光温生产潜力

2光温生产潜力光是作物进行物质生产的能量源泉，它在温度、水分、土壤肥力及人为因素（农业技术措施）等综合影响下发挥作用。没有适宜的温度配合，光能生产潜力就发挥不出来；温度低于作物的生物学下限或高于上限，光合产物趋近于0。光温生产潜力是指当水分、土壤肥力和农业技术措施等参量处在最适宜的条件下，由太阳辐射和温度两因子共同决定的作物产量，它是大田生产可以实现的产量上限。国内外研究光温生产潜力的方法多种多样。但主要有两大类，一类是构造外在式温度订正函数，另一类是以内在函数的形式对光合潜力进行订正。前者首先将光合潜力作为理论上土地生产潜力的上限，然后分别用温度影响函数、水分影响函数和土地影响函数对光合潜力依次进行订正，分别得到光温生产潜力、气候生产潜力和土地生产潜力。在这种情况下，对光温潜力（Pt）的估算转化为温度订正函数（Ft）的确定，即：Pt=P·Ft式中，P为光合潜力。孙惠南（1985）、李世奎（1984）、侯光良（1985）以及于沪宁和赵丰收(1982)等均采用这种订正方法。后者将温度作为一个单一因子内嵌在光温潜力表达式中，即以内在函数的形式完成对光合潜力的订正，如联合国粮农组织的AEZ方法；即：Pt=F[(P),t]。2.1李世奎模式喜温作物和喜凉作物对温度的要求是不同的，因此需要采用不同的温度订正函数。喜温作物的温度订正采用莱亨泊公式：喜温作物光合作用的有效温度范围是[6℃,44℃），环境温度6℃或≥44℃时叶绿体停止光合生产。在6℃--44℃范围内，不同的温度区段，光合效率也是不同的；其中28--32℃的温度区间是喜温作物的最适温度范围，在此范围内温度对光合潜力发挥不起限制作用。)C,C)or[446,(0C)C,4432[67.3083.0C)C,3228[1.00C)C,2821[41.1086.0C)C,216[162.0027.0TTTTTTTTFt喜凉作物最适温度范围不如喜温作物那样存在一个区间，而仅局限于一个较小范围（可采用20℃，如小麦）。当环境温度低于或高于最适温度时，其光合效率是不同的。喜凉作物的温度订正函数采用如下分段函数形式：式中，T0为最适温度，T为实际温度。0)10(0)10(22020TTeTTeFTTTTt将作物全生育期内分生育期或逐日温度资料代入上述两公式，即得不同生育期或逐日温度有效系数系列。所以，光温生产潜力模式为：式中，i为生育期序号或日期序号，视不同的精度要求而定。以光合有效辐射（Qpar）为基础计算光温生产潜力，则上式变为：式中Qpar单位为MJ·m-2。)(])()([1075.32105hmkgFLLQFYYniitiitt)(])()([52.76210hmkgFLLQYniitipar2.2于沪宁—赵丰收模式于沪宁和赵丰收（1982）认为，在众多的表征温度订正函数的经验公式中，长谷川史郎•奥田明男的基于C3、C4作物大量试验资料而得出的经验公式较为合理，宜用作温度订正函数。长谷川史郎•奥田明男应用试验资料求得的作物相对光合速率（ft）与环境温度（t）的关系式，即：该式表征了光合作用效率与温度的关系，因此，即为C3和C4作物通用的温度订正函数。考虑到光合作用所需的环境温度为白天有光照情况下的温度，所以，可以用白天平均温度作为上述温度订正函数中的温度指标。24210771.510301.4ttft因此，光温生产潜力可以表述为：以光合有效辐射（Qpar）为基础计算光温生产潜力，则上式变为：式中Qpar单位为MJ·m-2。)()1()1()1(1769.02mgfQfYYttt)(52.742hmkgfQYtpar2.3AEZ模式农业生态区域法(Agro-ecologicalzone,AEZ)是联合国粮食和农业组织（FAO）开发的一套评价土地资源及其生产潜力（进而估算人口承载力）方法的总称。应用AEZ法计算土地生产潜力是从评价有灌溉条件的大陆作物而发展起来的。对于评价地区的气候条件来说，标准作物产量潜力采用DeWit(1965)的概念，即用辐射资料来计算；对于农作物，在各地区的具体条件下，依据作物生长过程的特征进行修正。该方法是在假定气候条件满足作物要求，并认为水、土壤、病虫害等不影响作物生长及其生产潜力发挥的条件下建立的，即相当于光温生产潜力（TPP）。决定作物最高产量的气候因素有温度、辐射、总生长期长度等。作物生长及其产量，受作物生长期所吸收的光合有效辐射影响最大，它影响作物光合作用所形成的干物质。在合适的生长期长度内，气温条件决定着适宜作物种类；当物种条件满足时，气温和辐射条件对作物产量是一种限制因素，因为自然选择和繁育过程使得作物光合作用过程在一定的气温范围内有一最佳速率值。特别是产生于光合作用的生物化学和物理性质的变异导致了作物之间光合作用最佳温度要求的差异。因此，当气候因素适宜于某一给定作物的气候特征时，就有可能确定气温及辐射与作物产量之间的关系。因为，与光合作用有关的气温和辐射的作用取决于作物的光合途径，因而有可能把作物按其相似的光合途径和光合作用能力进行分组。AEZ法对作物生产潜力的计算以标准作物的生物量（biomass，即干物质总量）为基础，然后依次进行温度订正、叶面积订正、净干物质订正和收获指数订正。这些订正过程都与具体的作物种类有关，并且分生育期（Cropgrowingperiod,CGP）进行。2.3.1计算标准作物的总干物质产量(Y0)Y0—标准作物总干物质产量(kg·hm-2·day-1)；F—每天云遮盖时间的比率；F=(Rse-0.5Rg)/0.8RseRse--晴天最大有效射入短波辐射(cal·cm-2·day-1)；Rg—实际测得的射入短波辐射(cal·cm-2·day-1)，或者通过日照时数(n)或日照百分率(n/N)推算∶Ra—大气上界太阳短波辐射能，也称天文辐射，是一个与纬度值有关的常量，可以查表获得。