光合效率與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

光合效率與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)植物的干物質(zhì)有90%?95%來自光合作用。因此在作物生產(chǎn)中，如何充分利用日光能進行光合作用就顯得特別重要。一、光能利用率據(jù)氣象學(xué)研究，到達地球外層的太陽輻射平均能量為1.353kJ?m-2.s-i。但由于大氣中水汽、灰塵、CO、0等吸收，到達23地面的輻射能，即使在夏日晴天中午也不會超過lkj?m-2?s-i，并且只有其中的可見光部分的400?700nm能被植物用于光合作用。對光合作用有效的可見光稱為光合有效輻射（photosyntheticallyactiveradiation，PAR）。如果把到達葉面的日光全輻射能定為100%，那么，經(jīng)過如表4-7所示的若干難免的損失之后，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橘A存在碳水化合物中的光能最多只有5%。通常把植物光合作用所積累的有機物中所含的化學(xué)能占光能投入量的百分比作為光能利用率（efficiencyforsolarenergyutilization）。在所有的傳輸能量中僅有5%的能量轉(zhuǎn)化為碳水化合物。試計算年產(chǎn)糧食為每公頃15t（年畝產(chǎn)為噸糧）的光能利用率。已知年太陽輻射能為5.0X10iokJ?hm-l（按長江中下游地區(qū)年總輻射為5.0X106kJ?m-2計算），假定谷草比為1：1（即經(jīng)濟系數(shù)為0.5），那么每公頃年產(chǎn)生物產(chǎn)量為30t（3X107g，忽略含水率），光能利用率為：Eu（%）=3X107gX17.2kJ?gT/5.0X10i0kJX100~1.03%如要測定某一時刻單葉的光能利用率，也可根據(jù)當(dāng)時投射在葉片的輻射量及葉片光合速率來計算，已知每同化lumol。。貯能0.47J。2Eu(%)=光合速率(umol.CO?m-2?s-i)X0.47J?umolT/葉片接受2的輻射能(J?m-2?s-i)X100(4-44)如果按前述例子，光能利用率為1.03%估算，在長江中下游地區(qū)，當(dāng)光能利用率達到了4%時，每公頃土地上年產(chǎn)糧食可達581(畝產(chǎn)3.91)，這是十分誘人的產(chǎn)量。然而，目前高產(chǎn)田的年光能利用率在1%?2%之間，而一般低產(chǎn)田塊的年光能利用率只有0.5%左右。實際的光能利用率為何比理論光能利用低呢?主要原因有二個：一是漏光損失，作物生長初期植株小，葉面積不足，日光的大部分直射于地面而損失。有人估算水稻與小麥等作物漏光損失的光能可在50%以上，如果前茬作物收割后不馬上種后茬，土地空閑時間延長，則漏光損失就會更大。二是環(huán)境條件不適，作物在生長期間，經(jīng)常會遇到不適于作物生長與進行光合的逆境，如干旱、水澇、低溫、高溫、陰雨、強光、缺.CO、缺肥、鹽漬、病蟲草害等。在逆境條件下，作物的光2合生產(chǎn)率要比順境下低得多，這會使光能利用率大為降低。二、提高作物產(chǎn)量的途徑作物的產(chǎn)量主要靠光合作用轉(zhuǎn)化光能得來的。作物的光合產(chǎn)量(pho1osynlhelicyield)可用下式表示：光合產(chǎn)量=凈同化率X光合面積X光照時間(4-45)如能提高凈同化率，增加光合面積，延長光照時間，就能提高作物產(chǎn)量。（一）提高凈同化率凈同化率（netassimilationrate,NAR）是指一晝夜中在lm2葉面積上所積累的干物質(zhì)量，它實際上是單位葉面積上白天的凈光合生產(chǎn)量與夜間呼吸消耗量的差值。