1、第五章第五章CO2、風與農業生產風與農業生產 1 1 二氧化碳對植物的影響二氧化碳對植物的影響 2 2 農田二氧化碳狀況及其調控農田二氧化碳狀況及其調控 3 3 風對農業生產的影響及調控風對農業生產的影響及調控本章重點： 碳循環、CO2飽和點與補償點等基本概念 CO2增加對農業生產的影響及CO2調控技術 農田作物群體CO2通量及濃度變化規律分析本章難點： 農田CO2濃度變化規律分析。 主要內容： 碳循環簡介 CO2對植物的影響一、碳循環簡介 （一）碳循環的概念 碳循環是指碳素在地球的各個圈層(大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈、巖石圈)之間遷移轉化和循環周轉的過程。 在漫長的地球歷史進程中，碳循環最

2、初只是在大氣圈、水圈和巖石圈中進行，隨著生物的出現，有了生物圈和土壤圈，碳循環便在五個圈層中進行。碳循環的主要途徑是：大氣中的CO2被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過生物或地質過程以及人類活動干預，又以CO2的形式返回到大氣中。大氣圈 CO2生物圈CO2固定 土壤呼吸 溶解吸收 有機質分解 交換釋放 風化溶蝕 固定沉積 生物殘體歸還 生物有機體歸還 沉積固定 呼吸分解光合固定植物燃燒徑流攜帶化石燃料燃燒、火山爆發、巖石風化土壤圈水圈巖石圈碳循環簡圖碳循環的主要形式：碳在自然界中的存在形式：碳在生物體內的存在形式：碳進入生物體的途徑：碳在生物體之間傳遞途徑：碳進入大氣的途徑：CO2；CO2和碳酸

3、鹽；含碳有機物；綠色植物的光合作用；食物鏈；生物的呼吸作用分解者的分解作用化石燃料的燃燒 因此，若CO2發生量變，必然會對碳循環產生重大影響。維護碳循環正常運行的關鍵是控制CO2的排放量。 （二）大氣中的CO2濃度 在地質歷史時期，碳的流通緩慢，而且一直在進行沉積，在巖石中積存的碳約達1*1016t，在化石燃料中的碳約積存有1*1013t，這些碳被長期封存地下，從未在短期內大量逸出。因此，大氣中的CO2含量是個恒量，或者說接近恒量，從而維持了碳循環的相對穩定和平衡。 但自從人類出現以來，特別是工業革命以來，一系列與碳元素有關的經濟活動不斷加入到碳循環過程中來，其中最主要的活動是燃燒礦物燃料和砍

4、伐森林，結果打破了碳循環原有的平衡，使大氣中的二氧化碳濃度增加。 工業革命前，大氣中的CO2 為280ppm左右。其后不斷增加，增長速度不斷加快。 年增長速度： 18401900年，0.12ppm； 19001960年，0.34ppm； 19602000年，1.32ppm。 至2000年，全球大氣中的CO2濃度已經達到369ppm。 1、大氣中CO2的來源和去向 （1）大氣中CO2的來源 海洋。它是人類活動影響前大氣中CO2 最重要的一個源。據估算，全球由海洋到大氣的CO2平均凈通量約為 4.151*108 t(C)/a。 土壤。它是大氣中CO2的另一個重要的源，每年約0.273*108 t(

5、C)的CO2由土壤直接進入大氣。 人類活動。包括大量使用煤、石油、天然氣等礦物質燃料向大氣排放CO2以及破壞植被影響CO2 的吸收與同化。 有些研究的估算認為，在18501950年的100年間，由于人類活動而進入大氣中的碳達1.8*1011t，其中1/3來自化石燃料燃燒，其余2/3則來源于植被破壞特別是森林破壞，從而影響了大氣碳平衡。 （2）大氣中CO2的去向 生物圈。植物通過光合作用吸收同化大氣中的CO2而形成有機物質，從而使CO2進入生物圈。據估算，陸地生態系統與大氣中CO2交換的凈通量為4.342*108 t(C)/a。 水圈。大氣中CO2溶解進入水圈。 CO2+H2O H2CO3 巖石

