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农学概论第四章作物与生态环境第四章作物生产与环境条件本章重点：作物生长发育对光、温、水、气、土、肥的生态资源的适应性和抗逆难点：光补偿点、光饱和点、光周期现象及应用；温度三基点、温周期现象及应用；温度逆境与防御；需水特性，水分逆境与防御；作物营养临界期与最大效率期；土壤肥力要素及调控途径。作物生长在环境中，通过不断同化环境资源完成生长发育过程，最终形成产品，环境中温度、光照、水分、等因素，直接影响着作物的生长发育和产量的形成及产品品质的优劣。了解和处理好作物生长发育与环境的关系，是实现作物高产、优质的基础。第一节作物生产系统的生态因子1、生态因子是作物生产系统的重要组分作物：系统主体。生态因子：系统客体（即环境条件），为作物提供生存的空间、能源和物质。作物生产系统2、影响作物生长发育的生态因子作物生长在田间，生长环境中的各种因素都与作物发生直接或间接的关系，有些限制或促进作物的生长发育，有些也可能没有什么明显作用，但他们都是影响作物生长发育的生态因子（环境因素）影响作物生长发育的环境因素包括4个方面2.1.1气候因子（climaticelements）包括光照、温度、水分、空气资源及活动现象。直接影响作物的生长发育代谢活动和形态变异，决定作物的地理分布。气候因子与其它生态因子密切相关，例如：随地理经、纬度和海拔而变化；随植被类型和人为变化而变化。包括土壤理化性状、土壤肥力和土壤生物结构及活动现象。直接影响作物的生长发育代谢活动，决定作物的地理分布。2.1.2土壤因子（soilelements）包括除作物本身外的动物、植物、微生物种类及活动现象。2.1.3生物因子（livingthings）与作物生长发育和生存竞争生态资源形成有害生物害虫杂草病原物与作物互利共生形成有益生物益虫：如蜜蜂有益微生物：如根瘤菌包括调节作物与生存资源相适应的技术和维持作物生产系统正常运行提供的经济、物质投入。干预作物生产的最活跃条件。2.1.4人为因子（anthropogenicfactors）第二节作物与光辐射1、光辐射对作物的意义1.1光是作物生命活动的能量源——热能用于作物蒸腾和维持作物体体温作物光合作用光量源作物生命代谢活动的热量源——作物截获太阳能化学能——光能利用率高（低）作物产量高（低）（作物产量的95%来自于光合作用）——作物截获太阳能热能光强、光质、光谱调节作物生长发育。光谱诱变作物遗传物质结构。1.2光调节作物生长发育和诱变遗传物质结构2、光照强度与作物的关系2.1光照强度与光合作用光合作用强度一般用光合速率表示，即每小时每平方分米的叶片面积吸收CO2的毫克数。光照强度与作物光合作用有直接关系。在夜晚没有光照时，作物只有呼吸消耗，释放CO2，没有光合积累。照光后，作物开始进行光合作用，并随光强增加光合速率相应提高，当达到一定光照强度时，叶片光合速率与呼吸速率相等，表现光合速率等于零，这时的光照强度称为光补偿点。在一定范围内（低光强区），光合速率的增加变慢（曲线B）；当达到某一光强后，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（直线C）。需要指出的是，该光合曲线是根据作物单叶的测定结果绘制的，群体条件下光照和光合曲线的关系就不大相同了。光照强度与作物的关系——光补偿点时的净光合率为零，即光合作用生产的干物质量与呼吸消耗的干物质量相等。——阳生植物光补偿点，为全日照量3~5%阴生植物光补偿点，为全日照量1%以下2.1光补偿点光补偿点（lightcompensationpoint）：指光合作用过程吸收CO2量和呼吸作用释放CO2量相等时的光照强度。作物正常生长要求高于光补偿点的光照强度。