农田小气候研究不同群体结构光能利用和冠层小气候

人气 1241   2005-5-8 10:10

农作物植株高矮及茎叶密度、排列行向等,都对农田小气候有一定影响;同时,农田小气候环境亦影响作物生育。

太阳辐射及空气的乱流运动,仍然是株间小气候形成的主导因素,制约着植被层内小气候环境,影响光合作用物质生产,以及二氧化碳的供应。但株间太阳辐射的垂直分布及空气的乱流运动与作物层结构是互相影响互相制约的。农作物在土壤作用面上,又形成了一个绿色的作用层,这个作用层首先拦截、分配大部分太阳光,将这些能量主要用于蒸腾,茂密的枝叶阻挡着空气乱流运动,影响着作物层内热量和水汽的逸散以及作物层外新鲜空气和二氧化碳的进入。

株间辐射状况及空气乱流运动,影响农作物群体的生产力。如果植株过于稀疏,虽然利于“通风透光”,但大部分太阳光落在土面上,未能充分利用。作物的产量是一定的茎叶密度的生产力,茎叶密度不够,总株数过少,总产量就不高。如果作物层过于密植,株间郁闭,影响下层叶片的光合作用。主要农作物大多是喜光作物,单株受到的光少就要影响作物生育。过于郁闭将造成高温高湿环境,呼吸作用增强,累积干物质少,茎叶细弱,也易倒伏。过密的小麦也易倒伏和高温逼热,中国汉代就有“麦伤于稠”之说。高温高湿环境病虫害容易滋生,棉花蕾铃易脱落,薯类长蔓不长块茎。过密的作物层夜间失热慢,气温日较差减小,使作物种子内糖分和蛋白质含量降低。

因此,既要保持一定密度,又不能过于郁闭,才能保持适宜的小气候环境,使作物层在时间空间上合理配置。采用适应的间作套种方式,合理密植,才能提高光合利用效率,夺取全年高产。

不同群体结构的光热利用和冠层小气候研究,始于50年代末,早期的工作集中于群体结构和光能利用,在农田能量平衡方面进行了大量基础研究。在60年代,间作套种地’冠层小气候研究,随着种植制度研究而兴起;70年代“三种三收”等种植制度的改革,又促使这类研究广泛开展。80年代我国冠层小气候研究不断深入,与立体种植、间套复种、农林业等交错发展,SPAC理论的引入,使这项研究成为农田小气候研究主体.

1953年门司正三和佐伯敏郎提出了作物群体内光照度分布的指数公式,并提出了根据光照度一光合速率关系的双曲线特征所给出的参数,求算群体光合量的方法。上述方法由殷宏章、王天铎等引入我国,建立了小麦、水稻等作物群体内光分布和群体光含量计算模型,在农物高产方面作过大量工作,作出积极贡献。

1962年中国农业科学院农业气象研究室王珠、于沪宁、蔡泳慈结合间作套种作了大量工作。其中“玉米、大豆间作田植被层的能量平衡和小气候”一文,在1964年北京气象学会年会上报告,系国内首次系统的农田间套作小气候的深入研究,观测分析了两种处理:玉米大豆间作和玉米单作田农田小气候形成规律及若干微气象特征。玉米、大豆间作是我国玉米产区广泛采用的一种种植形式,流传甚久,方式多种多样,1960年以来,各地研究玉米、大豆间作生育过程相关关系者日益增多,但认识不一,有的认为间作增产主要是肥、水利用的关系;有的则认为以光能利用,水分有效利用和田间小气候条件的改善为主。为达到上述问题有一个初步明晰认识,1961年以来。中国农业科学院农业气象室与作物所陈国平等合作开展了研究,经过两年试验证明,玉米、大豆间作虽与栽培、耕作、肥水等有关,但与田间小气候条件更有密切联系,研究了植被层能量平衡热量平衡,温湿风廓线、d(零平面位移)和z。用波文比方法,研究了植被层能量分配。