6、圈。大氣中CO2經過淋溶及化學反應進入巖石圈。 H2CO3+Ca+ CaCO3+2H+back （一）植物對CO2的吸收和利用 1、植物吸收CO2的過程（1）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來計算，該段路程阻力最小。二、 CO2對植物的影響 （2）從葉片周圍通過氣孔到達葉肉細胞的表面。距離不到1cm，此段路程是氣相擴散，其阻力的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表皮阻力，才能到達葉肉細胞表面。 （3）從葉肉細胞的表面進入到葉綠體內。距離最短，在1mm以下，在這段路程中，CO2首先要克服葉肉阻力，其后CO2分子要穿過液相原

7、生質，才能到達葉綠體，再進入到葉綠體內層的光化學反應中心。 所以，CO2在由空氣到葉綠體內的物理傳遞過程中受到一系列阻力的影響，包括： 葉片邊界層阻力ra 氣孔阻力rs 葉肉阻力rm （4）CO2向葉內擴散的數學表達式 在這三種阻力的作用下，表達在光合作用中CO2向葉內擴散量(Pc)的關系式為： 式中，fc為CO2單位換算系數，即將mg/kg換算為g /cm3 CO2 的系數。msaccrrrCOCOfP)()(22葉綠體大氣 2、植物對CO2的利用 二氧化碳是光合作用的原料，對光合速率影響很大。從上式可知，植物吸收利用CO2的狀況，與周圍空氣的CO2濃度有關，即濃度越大，CO2向葉內擴散量就

8、越大。但植物的光合速率與CO2濃度并非簡單的直線關系，下面介紹兩個重要的概念。 （1）CO2飽和點 在輻射能充分滿足的條件下，植物光合速率不再隨CO2濃度增加而增大時的CO2濃度稱為CO2飽和點。 （2）CO2補償點 植物光合作用所同化的CO2與呼吸作用釋放的CO2達到平衡時，環境中的CO2濃度稱為CO2補償點。 各種植物的CO2補償點不同，玉米、高粱、谷子等C4植物的補償點一般小于10ppm稱低CO2補償點植物；小麥、水稻、棉花、大豆等C3植物的補償點為40150ppm，稱為高CO2補償點植物。多數植物的CO2飽和點為8001800ppm，現在大氣中CO2的濃度約為370ppm。大大超過補償

9、點而遠離飽和點，CO2濃度的增加，必定加快光合作用的強度，增加農作物的光合產量，從而加快植物生長。 （3）影響植物同化CO2速率的因子 a、種間差異 C4植物同化CO2的速率比C3植物大得多。據測定，在適宜的環境條件和同樣的光強、CO2濃度下，C4植物的產量要比C3植物高出近一倍。 b、光強的影響 光強與CO2濃度互為限制因子，若光強很小，即使二氧化碳濃度較大，光合作用強度仍不可能大；反之，若二氧化碳濃度很小，即使光強較強，也不能使光合作用達到最大水平。 c、溫度的影響 在光強和CO2濃度條件得到滿足時，植物同化CO2的速率隨溫度的變化呈拋物線型。 d、水分的影響 當水分不足時，氣孔變狹，減少

10、CO2吸收；同時原生質的水合作用減弱，光合能力降低。而水分過多時植物生長發育受到影響，CO2吸收亦會逐漸減弱甚至停止。 e、風的影響 風的影響主要包括三個方面。 一是空氣流動可不斷地從群體外部向群體內部輸送和補充CO2； 二是加強群體內部的湍流交換，把下層葉片以及土壤呼吸放出的CO2帶到光合能力較強的群體上層； 三是風速逐漸增大會使CO2擴散阻力明顯減小。 f、群體結構的影響 直立葉片較多的群體，通風、透光情況良好，有利于群體中CO2的擴散，對提高群體光合能力及干物質積累有利。 （二）CO2濃度增加對作物直接影響的試驗研究 1、試驗裝置與設備 人工增加CO2濃度也稱為CO2施肥，研究CO2濃度

