太阳辐射与农作物

第一节　太阳辐射与农作物

太阳能是地球上一切生命活动最主要的能量来源，是动、植物生长发育和产量形成的根本条件，而将太阳能尽可能的转化为生物化学潜能，是农业科学的一项根本任务。到达地球上的太阳能最主要的作用是产生光效应和热效应。没有光，不能形成叶绿素，也不能合成的有机物。光是植物光合作用的能量来源，而光的热效应促进了植物的“蒸腾”，使植物不会因温度过高而灼死。光还影响植物营养体形态的建成和生长运动、叶子的方位、叶和花的形成。光在相当程度上影响植物的地理分布。

太阳能主要是从光照长度、光照强度及光质几方面来影响植物生长发育和产量形成。农业气象学的任务之一，就是研究太阳辐射能与动、植物生长的关系，以便采取措施达到提高太阳能的利用率，获取农业生产的高产稳产。

一、炮哪边长对作物生长发育的影响

1.光周期现象

在不同地区和不同季节里，一天之中的昼夜长短，即光明与黑暗的长度是有规律地变化的，这种白天光照和夜晚黑暗的交替与它们的持续时间对植物的开花有很大影响的现象，称为光周期现象。一般来说，温度、水分和光强的变化对植物的生殖生长只能表现为加速或延迟的作用，而光长的变化却对促成或阴止生殖生长的进行起着决定性的作用。所以说光周期现象影响植物个体的发育，同时也决定着植物进行光合作用制造有机物的时间与呼吸作用消耗有机物的时间，即决定着有机物的生长速度。根据植物对光周期的不同反应，可分为以下两个主要类型：

（1）短日性植物。此类植物只有在日照长度小于某一时数时才能开花；若日照长度大于某一时数。就延迟开花，甚至不开花。它对光照的要求首先是黑暗，其次才昼夜交替。原产于热带、亚热带的水稻、玉米、大豆、高粱、甘薯、棉花等作物是短日性植物。

（2）长日性植物。这种植物只有在日照长度大于某一时数时才能开花。若将日照长度缩短到一定时数就延迟开花、甚至不开花。长日性植物在通过发育期时，要求较长的日照，在连续光照下开花最快。麦类、豌豆、油菜、甜菜、胡萝卜、菠菜、烟草等原产于高纬度的作物是长日性植物。

将植物分成短日性和长日性植物，需要有一个客观的时数标准。长日性植物要求日长不短于这个标准，而短日性植物要求日长不能长于这个标准。否则，它们都只保持营养生长状态而不开花结果。这个时数标准称为临界日照长度。也可以认为临界日照长度是能导致开花的日照长度。一般的界限可定为每日12～14小时光照。

2.光照长度在农业上的应用

了解作物对光照长度的要求，可为植物引种、育种提供依据，对农业生产有一定指导作用。

（1）引种。在引进优良品种时，要研究该品种对气象条件的要求和原生长地区的气候特征（特别是日照长度）；还要分析引进品种地区的气候特性和引到该地区后对当地气候的适应性，气候对生育期、作物性状、产量的影响。否则就不易达到预期的目的，甚至失败。在农业引种工作中，从光照长度条件方面应考虑：

①短日性植物的北方品种向南引种时，由于光照变短、温度增高，会导致生育期缩短，出现早穗、小穗、粒少。短日性植物的南方品种向北方引种时，由于光照变长、温度减低，会导致生育期延长，甚至不能抽穗开花。

②长日性作物的北方品种向南引种时，由于光照变短，但温度增高，生育期是否延长要综合考虑，但一般延迟成熟。长日性作物的南方品种向北引种时，光照变长，但温度降低，生育期是否延长，也要综合考虑，但一般提早成熟。

③纬度和海拔高度相近的地区相互引种时，由于光、温条件大致相同，一般生育期变化小，引种易获成功。

④在同一地区、平原和高原相互引种，因日照长度没有变化，生育期的变化只决定于温度的变化。

（2）育种。在杂交育种时，若父、母本花期不遇，可以采用人工光照处理，人为地延长或缩短光照长度，促使其花期相遇。

（3）其他。利用日长的影响来控制发育期出现的早迟，可防御农业气象灾害。如在北方冬小麦区，若种植对口长敏感的品种，可利用缩短日照长度使拔节延迟而躲过晚霜危害。还可利用日照长度来促进营养器官的生长而提高产量。如将短日性作物甘蔗，从南向北引种，延长其生长发育期而使产量提高。

二、光照强度对作物生长发育的影响

我们说太阳辐射，指的是红外线、可见光、紫外线三部分的总体。其单位为卡/厘米2·分，或瓦/米2。若说光或光照，指的只是其中可见光部分，单位为米烛光。米烛光又叫勒克司（Lux）。