间作以后增加了地表荫蔽度,降低了土面温度,减小了地面长波辐射向空中逸失,平均比单作田减小了95.30J/(cm2·d);而短波辐射的数值平均比单作田减小了10.67J/ (cm2·d)。

70年代至80年代,中国农业科学院农业气象研究所刘明孝、于沪宁、洪佳华等[36]、[37]研究了北京地区间套复种、三种三收与光能利用,对作物群体结构与光能利用进行了深入分析。在平谷县许家务、密云县农科所首次测定了光合有效辐射通量密度,得出的一些结果对指导黄淮海北缘作物高产有指导意义。这一些研究,与国内外生产潜力的研究密切相D乎应,提供了总辐射通量、反射率、漏射率、群体截光率、CO2饱和点和补偿点等资料,为最初的生产潜力模式提供了参数。为80年代以来,农田光热利用、物质能量传输研究,奠定了基础。于沪宁(1982、1991)[38]、[39]、[40]、王宏(1989)[41]的生产潜力模式均考虑到辐射和CO2传输。

山东省农业科学院叶修琪等[42]研究了立体种植小气候。以春马铃薯、春玉米、秋马铃薯、花椰菜,1年4收模式为例,实验表明,玉米为马铃薯遮荫,使薯块周围的土温降低5~7℃,避免了高温对马铃薯的热害。同时宽窄行五米又改善了田间小气候。马铃薯、花椰菜利用冷凉气候,玉米则利用温热气候,既能充分利用气候资源,又能利用小气候减灾避害。

沈阳农业大学王秉昆(1988—1990)[43]连续3a试验观测,研究了不同种植方式对田间小气候和产量的影响,间套作比清种单作增产15%。

麦棉两熟是黄淮海棉区近年发展很快的耕作制度,在夺取粮棉双丰收方面起到良好的作用。但在生产中还存在着许多矛盾有待于进一步解决。小麦对棉花影响的程度,取决于麦、棉对光、热、水、月巴、气的竞争力。在麦棉套种中,对水、肥的竞争矛盾易于通过施肥、灌溉予以缓解,而争光矛盾则是难于解决的影响棉花生育的关键。预留棉行间距、小麦群体状况在一定程度上决定着对光的竞争能力。因此,行向确定后,在相同的太阳高度角和太阳方位角之时刻,小麦株高和套种方式是影响投射到棉行上辐射强度的主要因素。以往的研究已表明棉行白天温度降低、光照减弱。潘学标等(1990)[44]通过对不同套种方式内的光合有效辐射和总辐射进行连续测定,定量分析麦棉共生期间的太阳辐射小气候效应及其对棉花生长的影响。

麦棉套种直播棉花与露地棉相比,行上和行间光合有效辐射和总辐射都受到不同程度的遮蔽,三种套种方式相比,3—2(3行小麦2行棉花)式对棉花的影响最小,3—1(3行小麦1行棉花)式影响最大。麦棉共生期间,会使辐射削弱直接导致的行间温度低、棉株净光合速率低发生增效作用,使棉花发育迟、生长慢。这种抑制作用将对棉花生育产生后效性持续影响,导致晚熟。解决这一问题的关键,在于缩短麦棉共生期和尽可能增加棉行的温度和辐射量。因此,在不妨碍小麦生产的前提下,可采用棉花营养钵育苗移栽、高垄种棉低沟种麦,3—2式或4—2(4行小麦2行棉花)式地膜覆盖、适时播种以及选用优良小麦矮秆品种及晚播早熟品种,对小麦进行化学调控以降低株高等单项或综合措施,有利于缓解麦棉套种中的光温竞争矛盾。此外,麦收后及早灭茬、中耕除草、施肥灌水,也有利于充分利用6月强光照尽早产生并增强棉苗的补偿作用,减轻晚熟程度和产量损失。