11、增加對作物影響的試驗裝置主要有溫室、人工氣候箱、氣室和開放式試驗田（free-air CO2 enrichment）等。人工氣候箱 北京利康達圣科技發展有限公司生產 OTC_1型開頂式氣室1992年由氣科院和解放軍防化院聯合設計開放式試驗田 指在自由空氣中增加CO2，它擺脫了上述設備小空間、微環境的影響，直接在自然環境下進行CO2增加的模擬試驗，因其試驗尺度大，通風良好，光照、溫度、濕度和風等環境條件十分接近自然農田，所以在開放式試驗田中獲得的數據更接近于真實情況。 CO2氣源 a.干冰。價格昂貴，且降低氣溫。 b.CO2發生劑。碳酸氫銨、碳酸鹽加稀硫酸、石灰石加鹽酸在CO2發生器中化學反應釋

12、放CO2。成本較高，安全性差，易造成有毒氣體污染。 c.工業尾氣。如化肥廠、酒精廠生產過程中產生的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、煤油等釋放CO2。有污染。 2、部分試驗研究數據 （1）CO2 濃度增加對作物光合作用的影響（2）CO2 濃度倍增對作物發育期和株高的影響 從上表可知, CO2濃度倍增使棉花發育提前8d,冬小麥和大豆分別提前4d 和2d, 對玉米沒有影響。CO2濃度倍增對冬小麥株高的影響最為明顯, 增高量達14cm , 其次是棉花和大豆, 對玉米影響不大。（3）CO2 濃度倍增對作物生物量(干重) 的(g/株)的影響 從上表可知, CO2濃

13、度增加, 作物生物量隨之增加，但4 種作物地下和地上兩部分生物量的增長率并不平衡,玉米和冬小麥根的增長最為明顯, 其次為大豆, 而棉花根的增長率略低于地上的增長率。（4）CO2 濃度倍增對作物產量（g/株）的影響 CO2濃度增加, 4 種作物產量呈增加趨勢, 其中大豆增長最為明顯, 增長率達67.1% , 冬小麥和棉花次之, 且增長幅度十分相近, 玉米仍最小。（5）CO2 濃度增加對黃瓜生長發育的影響（6）溫室蔬菜施用CO2 氣肥后的增產作用 3、部分研究結論 提高植物的光飽和點； 能促進植物的光合作用，增加植物生物量的累積； 能顯著提高C3作物產量，但對C4作物產量的影響較小； 對根系生長的

14、促進作用要大于地上部分； 對大多數作物的物候略有加速。 會減小氣孔開度，從而降低蒸騰量，提高水分利用率。 溫室蔬菜的二氧化碳適宜施放期隨蔬菜種類及其生育期而異 黃瓜、西葫蘆等瓜類蔬菜宜在開花初期開始施放二氧化碳。 芹菜等葉菜類蔬菜則應在封壟后開始施放二氧化碳。 溫室一天內CO2的適宜施放時間在不同季節有所不同。 在深秋和初冬季節,宜在下午收風后施放。 在隆冬季節,溫室不放風或放風時間很短,宜在上午11 時左右施放。 在晚冬和初春季節,放風時間較長,宜將一次施放改為兩次施放,放風前1h 施放一次,收風后再施放一次。 溫室人工增施CO2 的適宜濃度 國內外許多學者曾做過大量試驗, 但因試驗條件、供