通常假定太阳和地球保持平均距离，并垂直照射时，在大气层的上界，太阳辐射强度为1.96卡/厘米2·分，或1367±7瓦/米2，称为太阳常数。在同样条件下所引起的强度为135，000米烛光；称为太阳光照常数。实际上太阳辐射到地面上来的太阳辐射强度和光照强度，一则不是永远保持日地平均距离，二则地面不一定与阳光垂直，三则当阳光通过大气层时，受大气的反射、吸收和散射等削弱作用，所以，使得太阳辐射强度较太阳常数为小，光照强度较太阳光照常数为弱。究竟弱小多少，这决定于大气的透明度（含水滴、尘埃等的多少）和光线透过大气层的厚薄。而透过大气层的厚薄，又决定于太阳高度角（太阳光线投射到地面上与地平线所成的夹角称为太阳高度角）的大小和地势之高低等。太阳高度角愈小，通过大气层愈厚，太阳辐射被削弱的也就愈多，地面接受的太阳辐射就愈小，光照就愈弱。另外，太阳高度低时，光线斜射，单位面积上所分配到的能量也比垂直照射时为少。由于这两方面的原因，到达地面上的太阳辐射强度和光照强度，中午比上、下午强；夏季比冬季强。在同等条件下，到达地面上的太阳辐射，高地比低地多；晴天比阴天多。光照的情况也是如此。在自然界，晴天中午的光照一般可达10万米烛光左右，阴天中午约1～3万米烛光，而圆月当头的照度才不过0.2米烛光。

光照强度在植物光合作用过程中起着决定性作用。在一定限度内，光照愈强，光合作用也随之加强，但光强达到一定程度时，尽管光照强度再增高，光合量也不再增高了，这个光强的临界点叫做光饱和点；光照强度超过光饱和点后，若再增加时，反使光合量下降；光照弱，光合作用制造的有机物质少，但此时植物仍要呼吸消耗，光弱到一定程度，光合量与呼吸消耗量相等，收支相抵，此时的光照强度称为光的补偿点。如果光强低于补偿点时，消耗就大于制造了。作物的光饱和点和补偿点，因作物、品种、生育期和外界条件的不同而有差异（见表2—1）

表2—1　几种作物的单叶光饱和点、补偿点　　单位：万米烛光

表列资料是单个叶片所测数据，从大田来说，特别是作物封行以后，上部叶与向阳叶片光已饱和，而下部叶与背阴叶还嫌光照不足。从总体来看，作物群体光饱和点自然会远远超过上表所列的单叶饱和点数据。如小麦、水稻拔节、孕穗以后，一般没有饱和点，即光照越强群体光合量越大。

综上所述，植物正常生长发育要求适宜的光照强度。光照太强，会导致叶绿素的分解，光合作用降低，甚至因为植物体温过高而灼伤致死。光照不足，会使植物生长发育不良，基杆伸长，株体细弱，遇上大风和暴雨，极易造成基杆折断和植珠倒伏。因此，光照过强、过弱，对植物的生长发育都是不利的。

根据植物对光照强度要求的不同，可把它们区分为喜光植物、中性植物和喜阴植物。

喜光植物，要在较强的光照条件下，才能正常生长发育。绝大部分农作物如水稻、小麦、棉花、烟草、向日葵等均属于这一类。它们的光补偿点高，约为0.02～0.10万米烛光，饱和点约为2.5～8万米烛光。

喜阴植物，要在弱光条件下，才能正常生长发育。例如茶叶、生姜、菠菜、四季萝卜等属于喜阴作物。它们的光补偿点小于500米烛光，饱和点约为500～1000米烛光。

中性植物对光照强度的反应不太敏感。

由此可见，在农田生产上，必须根据各种作物对光照强度要求的不同，采取合理布局。例如，可将光照强度要求较高的作物品种栽植在光照条件较好的地段，如是山地，可栽培在向阳南坡，而喜阴作物可安排在光照条件较差的地段或背阴一面。同时应采取各种栽培措施，如间套作、不同的播种方式、有利的行向、合理密植、疏叶整枝等，以利改善光照条件，充分利用光能。另外，选育株型紧凑及叶色浓绿的品种，以提高对光能的利用率。

三、不同光谱成分对植物的影响

太阳辐射能的各种光谱到达地面上的比例虽因纬度、季节、地势和气象条件的不同而不同，但基本上是稳定的。按照太阳辐射光的波长，一般分为紫外光、可见光、红外光等。不同波长光的辐射对动植物的效应是不一样的。

