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太阳总辐射耕作指导及耕作改善说明

浏览次数:47 分类:技术咨讯

一、太阳总辐射概念

 

 

太阳总辐射(TBQ)是地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。太阳发出波长范围在0.15~4.0μm的光线,称为太阳光谱。太阳辐射到达地球大气层的部分被称为总辐射,也叫短波辐射。总辐射包括太阳的直接辐射和太阳散射辐射,用水平安装的总辐射表测量。

 

 

(1)太阳直接辐射:经过大气散射和吸收的削弱之后,沿投射方向直接到达地表的太阳辐射。

 

 

(2)太阳散射辐射:太阳辐射通过大气时,受到大气中气体、尘埃、气溶胶等的散射作用,从天空的各个角度到达地表的一部分太阳辐射

 

 

就全球平均而言,太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的45%。总辐射量随纬度升高而减小,随高度升高而增大。一天内太阳辐射中午前后最大,夜间为零,一年内太阳辐射夏季大冬季小。太阳辐射能在可见光线、红外线和紫外线中分别占50%、43%和7%,即集中于短波波段,故又将太阳辐射称为短波辐射。

 

 

二、辐射的度量和单位及换算关系

 

 

(一)辐射的度量和单位

 

 

辐射通量:单位时间通过任意面积上的辐射能。单位:J/s或W。

 

 

辐射通量密度:单位时间内通过单位面积的辐射能量。单位:J/(s·m)或W/ m。

 

 

光通量:表征辐射通量而产生光感觉的量。单位:流明(lm)

 

 

光通量密度:单位面积上的光通量。单位:流明/米(lm/ m)

 

 

照度:单位面积上接受的光通量称照度。单位:勒克斯(lx) 1lx = 1lm/m

 

 

(二)换算关系

 

 

太阳辐射度与太阳光照度是两个不同的物理量,赋值的对象不同,所以没有确定的转换关系。太阳辐射光照强度(单位:lux)与太阳光辐射度(单位:W/m2):

 

 

只有在确定的光谱能量分布情况下,才有明确的相关关系。一般天气自然(太阳)光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系

 

 

klx数×4≈ W/m2?,W/m×4≈μmol/m·s

 

 

三、全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量

 

 

(一)中国年太阳辐射总量分布

 

 

太阳辐射的日总量∶ 一日中,到达地面单位面积上的太阳辐射的累积值,称为太阳辐射的日总量。

 

 

太阳辐射年总量∶一年中,到达地面单位面积上的太阳辐射累积值,称为太阳辐射年总量。

 

 

(二)影响太阳总辐射的因素

 

 

太阳辐射总量不仅取决于太阳高度角、大气透明海拔高度天气状况等,还和日照时数有关。

 

 

(1)太阳高度角:太阳总辐射与太阳高度角呈正相关

 

 

(2)大气透明度:大气透明度差,到达地面的太阳直接辐射减少,从而减少太阳总辐射

 

 

(3)大气质量:大气质量越大,到达地面的太阳总辐射就越少

 

 

(4)海拔高度:海拔高度越高,地面接收到的太阳总辐射就越强

 

 

(5)坡度坡向:北半球北回归线以北地区,纬度越高,越是表现出南坡向阳,北坡背阴,冬季比夏季显著

 

 

(6)云量:一般云越厚、越多,太阳直接辐射越弱。

 

 

(7)天气状况:晴天以直射辐射为主,散射约占总辐射的15%,阴天或太阳被云遮挡时只有散射辐射。太阳总辐射量通常按日、月、年为周期计算。

 

 

(三)全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量

 

 

(单位换算1W=1J/s,所以1KWh/m2=1×1000×W×3600s=3600000W/m2

 

 

四、太阳辐射与植物生长

 

 

太阳辐射对植物的影响∶热效应、光合效应、形态效应,决定了植物产量、形成及地理分布。

 

 

(一)太阳辐射光谱成分对植物的影响

 

 

(1)不同光谱成分对植物的影响

 

 

植物生长是在日光的全光谱作用下进行的,不同光谱成分对植物的光合作用、色素形成、向光性、形态形成的诱导等影响是不同的。

 

 

① 植物吸收最多的是红橙光和蓝紫光,以参与光合作用。

 

 

② 光谱对植物的影响有三个作用和三个效应;

 

 

可见光的光效应,产生光合作用;

 

 