15、試蔬菜和栽培方式等各不相同, 試驗結果有很大差異。多數學者認為: 一般溫室蔬菜生長和產量形成的CO2 適宜濃度為6001500ppm。 （三）CO2濃度增加對農業生產的間接影響 “溫室效應”將導致氣溫上升，使各地作物生長季延長，從而使農作物種植界限和耕作制度發生變化。 在中緯度地區，可減弱低溫對作物的脅迫作用，使產量和質量提高。 可能使害蟲數量大幅度增加，危害期延長。 可能加速農藥和肥料的分解，降低殺蟲劑和除草劑的效率。 可能使一些地區更加濕潤，而使另一些地區更加干旱。 CO2濃度增加雖對植物蒸騰有抑制作用，會使植物的水分利用率隨之提高，但它導致的氣候變暖又可使蒸發量增加，減小水分的有效性，這

16、兩種效應的方向是相反的。-60%-40%-20%0%20%40%60%冬小麥灌溉冬小麥春小麥灌溉春小麥單季稻早稻晚稻春玉米灌溉春玉米夏玉米灌溉夏玉米到2030年，我國種植業產量可能會減少510，三大主要作物產量均以減產為主（溫度升高，旱澇加劇，水短缺等）我國三大作物產量的變化范圍增產減產 主要內容：主要內容： 時間變化和空間變化時間變化和空間變化 農田農田COCO2 2通量密度及其時間變化通量密度及其時間變化 土壤和近地層土壤和近地層COCO2 2調控技術調控技術 （一）時間變化（一）時間變化 1 1、日變化日變化 作物的不同發育階段，不同時間和地點，作物的不同發育階段，不同時間和地點，農田農

17、田COCO2 2濃度的日變化趨勢是基本一致的。白天濃度的日變化趨勢是基本一致的。白天COCO2 2濃度隨光合作用的增強而不斷降低，日落后濃度隨光合作用的增強而不斷降低，日落后COCO2 2濃度則升高，日出前達最大值。濃度則升高，日出前達最大值。晴天與曇天溫室內二氧化碳濃度的日變化曲線陰天和晴間多云天氣溫室內二氧化碳濃度的日變化曲線 2 2、年變化、年變化 在北緯在北緯3030度以北地區的大氣中，從度以北地區的大氣中，從4 4月至月至9 9月，月，COCO2 2濃度減少濃度減少3 3。且土壤中有機質也在不。且土壤中有機質也在不斷分解。大氣中斷分解。大氣中COCO2 2濃度一般在夏末秋初達到最濃度

18、一般在夏末秋初達到最低值，低值，1010月到次年月到次年3 3月是一個積累時期，濃度逐月是一個積累時期，濃度逐漸上升，到冬末春初達到最大值。漸上升，到冬末春初達到最大值。 （二）空間變化（二）空間變化 CO CO2 2濃度的垂直變化由近地氣層濃度的垂直變化由近地氣層COCO2 2被固定和釋放的被固定和釋放的情況所決定。當地面覆有植被，光合作用旺盛時，二氧情況所決定。當地面覆有植被，光合作用旺盛時，二氧化碳被大量固定，二氧化碳濃度隨高度下降而明顯降低，化碳被大量固定，二氧化碳濃度隨高度下降而明顯降低，呈光合型。這期間，從地面到呈光合型。這期間，從地面到1616千米高度，二氧化碳濃千米高度，二氧化

19、碳濃度均低于度均低于320320ppmppm。在光合作用微弱甚至停止時，只有土在光合作用微弱甚至停止時，只有土壤及動物呼吸和燃燒等釋放二氧化碳的過程，則越近地壤及動物呼吸和燃燒等釋放二氧化碳的過程，則越近地面，濃度越高，呈呼吸型。這期間，從地面到面，濃度越高，呈呼吸型。這期間，從地面到1616千米高千米高度，二氧化碳濃度均高于度，二氧化碳濃度均高于320320ppmppm。 1 1、計算方法、計算方法 近地層中近地層中COCO2 2的垂直通量，決定于湍流擴散的垂直通量，決定于湍流擴散機制。因此機制。因此 ，可以從湍流擴散角度來得到農田，可以從湍流擴散角度來得到農田上方上方COCO2 2的鉛直輸