1.紫外光

这种光的波长在170～400nm之间。波长小于290nm的紫外光能引起植物的毁灭，故又称灭生性辐射。波长位于290～400nm的紫外光是植物所必需的光。它对植物化学成分的形成有一定作用，可抑制作物伸长而使植物变矮，它对土壤有一定的消毒作用，可晒种.并有催芽的作用等。

2.可见光

光波长在400～700nm之间。本波段的光对植物的生活机能具有决定性的作用，主要表现在光效应亡。它们是植物进行光合作用、合成有机物的主要光线。特别是在波长为600～700nm的红橙光下，植物的光合作用最强，有利于糖的形成。即产量的形成；波长为500～600nm的黄绿光，叶子吸收很少，而反射最强；波长为400～500nm的蓝紫光能延长植物开花的过程，促进蛋白质和脂肪的合成，对植物的化学成分有强烈的影响。绿色植物在光合作用过程中，只是同化波长为400～700nm波段光的能量。通常将绿色植物光合作用所吸收的太阳辐射称为生理辐射，又称为光合有效辐射。

3.红外光

光波长在700～4000nm之间。本波段的光对植物的作用主要表现在热效应上。它决定着植物有机体的温度和蒸腾作用。一般不能或很少被植物吸收。它对植物的生理过程没有实际作用，所以此波段光的辐射又称为非生物辐射。

四、光能利用率及其提高途径

1.光能利用率

农作物通过光合作用所合成的有机物质，占农作物总干重的90%—95%，而从土壤中吸收的营养物质、微量元素和水只占5～10%。因此，作物对太阳光能的利用效率与作物产量的关系极为密切。在到达地面的太阳辐射中，生理辐射，（波长为400～700mm的太阳辐射）约占44%。研究表明，在植物光合作用中，每同化一克分子CO₂需要8～10个（爱因斯坦）辐射量子；在生理辐射区间内，每个量子平均能量等于50kcal，以同化一克分子CO₂按消耗10个量子计算，就必须吸收500kcal的太阳光能，而最后在光合产物中却只固定了112kcal能量。

光合作用的最大效率仅为112/500＝22.4%，据资料表明、在在光合作用中消耗于呼吸与其他的能量占光合作用中形成物质的能量的20%～30%，若以30%计算，吸收的光能用于光合作用的有机物形成（积累）的理论有效效率为：

22.4%—（22.4%×30%）＝15.68%

而在大田中株间漏光、农耗光能、衰老成熟期的光能损失为30%，太阳反射为6%，所以生理辐射实际能被农田作物群体吸收利用的为：

100%—（6%＋30%）＝64%

因此，最后形成产量的生理辐射能量利用效率只有：0.64X0.1568＝0.100352≈10%。这是在水、热、养料均得到保证耐心可能达到的有效利用率上限，是有希望接近的理论数值。

我们把单位面积作物收获物中所包含的能量与投射到该单位面积上的光合有效辐射能量的比值，叫做光能利用率。对于某时段的光能利用率可写为：

式中E_p——光能利用率；

　W——单位面积上平均干物质收获量（g/m²）；

　H——单位干物质所放出的热量（cal/g）；

　QpAR——作物全生育期投射到单位面积上的生理辐射能量（cal/m²）。

农业生产水平较高的国家，光能利用率只有2%～3%，不少国家还不到1%，我国现有耕地全年平均光能利用率仅0.4%。南京地区亩产500kg水稻的光能利用率也才2%。若光能利用率提高到5%，则水稻亩产可以达到1175kg。因此提高光能利用率是增加产量的主要措施。

2.提高光能利用率的途径

提高光能利用率的途径大体可分为改进作物因素和改进环境因素。具体讲，主要途径是：

（1）培育高光效的作物品种。要求作物具有高光合能力，低呼吸消耗，光合机能保持时间较长，叶面积适当，株型和叶型有利于田间群体最大限度地利用光能，减少透射、反射、漏射等方面的光能损失。

（2）采取合理的栽培技术措施，适当密植，提高绿叶面积系数（绿叶面积/栽培面积）。

（3）改善水、肥、热、气等外界条件，使之利于作物光合产物的积累、运输，以增加作物产量。

（4）充分利用生长季，延长光合作用时间。采取间套复种，轮作改制，合理安排茬口，缩短作物生长期（或大田内生长期），以增加复种指数。

（5）通过育种和先进栽培技术措施提高经济系数（产量重/植株重）。

（6）提高叶绿体内的光合效率。如补施CO₂肥料，利用人造光源补充光照，人工调节光照时间控制作物开花衰老等。