公式中使用的单位为cal·cm-2·day-1。y0—全阴天既定地点标准作物的总干物质量(kg·hm-2·day-1)；yc—全晴天既定地点标准作物的总干物质量(kg·hm-2·day-1)。c00yF)-(1yFY59)]RaNn0.45([0.25Rg表1晴天最大有效射入短波辐射与晴天和阴天标准作物总干物质量(kg·hm-2·day-1)纬度1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月0Rse343360369364349337343357368365349337yc413424429426417410413422429427418410y021922623022822121621822523022822221610Rse299332359375377374373377369345311291yc376401422437440440440439431411385370y019721222523423623523623523021820319320Rse249293337375394400399386357313264238yc334371407439460468465451425387348325y017019321523524625024924222620317816430Rse191245303363400417411384333270210179yc281333385437471489483456412356299269y01371682002322512612582432161821481302.3.2作物种类与温度订正不同作物在不同温度条件下的干物质生产率不同。因此，不同作物在不同环境温度下、处于不同生育期，按照干物质生产率的不同，需要对标准作物的y0和yc值进行订正。设Fy0为y0的订正系数，Fyc为yc的订正系数，则作物生物量Y0为∶Fy0和Fyc的取值如下(ym表示干物质生产率)∶)y(FF)-(1)y(FFYcyc0y00当ym≥20kg·hm-2·hr-1时当ym20kg·hm-2·hr-1时)20(05.0)20(025.05.0)20(025.05.0)20(01.08.0121212120hrhmkgyyhrhmkgyyFhrhmkgyyhrhmkgyyFmmmmycmmmmycm0m0)y0.025yF)(0.5-(1)y0.01yF(0.8Ycm0m0)y05y.0F)(-(1)y0.025y.50F(Y作物光合类型气候适宜类ym(kg·hm-2·hr-1)5℃10℃15℃20℃25℃30℃35℃40℃苜蓿C3喜凉类10.213.617.017.017.013.612.26.0冬大麦C3喜凉类6.813.620.423.819.06.80.00.0马铃薯C3喜凉类4.813.620.413.610.26.80.00.0油菜C3喜凉类6.813.620.427.020.46.83.40.0小麦C3喜凉类6.813.621.828.726.612.410.20.0棉花C3喜暖类6.810.220.427.227.220.410.2花生6.813.617.020.420.413.610.2水稻10.213.626.734.034.030.013.6大豆13.617.020.423.820.413.66.8甘薯3.413.623.827.227.217.06.8玉米C4喜凉类13.620.033.346.752.040.020.4糜10.213.623.836.743.337.420.4高粱10.216.730.036.746.740.820.4甘蔗C4喜暖类13.330.046.753.350.026.7表2不同作物在不同温度下的干物质生产率(ym，kg·hm-2·hr-1)2.3.3作物发育时间和叶面积订正作物的叶面积指数(LAI)是作物叶片面积的总和相当于叶面投影面积的倍数(m2•m-2)。作物所处生育期不同，LAI值也不同。特定作物LAI的动态变化与作物生育期相关。LAI在整个生育期的中期最大，在生育期的开始或末了时较小。对于标准作物而言，可以假定有效叶面积为投影地面积的5倍，而当特定作物的叶面积较小时即应进行订正。当特定作物的LAI5时，影响就小一些。作物叶面积订正系数(CL)。表3作物叶面积订正系数(CL)LAI1234567CL0.40.60.80.91.01.051.08根据作物不同生育期的LAI值，选用不同的CL系数，对不同生育期分别进行订正，然后求各生育期订正的干物质产量之和，即得到LAI订正后的生物产量。2.3.4净干物质量订正植物干物质的生产来自于叶绿体吸收太阳辐射能后合成的碳水化合物。光合作用仅在白天有光照的条件下进行，而夜间植物的呼吸作用则耗损碳水化合物。除消耗外，剩余部分的能量才能用于植物的生产，即净干物质的积累。净干物质占总光合产物的比率称之为净干物质订正系数(CN)。CN与环境温度密切相关，一般以20℃为分界点，平均温度20℃，CN=0.5；平均温度≤20℃，CN=0.6。表4作物生长盛期最大叶面积指数(LAI)和收获系数(CH)作物最大叶面积指数(LAI)产品(收获部分)收获系数(CH)苜蓿6.0干草0.80冬大麦4.0谷物0.40马铃薯4.0块茎0.60油菜4.0籽实0.25冬小麦5.0—6.0谷物0.37—0.39棉花6.0皮棉0.10花生4.5果实0.35水稻7.0谷物0.43大豆4.0籽实0.35甘薯4.0块茎0.70玉米6.0谷物0.44糜5.5谷物0.38高粱5.5谷物0.39豌豆籽实0.30—0.40番茄果实0.25—0.35洋葱茎0.70—0.80甘蔗8.0糖0.20—0.302.3.5收获指数(CH)订正作物经济价值的不同，主产品在生物量中所占的比例也不同。