；养分通过土壤或固氮作物提供。 4）实际生长条件 实际产量 作物生长受到减产因子病虫害、杂草以及气象灾害等的影响,产量水平图示,新老小麦品种性状对比（来源：略）,提高叶面积指数 降低植株高度，提高收获指数,6. 提高作物产量的途径：改良作物品种,提高光合能

6、力 温度调控（秸秆覆盖、塑料薄膜、温室等） 提高CO2浓度：深施碳铵、增施有机肥、秸秆还田等，增加作物冠层的浓度 增加光合面积：合理密植 延长光合作用时间：提高复种指数、延长生育期 灌溉、施肥、病虫害防治 耕作、清除杂草，等等,6. 提高作物产量的途径：提高经营管理,CO2总同化量 维持呼吸消耗 潜在生长率 例子,三、 作物潜在生长率,CO2总同化量（Ag，kg CO2 ha-1d-1） E = 作物CO2同化效率 适宜温度条件下，C3和C4作物在生长发育期的最大E值分别为70和90 kg CO2 ha-1/(MJ m-2),CO2总同化量,Iabs = 作物吸收的有效光（MJ m-2 d-1） = 作物太阳辐射反射率（0.1 - 0.2） Rg = 太阳总辐射（MJ m-2 d-1） k = 作物消光系数（多在0.4 - 0.7） LAI = 作物叶面积指数,作物吸收的有效光,维持呼吸消耗（Am, kg CH2O ha-1） 维持呼吸消耗与要维持的总生物量有关 W = 总生物量（kg DM ha-1） MC（kg CH2O kg-1 DM）是维持系数，即维持作物的正常生长需要消耗的碳

7、水化合物量 在气温20 C时，谷类作物的MC = 0.015，豆类= 0.025，油料作物 = 0.030，在其他温度时，需要进行温度校正（TC）,2. 维持呼吸消耗,温度（T）校正系数TC Q10一般等于2 Tref = 20 C（温带，C3作物） Tref = 25 C (热带， C4作物）,潜在生长率（ ，kg DM ha-1 d-1） 等于总同化量减去维持呼吸和生长呼吸消耗 CVF = 碳水化合物转化为干物质系数（kg DM kg-1 CH2O），与作物类型有关（淀粉、蛋白质和脂肪含量），如谷类作物 = 0.7，豆类 = 0.65，油料作物 = 0.5,3. 潜在生长率,气温（T）= 22 C 太阳总辐射（Rg）= 24 MJ m-2 d-1 总生物量（W）= 5000 kg DM ha-1 叶面积指数（LAI）= 4 消光系数（K） = 0.65 CO2同化效率（E） = 70 kg CO2 ha-1/(MJ m-2) 太阳辐射反射率（） = 0.1 碳水化合物转化为干物质系数（CVF）= 0.7 kg DM kg-1 CH2O 计算净光合率（作物生长率）,4. 例子: 基本

8、数据,吸收的总有效光：Iabs = 0.5 * (1-0.1) * 24 * 1-e-(0.65*4) = 10 MJ m-2 d-1 总同化量：Ag = 70 * 10 = 700 kg CO2 ha-1 d-1 维持呼吸消耗：Am = 0.015 * 2(22-20)/10 * 5000 = 86.2 kg CH2O ha-1 d-1 生长呼吸消耗: (1 - 0.7) * (30/44) * 700 86.2) = 117 kg DM ha-1 d-1 作物生长率： = 0.7 * (30/44) * 700 86.2) = 274 kg DM ha-1 d-1,例子: 解答,光能利用示意图,2.3%,C3作物 温带 荷兰,光呼吸,维持呼吸,生长呼吸,C3和C4植物光合效率对比,四、作物限制产量,水分限制产量 养分限制产量,1. 水分 限制产量：基本概念,蒸腾速率T：单位叶面积上单位时间内散失的水量 用re,rs分别表示扩散层阻力和气孔阻力， Hc和Ha分别为大气和气孔中水汽湿度，则T可表示为： 蒸腾受光照、大气湿度、温度、风速和土壤条件影响。 水分利用率（WUE）：指每形成1公

9、斤干物质作物蒸散的水分，又称蒸散率，可表示为：WUE = W / T,对某一作物而言，作物蒸腾量(T)和CO2同化量（Ag)的比值TAR=T/Ag (kg H2O kg-1 CO2) 基本是不变的,有效光,潜在蒸腾量,实际蒸腾量,潜在生长率,实际生长率,实际与潜在蒸腾量的比,水分限制条件下，实际CO2同化量的计算,水分对CO2同化量的影响可通过下式计算: A = (Ta/Tp) Ap. A = 水分限制时的CO2同化量 kg ha-1 d-1 Ap = 潜在CO2同化量 kg ha-1 d-1 Ta = 实际蒸腾量（mm d-1) Tp = 潜在蒸腾量（mm d-1),作物蒸腾与土壤供水,An optimum soil moisture range for plant growth is determined as function of the evaporative demand of the atmosphere (reference potential transpiration of a fixed canopy), the crop group and total soil water retention capacity. Within that range, the transpiration losses are fully compensated. Outside the optimum range, the soil can either be too dry or too wet. Both conditions lead to reduce water uptake by the roots, in a dry soil due to water shortage, in a wet soil due to oxygen shortage.,作物潜在蒸腾量的计算,作物蒸腾量可通过下述公式计算：T

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