红外线的热效应,促进果实成熟;

 

 

紫外线的化学效应,起成型作用。

 

 

(根据不同光谱成分对植物的影响,可以通过人工改变光谱来改善植物的生长。)

 

 

(2)光合有效辐射(PAR)

 

 

① 定义∶太阳光谱中对植物光合作用有效的光谱成份称为光合有效辐射,大致包括380~710nm波段的太阳辐射(以符号Q代表,单位为瓦/米2)。

 

 

叶绿素吸收光谱的最强吸收只有两个:一个在波长为640—660纳米的红光部分,另一个在波长为430—450纳米的蓝紫光部分。类胡萝卜吸收光谱主要是蓝紫光。色素对其他波长的光一般不吸收。

 

 

光合有效辐射计算公式∶PAR(Q)= 0.43 S+ 0.57D(S表示直接辐射强度,D表示天空散射辐射强度)。

 

 

②?太阳辐射中光合有效辐射的含量

 

 

光合光量子通量密度PPFD):单位时间通过单位面积的光合光量子数,数值单位是 μmol/m2·s,测量仪器为光量子辐射仪。

 

 

(二)光照强度与植物生长发育

 

 

(1)光强与光合作用

 

 

绿色植物的光合作用是在一定的光照条件下进行的光饱和点;光合作用的速度达到最大时光的强度。

 

 

光补偿点∶光合速度与呼吸速度相等时的光照强度。

 

 

不同植物对光强的要求不同,根据对光照强度的要求∶

 

 

喜光植物- 阳生植物(强光照下才能正常生长,如白桦、刺槐)

 

 

耐阴植物-阴生植物(一定的蔽阴条件下生长,如云杉、冷杉)

 

 

中性植物-(介于两者之间,如红松、椴树、杉木、毛竹等,幼苗期较耐阴,随着树龄的增长,逐渐表现出不同程度偏阳的特性)

 

 

(2)光照强度对植物的影响

 

 

生长发育∶营养生长要有弱光,生殖生长要有强光。

 

 

产量∶光饱和点要高,光补偿点要低,才能增产。

 

 

品质∶强光有利于淀粉、蛋白质的形成,弱光不利糖分的形成。

 

 

形态∶空旷地的稀疏树木树干粗矮、树冠较大;密林中树干细长,树冠狭窄

 

 

(三)光照时间与植物的发育

 

 

(1)植物的光周期现象∶光周期现象是植物生长发育对昼夜长短的不同反应。

 

 

根据光照的长短与开花的关系,植物可分为∶长日照植物、短日照植物、中性植物三类。

 

 

北半球生长季节里,南方光照时间短于北方,故南方多为短日照植物,而北方多为长日照植物。

 

 

长日照植物∶光照时间大于某一时数才可开花,一般原产中高纬(温带)地区,多为耐寒植物,如落叶松、小麦、大麦、燕麦、甜菜、菠菜等。

 

 

短日照植物∶光照时间小于某一时数才可开花,一般原产热带或亚热带地区,多为喜温植物,如茶树、晚稻、大豆、棉花等。

 

 

中性植物∶对日照长短并不敏感,只要生长正常,就不影响开花。如早稻、西红柿、黄瓜等。

 

 

(2)光周期现象对植物的影响∶

 

 

对营养生长∶影响光合作用的时间,从而影响到植物的营养生长。

 

 

对生殖生长∶对植物开花有诱导效应,从而影响植物的生长发育及产量。

 

 

对分布地域∶植物只能定居在完成生命过程最有效的地理范围内(有些品种经过异地长期驯化,会在一定程度上失去对光长的敏感性)。

 

 

(3)光周期学说在农林业生产中的应用

 

 

① 植物引种∶避免引种的盲目性

 

 

纬度和海拔相近地区间引种较易成功,同一地区的平原与高原间引种,其延长或缩短生育期的日数,决定于高度差引起的温度变化。

 

 

② 调控生育期∶采用人工光照处理调节花期等。

 

 

园艺工作中通常利用改变光周期现象人为控制开花时间,以满足观赏需要。

 

 

五、太阳总辐射最适宜值范围参照表

 

 

光合有效辐射(PAR)

 

 

部分植物的光补偿点与光饱和点的大致数值如下:

 

 

北京地区冬季晴天正午温室内外光照强度条件与植物对光照强度要求的比较

 

 

六、耕作指导

 

