農(nóng)業(yè)氣象學(xué)二氧化碳與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)演示文稿

農(nóng)業(yè)氣象學(xué)二氧化碳與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)演示文稿本文檔共70頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\0點8分（優(yōu)選）農(nóng)業(yè)氣象學(xué)二氧化碳與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本文檔共70頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\0點8分主要內(nèi)容

§1二氧化碳對植物的影響§2農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控§3風(fēng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控本文檔共70頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\0點8分本章重點：

碳循環(huán)、CO2飽和點與補償點等基本概念

CO2增加對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及CO2調(diào)控技術(shù)農(nóng)田作物群體CO2通量及濃度變化規(guī)律分析本章難點：農(nóng)田CO2濃度變化規(guī)律分析。本章重點與難點本文檔共70頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\0點8分§1二氧化碳對植物的影響

主要內(nèi)容：

●碳循環(huán)簡介

●CO2對植物的影響本文檔共70頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\0點8分一、碳循環(huán)簡介

（一）碳循環(huán)的概念

碳循環(huán)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(zhuǎn)化和循環(huán)周轉(zhuǎn)的過程。在漫長的地球歷史進程中，碳循環(huán)最初只是在大氣圈、水圈和巖石圈中進行，隨著生物的出現(xiàn)，有了生物圈和土壤圈，碳循環(huán)便在五個圈層中進行。碳循環(huán)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(zhì)過程以及人類活動干預(yù)，又以CO2的形式返回到大氣中。本文檔共70頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\0點8分大氣圈CO2生物圈CO2固定

土壤呼吸

溶解吸收

有機質(zhì)分解

交換釋放

風(fēng)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(fā)、巖石風(fēng)化土壤圈水圈巖石圈碳循環(huán)簡圖本文檔共70頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\0點8分碳循環(huán)的主要形式：碳在自然界中的存在形式：碳在生物體內(nèi)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和碳酸鹽；含碳有機物；綠色植物的光合作用；食物鏈；①生物的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的燃燒本文檔共70頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\0點8分

因此，若CO2發(fā)生量變，必然會對碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響。維護碳循環(huán)正常運行的關(guān)鍵是控制CO2的排放量。

本文檔共70頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\0點8分

（二）大氣中的CO2濃度在地質(zhì)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(nèi)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(huán)的相對穩(wěn)定和平衡。但自從人類出現(xiàn)以來，特別是工業(yè)革命以來，一系列與碳元素有關(guān)的經(jīng)濟活動不斷加入到碳循環(huán)過程中來，其中最主要的活動是燃燒礦物燃料和砍伐森林，結(jié)果打破了碳循環(huán)原有的平衡，使大氣中的二氧化碳濃度增加。本文檔共70頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\0點8分

工業(yè)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：

1840～1900年，0.12ppm；

1900～1960年，0.34ppm；

1960～2000年，1.32ppm。至2000年，全球大氣中的CO2濃度已經(jīng)達到369ppm。本文檔共70頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\0點8分

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(jù)估算，全球由海洋到大氣的CO2平均凈通量約為4.151*108t(C)/a。●土壤。它是大氣中CO2的另一個重要的源，每年約0.273*108t(C)的CO2由土壤直接進入大氣。本文檔共70頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\0點8分

●人類活動。包括大量使用煤、石油、天然氣等礦物質(zhì)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1850～1950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。本文檔共70頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\0點8分

（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(zhì)，從而使CO2進入生物圈。據(jù)估算，陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣中CO2交換的凈通量為4.342*108t(C)/a?！袼?。大氣中CO2溶解進入水圈。

CO2+H2O→H2CO3

●巖石圈。大氣中CO2經(jīng)過淋溶及化學(xué)反應(yīng)進入巖石圈。

H2CO3+Ca++→CaCO3↓+2H+back本文檔共70頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\0點8分（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對植物的影響本文檔共70頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\0點8分

（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(nèi)表皮阻力，才能到達葉肉細胞表面。本文檔共70頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\0點8分

（3）從葉肉細胞的表面進入到葉綠體內(nèi)。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分子要穿過液相原生質(zhì)，才能到達葉綠體，再進入到葉綠體內(nèi)層的光化學(xué)反應(yīng)中心。本文檔共70頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\0點8分

所以，CO2在由空氣到葉綠體內(nèi)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本文檔共70頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\0點8分

（4）CO2向葉內(nèi)擴散的數(shù)學(xué)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(nèi)擴散量(Pc)的關(guān)系式為：式中，fc為CO2單位換算系數(shù)，即將mg/kg換算為g/cm3CO2

的系數(shù)。本文檔共70頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\0點8分

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(guān)，即濃度越大，CO2向葉內(nèi)擴散量就越大。但植物的光合速率與CO2濃度并非簡單的直線關(guān)系，下面介紹兩個重要的概念。

