1、第一章 作物生产与环境,1 学时,内容提要一、作物生长环境与生态因子；二、生态因子对作物的作用；三、环境与作物生产力；四、提高作物产量的途径。,第一章 作物生产与环境,一、作物生长环境与生态因子,作物的生长发育、形态表现和产量形成，从根本上讲，是基因表达的结果，而基因的表达在时间和空间上受到环境的影响。 （一）环境广义而言，环境是指某一主体周围一切事物的总和。对作物而言，环境是指某作物体或作物群体以外的空间，以及直接、间接影响该作物体或群体生活、生存的一切事物的总和。,图1-2 影响植物生长发育的各种环境因子 环境因子及其强度都能分别被植物感受并引发体内相应的变化。,一、作物生长环境与生态因子
2、,（二）作物的环境：作物外部的全部要素组成的整体。 由太阳辐射、大气、水体、土壤、生物等所组成的作物自然空间环境； 除自然环境外，还包括人工环境，如各种温室、覆盖物、人工气候室、辅助光源及灌溉设施等。人工环境可克服自然环境的不利影响，创造出更适于作物生活、发挥作物产量潜力的条件。,一、作物生长环境与生态因子,（三）作物环境因素 气候因子：光、温、水、气、热、风，气候四季变化等； 土壤因子：质地、结构、矿质元素、化学性质等； 地理因子：海拔、纬度、坡向等； 生物因子：动物、植物、微生物等有害和有益因素； 人为因子：农业生产的人为干预措施。人为因子除影响作物本身外，还影响其他环境因素。,一、作物生
3、长环境与生态因子,（三）作物环境因素根据对作物的作用特点分为： 生态因子：环境中对作物的生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素。各生态因子间的相互组合、相互制约及时空分布的不同，可构成多种多样的作物生存环境。 生存因子：生态因子中对作物生存所不可缺少的因子，如光、温、水、气、热、肥等。对作物起作用的生态因子并非都是生存因子。,二、生态因子与作物的生活,（一）生态因子对作物的基本作用 1.提供作物生活所必需的能量与物质来源； 2.环境及其周期性变化，提供作物完成生长发育进程的信息和条件； 3.环境胁迫危及作物正常生活乃至死亡； 4.环境的多种因素可能引起作物的遗传变异改变其遗传本
4、性。,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子对作物的作用规律 1.限制因子定律 德国Liebig（1862）提出，当缺少或缺乏一种必需营养成分时，即使其他所有成分都充分存在，在这种土壤中的作物仍生长不好。又称为“木桶理论”。 作物的生活、生存必须同时满足其对多种生态因子的需求，当某种生态因子不足或过量时，不仅直接影响作物的生存发展，而且也限制其他因子的有效性。,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子的作用规律 Blackman（1905）指出，当一个过程的进行速度以若干因子为条件时，这一过程的速度受这些因子中的最慢因子的节律所限制。 2.耐性定律 作物对任一生态因子的适应，均存在生态、生理
5、上的最小和最大量的界限，超越此界限则会危及生存。如“温度三基点”、“协调生长最适温度”。,图1-2 生物对生态因子的耐受曲线 （Putman等，1984）,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子的作用规律 3.报酬递减律 Mitscherlich（1909）：当生长在仅以一种养分为限制因子的土壤中，作物的生长速率与这种元素的供应量成正比，但这种元素成为非限制因子时，生长量不与供应量成正比。,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子的作用规律 4.临界百分率理论 Macy（1936）：以产量和植株养分含量来表达养分供应与植株反应之间的关系。在最低养分百分率范围内，增加养分可提高产量，但不提高组