开花结实光补偿点小麦1.8~2.0千LX玉米0.8千LX豌豆1千LX——阳生作物光饱和点，为全日照量100%阴生作物光饱和点，为全日照量10~50%——水稻、棉花光饱和点40~50千Lx(勒克斯）小麦、菜豆、玉米光饱和点30千Lx大豆光饱和点27千Lx2.2光饱和点光饱和点（lightsaturationpoint）：指光合作用开始达到最大光合速率（photosyntheticrate）值时的光照强度。作物正常生长发育和产量形成要求不高于光饱和点的光照强度。——作物群体中一般仅顶层叶可能处于光饱和点或以上，顶层叶以下必然低于光饱和点。不同光补偿点和光饱和点及光合能力比较A光补偿点B光饱和点光补偿点和光饱和点分别代表作物光合作用对光照强度要求的低限与高限，也分别代表作物光合作用对弱光和强光的利用能力，是作物需光特性的两个重要指标。不同种类植物叶片的光补偿点和光饱和点有很大差异。阴生植物两者均低，喜光的阳生植物两者均较高。而对于大多数喜光类型，不同作物或品种需光量也有高低，C4作物（如玉米、甘蔗等）的光饱和点高于C3作物（如水稻、小麦、大豆等）。此外，作物群体需光特性与个体不同，群体光饱和点很高，例如玉米夏季在光照强度达10万lx时光合强度仍有增加。光照强度与作物生长发育：田间作物都是喜光的，虽然它们之间的耐阴性存在差别，但充足的光照对于作物的生长发育是不可缺少的。作物细胞的增大和分化，体积的增长、重量的增加都与光照强度有密切的关系。光能抑制作物细胞的过度伸长，充足的光照能促进作物健壮生长。在低光照条件下，葡萄果实中的钾、pH值、苹果酸含量增加，着色度降低，风味差，品质低。光也是叶绿素形成的必要条件，在黑暗中生长的植物不能形成叶绿素，只能形成胡萝卜素和叶黄素，植株呈现黄色或黄白色。强光对作物也有一定的伤害——即光抑制现象。光抑制在自然条件下是经常发生的，晴天作物冠层叶片处于光饱和点以上，就会造成光抑制。3.日照长度与作物的关系3.1.1自然界的光周期规律自然界一昼夜间的光暗交替称为光周期我国的光周期规律表现：北方南方：昼长（夜短）昼短（夜长）南方北方：昼短（夜长）昼长（夜短）夏至冬至：昼长（夜短）昼短（夜长）冬至夏至：昼短（夜长）昼长（夜短）高海拔低海拔：昼长（夜短）昼短（夜长）低海拔高海拔：昼短（夜长）昼长（夜短）作物从营养生长向生殖生长转化，受日照长度的影响或受昼夜长度的控制，作物发育对日照长度的反应称为光周期现象。1920年，Garner和Allard在非常简陋的试验条件下发现了烟草和大豆开化受昼夜长度控制，这一现象被称做光周期反应。后来，Hamner和Bonner（1938）研究证明，对于花原基诱发起重要作用的不是日照长度，而是黑暗长度。根据光周期反应，Garner和Allard将植物分为3种类型，即长日照植物、短日照植物、中日照植物。后来，在此基础上又增加了一种类型——定日照植物长日照作物：在发育过程中的某一阶段要求日照长度必须大于某一时数（临界日长），或者说暗期必须短于一定时数才能形成花芽，否则植株停留在营养生长阶段。属于这种类型的作用有小麦、大麦、黑麦、燕麦、油菜、甜菜、豌豆、马铃薯、草木樨、三叶草等。短日照作物：日照长度短于其所要求的临界日长，或者说暗期必须超过一定时数才能开花。延长日照时间则不能开花。属于这种类型的作物有谷子、糜子、水稻、玉米、高粱、大豆、棉花、麻、烟草、紫苏等。中日性作物：这类作物的花芽分化对日照长度不敏感，只要其他条件适宜，一年四季都能开花。属于这类的作物有菜豆、荞麦、黄瓜、茄子、辣椒等。定日照作物：只有在某一特定长度日照条件下才能开花，而在较长或较短日照下均保持营养生长状态，如甘蔗的某些品种即属于这种类型，要求12.45h的日照。在理解作物对日照长度的反应时，要注意以下两点：第一，作物在达到一定的生理年龄时才能接受光诱变。日照长度是作物从营养生长向生殖生长转化的必要条件，但并非作物一生都要求这样的日照长度。例如，小麦开花前需要17d的长日照，这一要求一经满足，一般在任何光周期下均能开花。第二，长日照植物完成光周期的日长并不是越长越好，短日照植物也并不是越短越好。