本文檔共70頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\0點8分

（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(huán)境中的CO2濃度稱為CO2補償點。

本文檔共70頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\0點8分

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40～150ppm，稱為高CO2補償點植物。多數(shù)植物的CO2飽和點為800~1800ppm，現(xiàn)在大氣中CO2的濃度約為370ppm。大大超過補償點而遠離飽和點，CO2濃度的增加，必定加快光合作用的強度，增加農(nóng)作物的光合產(chǎn)量，從而加快植物生長。本文檔共70頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\0點8分

（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(jù)測定，在適宜的環(huán)境條件和同樣的光強、CO2濃度下，C4植物的產(chǎn)量要比C3植物高出近一倍。本文檔共70頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\0點8分

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。本文檔共70頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\0點8分

d、水分的影響當(dāng)水分不足時，氣孔變狹，減少CO2吸收；同時原生質(zhì)的水合作用減弱，光合能力降低。而水分過多時植物生長發(fā)育受到影響，CO2吸收亦會逐漸減弱甚至停止。本文檔共70頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\0點8分

e、風(fēng)的影響風(fēng)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(nèi)部輸送和補充CO2；二是加強群體內(nèi)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(fēng)速逐漸增大會使CO2擴散阻力明顯減小。本文檔共70頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\0點8分

f、群體結(jié)構(gòu)的影響直立葉片較多的群體，通風(fēng)、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(zhì)積累有利。本文檔共70頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\0點8分

（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(shè)備

人工增加CO2濃度也稱為CO2施肥，研究CO2濃度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-airCO2enrichment）等。本文檔共70頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\0點8分開放式試驗田指在自由空氣中增加CO2，它擺脫了上述設(shè)備小空間、微環(huán)境的影響，直接在自然環(huán)境下進行CO2增加的模擬試驗，因其試驗尺度大，通風(fēng)良好，光照、溫度、濕度和風(fēng)等環(huán)境條件十分接近自然農(nóng)田，所以在開放式試驗田中獲得的數(shù)據(jù)更接近于真實情況。本文檔共70頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\0點8分

CO2氣源

a.干冰。價格昂貴，且降低氣溫。

b.CO2發(fā)生劑。碳酸氫銨、碳酸鹽加稀硫酸、石灰石加鹽酸在CO2發(fā)生器中化學(xué)反應(yīng)釋放CO2。成本較高，安全性差，易造成有毒氣體污染。

c.工業(yè)尾氣。如化肥廠、酒精廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)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。本文檔共70頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\0點8分

2、部分試驗研究數(shù)據(jù)

（1）CO2

濃度增加對作物光合作用的影響冬小麥：CO2濃度在600ppm之內(nèi)，光合速率P與CO2濃度幾乎是直線關(guān)系；春小麥：CO2濃度倍增時，P增大2.569倍；大豆：CO2濃度為500，600，700ppm時，P分別升高80％、143％、205％。本文檔共70頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\0點8分（2）CO2

濃度倍增對作物發(fā)育期和株高的影響

從上表可知,CO2濃度倍增使棉花發(fā)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。本文檔共70頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\0點8分（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。本文檔共70頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\0點8分

（4）CO2

濃度倍增對作物產(chǎn)量（g/株）的影響

CO2濃度增加,4種作物產(chǎn)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。本文檔共70頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\0點8分

（5）CO2

濃度增加對黃瓜生長發(fā)育的影響本文檔共70頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\0點8分

（6）溫室蔬菜施用CO2

氣肥后的增產(chǎn)作用本文檔共70頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\0點8分

3、部分研究結(jié)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(chǎn)量，但對C4作物產(chǎn)量的影響較??；

●對根系生長的促進作用要大于地上部分；

●對大多數(shù)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。本文檔共70頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\0點8分

●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(yīng)在封壟后開始施放二氧化碳。本文檔共70頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\0點8分

●溫室一天內(nèi)CO2的適宜施放時間在不同季節(jié)有所不同。在深秋和初冬季節(jié),宜在下午收風(fēng)后施放。在隆冬季節(jié),溫室不放風(fēng)或放風(fēng)時間很短,宜在上午11時左右施放。在晚冬和初春季節(jié),放風(fēng)時間較長,宜將一次施放改為兩次施放,放風(fēng)前1h施放一次,收風(fēng)后再施放一次。本文檔共70頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\0點8分

●溫室人工增施CO2

的適宜濃度國內(nèi)外許多學(xué)者曾做過大量試驗,但因試驗條件、供試蔬菜和栽培方式等各不相同,試驗結(jié)果有很大差異。多數(shù)學(xué)者認為:一般溫室蔬菜生長和產(chǎn)量形成的CO2

適宜濃度為600～1500ppm。本文檔共70頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\0點8分