夜間作物的呼吸消耗在自然情況下難以改變，要提高凈同化率就得提高白天的光合速率。前面我們已講述過光合速率受作物本身的光合特性與外界光、溫、水、氣、肥等因素影響，那么，控制這些內(nèi)外因素也就能提高凈同化率。例如，種植C4植物以及葉色深、葉片厚而挺的品種，其凈同化率要高于C植物以及3葉色淡、葉片薄而披的品種。人工光源成本大，在大田中不能采用，但如在地面上鋪設(shè)反光薄膜則可增加作物行間或樹冠內(nèi)的光強。夏秋季強光對花木、蔬菜有光抑制，如采用遮陽網(wǎng)或防蟲網(wǎng)遮光，就能避免強光傷害。早春，采用塑料小棚育苗或大棚栽培蔬菜，能有效提高溫度,促進棚內(nèi)作物的光合作用與生長。澆水、施肥（含葉面噴施）是作物栽培中最常用的措施，其主要目的是促進光合面積的迅速擴展，提高光合機構(gòu)的活性。大田作物間的.co濃度雖然目前還難以人為2控制（主要靠自然通風(fēng)來提供），然而，通過增施有機肥，實行秸稈還田，促進微生物分解有機物釋放.CO以及深施碳酸氫銨（含有50%.2CO）等措施，也能提高冠層內(nèi)的.CO濃度。在大棚和玻璃溫室內(nèi)，22可通過.CO發(fā)生器（燃燒石油），或石灰石加廢酸的化學(xué)反應(yīng)，或直2接施放.CO氣體進行.CO施肥，促進光合作用，抑制光呼吸。22以上的措施因能提高凈同化率，因而均有可能提高作物產(chǎn)量。（二）增加光合面積光合面積，即植物的綠色面積，主要是葉面積，它是對產(chǎn)量影響最大，同時又是最容易控制的一個因子。通過合理密植或改變株型等措施，可增大光合面積。合理密植所謂合理密植，就是使作物群體得到合理發(fā)展，使之有最適的光合面積，最高的光能利用率，并獲得最高收獲量的種植密度。種植過稀，雖然個體發(fā)育好，但群體葉面積不足，光能利用率低。種植過密，一方面下層葉子受到光照少，處在光補償點以下，成為消費器官；另一方面，通風(fēng)不良，造成冠層內(nèi).CO2濃度過低而影響光合速率；此外，密度過大，還易造成病害與倒伏，使產(chǎn)量大減。表示密植程度的指標(biāo)有多種，例如有播種量、基本苗、總莖蘗數(shù)、葉面積系數(shù)等，其中較為科學(xué)的是葉面積系數(shù)。葉面積系數(shù)（leafareaindex，LAI）是指作物的總?cè)~面積和土地面積的比值。如LAI為3，就是說lm2土地上的葉面積為3m2。在一定范圍內(nèi)，作物L(fēng)AI越大，光合積累量就越多，產(chǎn)量便越高。但LAI太大造成田間郁閉，群體呼吸消耗加大，反而使干物質(zhì)積累量減少（圖4-36）。能使干物質(zhì)積累量或產(chǎn)量達最大的LAI稱為最適LAI。多數(shù)資料表明，水稻在LAI為7,小麥為5，玉米為6左右時，通常能獲得較高的產(chǎn)量。改變株型近年來國內(nèi)外培育出的水稻、小麥、玉米等高產(chǎn)新品種，差不多都是稈矮、葉挺而厚的。種植此類品種可增加密植程度，提高葉面積系數(shù)，并耐肥抗倒，因而能提高光能利用率。延長光合時間提高復(fù)種指數(shù)復(fù)種指數(shù)(multiplecropindex)就是全年內(nèi)農(nóng)作物的收獲面積對耕地面積之比。提高復(fù)種指數(shù)就相當(dāng)于增加收獲面積，延長單位土地面積上作物的光合時間。從播種、出苗至幼苗期，全田的葉面積系數(shù)很低，造成光能很大的浪費。通過輪種、間種和套種等提高復(fù)種指數(shù)的措施，就能在一年內(nèi)巧妙地搭配作物，從時間和空間上更好地利用光能。如在前茬作物旺盛生長時，即在行間播種或栽植后茬作物，這樣當(dāng)前茬作物收獲時，后茬作物已長大。如麥套棉、豆套薯、糧菜果蔬間混套種等有不少成功的經(jīng)驗。延長生育期在不影響耕作制度的前提下，適當(dāng)延長生育期能提高