内蒙古巴盟农业气象科学研究所杨文彬(1987—1990)[45]4a的研究工作中,研究了粮粮草立体种植气候环境生态效应。小麦、玉米是内蒙古巴盟河套灌区的两大主体粮食作物,其产量高低,决定着巴盟的粮食生产形势。然而由于这里的热量资源不足,即种一季有余,种两季不足,无霜期仅有130d左右,以及春季干旱多风,土壤耕层温度偏低,湿度偏小,干热风和低温冷害等不利气候生态条件的影响,致使粮食产量长期处于低而不稳的状态。为协调作物共生期间的水热矛盾,提高光热水资源的利用率,1984年把地膜覆盖应用于春小麦套种玉米,达到两作互利共生,高产稳产的目的。在1984—1990年7a的试验、示范和大面积推广过程中,先后对光热水资源的利用效率,多层次绿色叶面积的覆盖效应,干物质积累与分配特点,玉米、小麦的边际温湿效应和中行光效应等相关问题进行了研究收到了很好的效果。1987—1990年4a累计推广粮粮草立体种植面积13.5万 hm2,总产量136032万kg,平均每公顷产量10111.5kg,比4a全盟粮食平均每公顷产量 4132.5kg,增加5979.Okg,增产率144。7%。以占全盟4a累计粮食作物(77.8万hm2) 17.3%的面积,获得了4a累计总产(32.15亿kg)42.3%的产量,效果相当可观。

粮粮草立体种植结构,充分开发了有限的气候资源;改善了农田株间通风透光条件;增加和延长了作物光合作用;有效地减少了土壤蒸发量和盐分的地表聚积;提高了土壤的有机质含量,为其自然地形成的“边际温湿效应”和“中行光效应”优势以及加速干物质积累和转移奠定了良好的基础。在不同的立体种植结构中,以3.333m带立体种植结构为最优,增产潜力最大。

粮粮草立体种植结构,不仅可以充分开发有限的气候资源;改善农田株间通风透光条件;而且由于绿色叶面积的增加和覆盖周期的延长,对于有效地减少蒸发和盐碱聚积地表,增加有机质含量和干物积累及其迅速转移,促进高产稳产具有重要现实意义。立体种植中玉米采用地膜覆盖产生的综合生态效应,在对玉米植株本身的生长发育及其产量形成有利的同时,其自身也表现出。明显的边行优势。小麦则因其具有明显的边行温湿效应和中行光效应,显著地提高了立体种植的增产幅度。上述分析表明,边行温湿效应产量似 1.667m为最高,达90.35kg,2.169m次之,3.333m仅为20.82kg;而中行光效应则以 3.333m为最高,达93.1kg,1.667m仅3.5kg,2.167m也只有15.2k2。很显然,3.333m为最优,增产潜力最大。

在烤烟生产中江西省烟农一贯采用双行栽培方式,烤烟双行栽培无论从增进产质还是改善田间小气候均差于单行栽培。为了探明单行增产增质生理机制,肖金香等(1989一 1991)[46]从提高烤烟产质出发,探索调整田间小气候效应, 以充分发挥气候和水、肥、土、密等因素的综合生产潜力,1989—1991年在江西农业大学农学系实验站进行了单、双行栽培对比试验,在赣州地区农业科学研究所进行了示范。三年来的结果表明,单行栽培产质好,经济效益高,增温效应明显,通风透光,为江西省推广单行栽培提供了科学依据。

3年来的试验证明,采用低密行栽培方式,单产居第二位,但产质、产值居第一位,土中等烟比例占77%,烟碱含量2.38%较适宜,每公顷产值9496.95元,比双行每公顷产值增值1721.55元。单行栽培单位面积上所得到的热量、光能较双行多,同时通风透气,有利排水,有利优质烟的形成。地面日平均温度单行比双行高2.3~3.1℃和1.9~ 4.2℃。20~80cm处的日平均气温高0.4~0.1℃和0.9~1.5℃。20cm处的日温湿差单行比双行高3.4~3.5℃。低密单行基部透光率比低密双行和高密双行强38.1%、44.7%。 1989—1991年采取边试验、边示范、边推广的方式,在该省新老烟区示范、推广面积达 0.66万hm2以上。生产实践证明,高垄单行种植烟叶品质好,经济效益高,是当前江西省优质适产的一项重要增产技术措施。

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