 

(一)光能利用率

 

 

(1)定义:光能利用率是指太阳光中的能量被植物光合作用转化成化学能而储藏于光合产物中的部分与生长季节内到达水平面的太阳辐射总量的百分数。

 

 

二)光能利用率的计算方法

 

 

按单位面积上作物产量所贮存的能量与该面积在作物生长季节中所吸收到的太阳辐射总能量的百分比。

 

 

上式中,1.67X107焦耳/公斤为每公斤干物质燃烧所产生的热量,生长季节是指生产上述物质所需的时间长度。

 

 

m为单位面积上作物产量的干重;h为单位干物重燃烧所产生的热量;(S+D)是到达单位面积上的太阳总辐射的日总量。∑(S+D)是生长季内各日太阳总辐射日总量的总和。

 

 

一般将全田的根、茎杆、叶、果实全部干重叫做生物学产量。经济价值部分,如稻、麦的籽粒,甘薯的块根等,称经济学产量。

 

 

太阳辐射能的计算:

 

 

① 太阳辐射总量是太阳日总辐射量的逐日累积值。

 

 

② 生理辐射是太阳日总辐射量中的生理辐射部分的逐日积累值,生理辐射约为太阳总辐射的50%。

 

 

例如:亩产500公斤稻谷,收获生物学产量约为1000公斤,经济产量约为500公斤。在水稻的生长季节,每亩面积上接受太阳辐射能约为1.67X1012焦耳。则太阳辐射能利用率为:

 

 

生物学产量计算:

 

 

经济学产量计算:

 

 

目前,农作物对太阳辐射能的利用率较低,仅占太阳总辐射的0.5%左右,某些作物稍高些,但也只有5%,根据国外的研究资料,作物对太阳辐射能的利用可超过12%。因此,在我国提高农作物光能利用率,增加单位面积产量,潜力是很大的。

 

 

(三)提高太阳能利用率的途径

 

 

(1)改进耕作制度及种植方式,在热量条件许可的地区,一年中尽可能长的时间在耕地上生长作物,减少土地空闲时间。

 

 

(2)选育高光效品种,培育光呼吸作用弱、耐肥、抗倒伏的优良品种。

 

 

(3)合理密植,构成最有利的叶面积系数,以利于通风透光及保证充足的二氧化碳供应

 

 

4)改造自然(如兴修水利、温室、塑料棚、地膜等)使光、热、水资源配合最佳。

 

 

5)及时预测和防治病虫害及其他自然灾害。

 

 

6)果林方面,可采用林粮间作,抚育间伐,合理修剪,小株密植等措施。

 

 

(7)提高叶绿素的光合效能。利用人造光源补充田间光照,可提高光合效能,还可以通过调节播种时间,改变光照时段,也能影响作物的开花和结实时间,有效地增加产量。

 

 

七、耕作改善

 

 

(一)人工调节光质

 

 

红色膜:在红色膜下培育的水稻秧苗生产旺盛;甜菜含糖量高;胡萝卜直根长得更大;韭菜叶宽而肉厚,收获期提前,产量增加。

 

 

蓝色膜:主要适用于水稻育秧,有利于培育矮壮秧苗,还可用于蔬菜、棉花、花生、草莓、菜豆、茄子、甜椒、番茄、瓜类等蔬菜和其他经济作物,可较好地起到防除杂草的作用。

 

 

紫色膜:该膜主要适用于冬春季温室或塑料大棚的茄果类和绿叶类蔬菜栽培,可增进品质,提高产量。

 

 

黄色膜:据试验,用黄色膜覆盖芹菜和莴苣,植物生长高大,豆类生长壮实;覆盖黄瓜,可促进现蕾开花,增加产量1~1.5倍;覆盖茶树,茶叶品质上乘,产量提高。

 

 

黑色膜:杂草严重的地块或高温季节栽培夏萝卜、白菜、菠菜、秋黄瓜、晚番茄,选用黑色膜较好。

 

 

银色反光膜:主要用于温室蔬菜栽培,可悬挂在温室内栽培畦北侧,改善温室内的光照条件。

 

 

银灰色膜:主要适用于夏秋蔬菜、瓜类、棉花和烤烟栽培,有良好的防病、防蚜虫和白粉虱及改良品质的作用。

 

 

(二)光照调控

 

 

(1)光量调控——遮光,降低光照的强度;补光,提高光照的强度。

 