光周期现象在作物引种工作中实际意义。一般来主，短日照作物由南方向北方引种时，由于北方生长季节内日照时数比南方长，气温比南方低，往往出现营养生长期延长，开花结实推迟的现象，要选择生育期短的品种。反之，短日照作物由北方向南方引种时，要选择生育期长的品种。长日照作物正好相反，由南向北生育期缩短，由北向南生育期延长，应选择适合的品种。一般在同纬度地区，在肥、水等生长环境相似的条件下，引种容易成功；如果纬度相差不太大，引进生育期长的品种，一般也容易成功。3.2光周期现象在作物生产中的应用引种——同纬度内引种容易成功、不同纬度间引种趋向不易成功。例:大豆由低纬度向高纬度跨纬度引种,明显推迟开花甚至不开花，引种要选早熟型品种;由高纬度向低纬度跨纬度引种,则明显提前开花、花数量陡减、花器官变小，引种要选晚熟型品种。例：水稻、棉花等短日照作物在秋季收获后引至海南岛冬繁，油菜等长日照作物夏季收获后引至华北夏繁，可以增加周年内的繁殖代数，加快育种进程。——花卉栽培以缩短光照或延长光照处理诱导定期开花；——通过缩短或延长日照处理，调节杂交亲本花期相遇进行杂交制种、以提高制种效率；控制花期——以营养器官为主要收获产品的作物，通过纬度间引种延迟开花时间提高产量和品质；——以生殖器官为收获产品的作物，通过合理的引种提早开花时间，促进早熟。例：红、黄麻由低纬度向高纬度跨纬度引种，可以推迟开花提高产量、改进纤维品质；而留种则要引至海南岛。调节营养生长和生殖生长4、光质与作物阳光照射到地球表面，因波长不同可分为紫外线（＜0.38um）、可见光（0.38～0.71um）和红外线（＞0.71um）三个光谱蓝紫光、青光抑制作物体伸长、红光促进作物体伸长；紫外线抑制作物体伸长、促进花青素形成，红外线促进作物体伸长、促进种子萌发。红、橙光被叶绿素吸收最多、光合活性最强，为生理有效光；绿光被作物叶片反射和透射，很少利用，为生理无效光。长波光占光束优势（强光）时，促进糖类合成；短波光占光束优势（弱光）时，促进氨基酸、蛋白质合成。4.1作物的生理有效光与生理无效光（低效光）4.2不同波长光下的光合产物4.3不同波长对作物生长影响据报道红光有利于碳水化合物的形成，蓝光对蛋白质的合成有利，紫外线照射对果实着色起良好作用，根据这一道理，国外开始利用不同颜色薄膜大棚进行育苗和蔬菜栽培。以提高作物的产量和品质。从大范围实地生态效应看，我国苹果着色最佳的优质生态区，西北黄土高原多在海拔1000m以上，西南高地多在1500~2900m，特别是2000~2600m，在海拔更高地带，由于紫外线过多，经常出现着色过度、过浓现象，如元帅系列品种皆呈暗紫红色，而金冠系列金黄光亮，阳面着红晕，多者占果面1/3~1/2。——最适温度：作物生长发育最快要求的温度——最低温度：作物生长发育要求的起点温度（低限）——最高温度：作物生长发育所能承受的高限温度第三节作物与温度1、温度对作物生长发育的意义作物的生命代谢活动要求在一定的温度条件下进行。1.1作物生长发育的温度三基点（temperature）温度三基点概念——不同作物的温度三基点不同：——同一作物不同生育时期要求不同的温度三基点。种子萌发＜营养器官生长期（地上部高于地下部）＜生殖器官生长期最低最适最高喜温作物8~1428~3235~45喜凉作物1~520~2528~32作物生长温度三基点特征：——温度临界期：对外界温度最敏感的时期（减数分裂—开花）最低最适最高油菜514~1830水稻2025~3040~45棉花18~2025~3035花生1625~2838——作物生长健壮、干物质累积量高（高光合效率）的适宜温度通常稍低于最适温度。——作物生长发育三基点可以通过育种加以适应性改良。作物温度三基点的应用——依据萌发的最适温度确定作物的适宜播期，主要应用于春播作物；——依据温度临界期的温度三基点调节生育期错开作物开花期不与最高温度相遇，主要应用于夏收作物；错开作物开花期不与最低