20、送公式，即：的鉛直輸送公式，即：式中，式中，q qc c為鉛直方向的為鉛直方向的COCO2 2通量；通量；f fc c為單位換算為單位換算系數；系數；k kc c為為COCO2 2湍流交換系數；湍流交換系數； 為為COCO2 2濃度的濃度的鉛直梯度。鉛直梯度。zcccckfqzc 應用桑斯威特-霍爾茲曼公式將上式改寫為：式中，u1、u2和c1、c2分別為z1、 z2高度上的平均風速和CO2濃度；是卡曼常數，一般取0.4；d為零平面位移；為常數； Ri為理查遜數，是表征大氣層結穩定程度的量。 2、時間變化 白天，CO2 通量密度為正，由大氣指向作物層，從9時至16時維持較大的通量密度，最高值出現

21、在11時左右。夜晚則相反， CO2 通量密度為負，由作物層指向大氣。COCO2 2 1 1、土壤、土壤COCO2 2釋放的調節釋放的調節 （1 1）原理）原理 土壤空氣中土壤空氣中COCO2 2濃度遠高于大氣，因此土氣濃度遠高于大氣，因此土氣間的濃度差導致了土壤間的濃度差導致了土壤COCO2 2釋放釋放 。土壤中。土壤中COCO2 2的的釋放量因土壤溫度、含水量及有機質含量不同釋放量因土壤溫度、含水量及有機質含量不同而有很大差異。而有很大差異。 因此，可以采取措施改變土壤物理性質和因此，可以采取措施改變土壤物理性質和環境條件等以達到調節環境條件等以達到調節COCO2 2釋放量的目的。釋放量的目

22、的。 （2）主要措施 a、松土。增加土壤孔隙度，提高地溫。 b、增濕。增強土壤微生物的活動。 c、施肥。增施農家肥，增加土壤腐殖質量，釋放CO2。 2、田間CO2濃度調節 a.合理密植，改善田間的通風條件；整枝打葉，使土壤中釋放的CO2盡量被光合機能強的綠色葉片吸收利用。 b.種植行向要與當地盛行風向一致，改善田間通風條件，以有利于CO2隨風進入農田。 c.栽培時要寬行窄株距，改善群體內通風條件，亦可起到提高農田中CO2濃度的作用。 主要內容：主要內容： 風的影響風的影響 防風措施防風措施 （一）有利影響（一）有利影響 1 1、風對農田小氣候的調節、風對農田小氣候的調節 風能影響農田湍流交換強

23、度，增強地面與空氣風能影響農田湍流交換強度，增強地面與空氣的熱量和水分等的交換，增加土壤蒸發和作物蒸騰，的熱量和水分等的交換，增加土壤蒸發和作物蒸騰，也增加空氣中也增加空氣中COCO2 2等成分的交換，使作物群體內部的等成分的交換，使作物群體內部的空氣不斷更新，對株間的溫度、水汽、空氣不斷更新，對株間的溫度、水汽、COCO2 2等調節有等調節有重要作用。重要作用。 2、風與光合作用 在低風速條件下，葉片的邊界層變薄， CO2的擴散阻力減少，有利于CO2的輸送，又能使光合有效輻射以閃光的形式合理分布到葉層中，從而提高光合作用強度，提高光能利用率。據測定，在太陽輻射與氣溫基本相同的前后兩天，有風的一天玉米干物質的增長量比無風的一天大40。 3、風對花粉、種子傳播的影響 自然界中的許多植物是借助風的力量進行異花授粉和傳播的，風速的大小會影響授粉效率和種子傳播距離，從而對植物的繁衍和分布起著較大的影響作用。 在作物(如油菜)和果樹開花時，風能散播花的芳香，招引昆蟲傳授花粉。風能傳播種子，如杉樹種子靠風力傳播到遠處，擴大繁殖生長區域。 （二）不利影響 1、大風對作物的危害 風力在6級以上就可對作物產生