（三）CO2濃度增加對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的間接影響

●“溫室效應(yīng)”將導(dǎo)致氣溫上升，使各地作物生長季延長，從而使農(nóng)作物種植界限和耕作制度發(fā)生變化。

●在中緯度地區(qū)，可減弱低溫對作物的脅迫作用，使產(chǎn)量和質(zhì)量提高。

●可能使害蟲數(shù)量大幅度增加，危害期延長。

●可能加速農(nóng)藥和肥料的分解，降低殺蟲劑和除草劑的效率。本文檔共70頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\0點8分

●可能使一些地區(qū)更加濕潤，而使另一些地區(qū)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(dǎo)致的氣候變暖又可使蒸發(fā)量增加，減小水分的有效性，這兩種效應(yīng)的方向是相反的。本文檔共70頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\0點8分§2農(nóng)田二氧化碳狀況及其調(diào)控主要內(nèi)容：

●

時間變化和空間變化

●

農(nóng)田CO2通量密度及其時間變化

●土壤和近地層CO2調(diào)控技術(shù)本文檔共70頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\0點8分

一、時間變化和空間變化

（一）時間變化1、日變化作物的不同發(fā)育階段，不同時間和地點，農(nóng)田CO2濃度的日變化趨勢是基本一致的。白天CO2濃度隨光合作用的增強而不斷降低，日落后CO2濃度則升高，日出前達最大值。本文檔共70頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\0點8分

晴天與曇天溫室內(nèi)二氧化碳濃度的日變化曲線本文檔共70頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\0點8分

陰天和晴間多云天氣溫室內(nèi)二氧化碳濃度的日變化曲線本文檔共70頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\0點8分

2、年變化在北緯30度以北地區(qū)的大氣中，從4月至9月，CO2濃度減少3％。且土壤中有機質(zhì)也在不斷分解。大氣中CO2濃度一般在夏末秋初達到最低值，10月到次年3月是一個積累時期，濃度逐漸上升，到冬末春初達到最大值。本文檔共70頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\0點8分

（二）空間變化CO2濃度的垂直變化由近地氣層CO2被固定和釋放的情況所決定。當(dāng)?shù)孛娓灿兄脖?，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，呈光合型。這期間，從地面到16千米高度，二氧化碳濃度均低于320ppm。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，則越近地面，濃度越高，呈呼吸型。這期間，從地面到16千米高度，二氧化碳濃度均高于320ppm。本文檔共70頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\0點8分二、農(nóng)田CO2通量密度及其時間變化

1、計算方法近地層中CO2的垂直通量，決定于湍流擴散機制。因此，可以從湍流擴散角度來得到農(nóng)田上方CO2的鉛直輸送公式，即：式中，qc為鉛直方向的CO2通量；fc為單位換算系數(shù)；kc為CO2湍流交換系數(shù)；為CO2濃度的鉛直梯度。本文檔共70頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\0點8分

應(yīng)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(fēng)速和CO2濃度；?是卡曼常數(shù)，一般取0.4；d為零平面位移；σ為常數(shù)；Ri為理查遜數(shù)，是表征大氣層結(jié)穩(wěn)定程度的量。本文檔共70頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\0點8分

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(xiàn)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。本文檔共70頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期二\0點8分本文檔共70頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期二\0點8分

三、土壤和近地層CO2調(diào)控技術(shù)

1、土壤CO2釋放的調(diào)節(jié)（1）原理土壤空氣中CO2濃度遠高于大氣，因此土氣間的濃度差導(dǎo)致了土壤CO2釋放。土壤中CO2的釋放量因土壤溫度、含水量及有機質(zhì)含量不同而有很大差異。因此，可以采取措施改變土壤物理性質(zhì)和環(huán)境條件等以達到調(diào)節(jié)CO2釋放量的目的。本文檔共70頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期二\0點8分

（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(nóng)家肥，增加土壤腐殖質(zhì)量，釋放CO2。本文檔共70頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期二\0點8分

2、田間CO2濃度調(diào)節(jié)a.合理密植，改善田間的通風(fēng)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(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向一致，改善田間通風(fēng)條件，以有利于CO2隨風(fēng)進入農(nóng)田。c.栽培時要寬行窄株距，改善群體內(nèi)通風(fēng)條件，亦可起到提高農(nóng)田中CO2濃度的作用。本文檔共70頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期二\0點8分§3風(fēng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及調(diào)控主要內(nèi)容：

●風(fēng)的影響

●防風(fēng)措施本文檔共70頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期二\0點8分一、風(fēng)的影響

（一）有利影響

1、風(fēng)對農(nóng)田小氣候的調(diào)節(jié)風(fēng)能影響農(nóng)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(fā)和作物蒸騰，也增加空氣中CO2等成分的交換，使作物群體內(nèi)部的空氣不斷更新，對株間的溫度、水汽、CO2等調(diào)節(jié)有重要作用。本文檔共70頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期二\0點8分

2、風(fēng)與光合作用

在低風(fēng)速條件下，葉片的邊界層變薄，

CO2的擴散阻力減少，有利于CO2