 

(2)光周期调控——遮光,延长暗期;补光,延长明期;改变明期、暗期交替的规律。

 

 

(3)光质调控——采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源补光采用满足要求的具有特定光谱透过率的覆盖材料。

 

 

(三)遮光

 

 

(1)光合遮光调控,降低温度,缩短光照时间和缩短光强度

 

 

夏季强光、高温会使某些植物光合强度降低,某些阴性植物或幼苗甚至产生叶片灼伤现象,需要进行光合遮光,以削减光强,减少太阳热负荷。遮光材料应具有一定的透光率、较高的反射率和较低的吸收率。

 

 

光合遮光主要目的是削减部分光热辐射,温室内仍需具有保证植物正常光合作用的光强,遮阳幕无需严密搭接,遮阳率40%~70%。

 

 

常用遮阳幕材料:竹帘、白色聚乙烯纱网、黑色遮阳网、屋面涂白等(室外)无纺布、缀铝膜(室内)等。

 

 

(2)光周期遮光调节

 

 

光周期遮光的目的是延长暗期,保证短日照作物对连续暗期的要求。常用的材料有黑布与黑色塑料两种,在温室顶面及四周铺设、严密搭接。使室内光照降到临界光周期照度以下,一般不高于22lx。遮光的时间一般应使连续暗期大于14h,通常从黑夜向傍晚和清晨两头延长。

 

 

(四)补光

 

 

抑制或促进花芽的分化,调节花期;补充自然光源的不足。

 

 

照度:人工光周期补光是作为调节作物生长发育的信息提供的,需用的照度较低,一般大于22lx,最好是50lx左右。

 

 

光谱:660~665nm,可用富含红光的白炽灯。

 

 

补光方式:(一般长日照作物要求连续暗期短于7h)

 

 

整夜连续补光;早晚延长补光;夜间间断补光;

 

 

(如北京地区冬季,光照时间为9h,黑夜为15h。为了节省电能,可用50lx光照在午夜补光4h,连续暗期变为两段5.5h,可节电50%。若用110lx照度,每30min补光6min,或用220lx照度每1min中补光3s,均可收到同样的光周期补光效果,但可节电60%~80%。)

 

 

(五)光源选取

 

 

热辐射光源?:白炽灯、卤钨灯钨丝中通过电流产生高温(2400~3000℃)发光。

 

 

气体放电光源:荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯。

 

 

物质原子受电子激发产生光辐射。

 

 

① 白炽灯

 

 

结构简单、价格便宜,光照强度易于调节;辐射光谱主要在红外范围,可见光比例很小,发光效率低,且红光偏多,蓝光偏少;寿命短(1000小时)。

 

 

不宜用作光合补光的光源,但可作光周期补光的光源。

 

 

② 荧光灯

 

 

低压气体放电灯,玻璃管内充有水银蒸气和惰性气体,管内壁涂有荧光粉,光色随管内所涂荧光材料而异。

 

 

目前在园艺设施补光中使用较多,尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室等设施内的人工光照,但不适用于以自然采光为主的园艺设施。

 

 

③ 金属卤化物灯

 

 

在高压水银灯的基础上,在放电管内添加各种金属卤化物(溴化锡、碘化钠、碘化铊等),依靠激发不同元素产生不同波长的辐射,改善光色和发光效率。

 

 

在对光质与效率均有较高要求的设施中(例如科研温室)使用。

 

 

④ 高压钠灯

 

 

结构与金属卤化物灯类似,在放电管内充高压钠蒸气,并添加少量氙和汞等金属的卤化物帮助起辉。目前在生产性园艺设施的补光中使用最多。

 

 

⑤ 发光二极管(LED)

 

 

单色性,波谱域宽仅±20nm左右;避免中、长波部分的红外辐射(对光合作用无效)的能量浪费;可组合不同单色(如红色+蓝色)的LED满足植物光合作用对光谱的需要;发热少,可实现近距离补光(提高光利用效率)。单体尺寸小,便于组合和使设备小型化;使用寿命长(5万小时以上);发光效率低,仅为荧光灯的50%~70%;价格高,尤其是蓝色LED目前价格昂贵。

 

 

几种常用人工光源的发光效率及光照强度换算

 

 

注∶ ① 发光二极管光效率高于白炽灯、低于荧光灯;② 微波放电灯效率最高



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