6、织养分百分率；在养分贫乏调节范围内，增加养分可提高产量和组织养分百分率；在养分奢侈消耗范围内，增加养分不提高产量，但增加组织养分百分率。,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子的作用规律 上述理论虽可解释某些因素影响作物生长的情况，但由于作物的生长过程是复杂的，而且不同因素间存在相互影响，或相互替代的作用关系，多数情况下还同时存在多个因素的影响，因此不能反映多个因素对作物影响的普遍规律。,二、生态因子与作物的生活,（二）生态因子的作用规律 5.生态因子综合作用定律 诸因子的综合效应：作物最终表现是多种因素综合作用的结果。 相互促进或制约的交互作用：如作物吸水和吸肥的关系。 作用的主次性：如种
7、子的萌发过程。 作用的阶段性：如水稻的光周期反应。 直接和间接作用：如水对作物的作用。 不可代替性和补偿作用：如CO2和光照。,图1-3 在光照、土壤湿度和肥料同时影响下春黑麦的产量变化（Wollny试验）,三、环境与作物生产力,作物的实际产量是由其遗传潜力与所处环境条件的相互作用所决定的，即作物的生产潜力（遗传潜力），只有在保持最适环境条件下，才能充分表达。 然而，在作物生长发育和产量形成过程中，其综合环境因素并非始终处于最适状态，其潜在生产力受到不良环境的极大制约，产量损失可达60-70%。,三、环境与作物生产力,1.潜在产量（Potential yield）：在最适环境条件下作物生产的产
8、量，或在不受技术限制的情况下作物可能达到的产量。 “不受技术限制”：包括可以获得的最优良品种、最佳栽培环境、管理方式和最佳劳动力因素等。潜在产量可用数学模型估算，但常用纪录产量（最高观测产量）作为标准。,作物产量潜力模型估算光合生产潜力：在外界环境条件和作物群体结构、长势及农业技术措施都适宜的情况下，仅由作物光合效率决定的可能最高产量。 光温生产潜力：在一定的光、温条件下，其他环境因素（水分、CO2、养分等）和作物群体因素处于最适宜状态，作物利用当地的光、温资源的潜在生产力。 气候生产潜力：充分和合理利用当地的光、热、水气候资源，而其他条件（如土壤、养分、CO2）处于最适宜状况时单位面积土地上
9、可能获得的最高生物学产量或经济产量。,光合生产潜力（Radiation production potential, RPP）(侯光良等, 1989）,RPP = 3.7510-5QLa/LmHIRPP: 作物光能生产潜力(kghm-2) La/Lm：相对叶面积系数(Lm为最大叶面积指数、La平均叶面积指数） HI：经济系数 Q：作物生育期内单位面积上所投入的总太阳辐射量（Jm-2）。 Q = Q0(0.105+0.708s1)(翁笃鸣, 1964)。Q0为天文辐射(大气上界辐射)，可查表获得;s1:同期日照百分率。,光温生产潜力（Thermal production potential, TP
10、P，kghm-2）,TPPRPPf(t)RPP: 作物光能生产潜力(kghm-2) f(t): 温度（平均气温T）修正函数（以温度适宜函数值计算）（T-TL）/（Tm2-TL） TL T Tm11 Tm1TTm2（TH-T）/（TH-Tm2） Tm2TTH0 TTL or TTHT：实测气温;TL：作物生长的最低温度; TH：作物生长的最高温度Tm1：最适下限温度; Tm2：最适上限温度,f(t)=,气候生产潜力（Climate production potential, CPP，kghm-2）,CPPTPP0.8R/ETpTPP：作物光温生产潜力(kghm-2)R：有效降水量； ETp：潜在
11、蒸散量。,三、环境与作物生产力,2.可获得产量（Attainable yield）：合理运用当地现有条件达到的产量，即在一般生产条件下，通过改善水、肥等耕作条件而获得的产量。可用当地作物高产栽培试验产量为标准。 3.实际产量（Actual yield）：在现有自然、生产条件和平均技术水平下获得的产量，或者指由于逆境条件的存在和一般栽培技术水平而得到的实际产量。可以一个地区的平均产量为标准。,三、环境与作物生产力,逆境条件造成作物产量（潜在产量）的损失可达70%；其中，干旱造成作物产量的损失，可达非生物逆境损失总量的50%以上。生物逆境：如病虫害、杂草、鼠害等生物因素；非生物逆境：如高温、冷害、
12、干旱、水涝、冰暴和环境污染等。,图1-4 不同生产水平下作物潜在产量、可获得产量、实际产量与影响因子的关系,Boyer（1982）：美国主要农作物潜在产量和实际产量二者差距大3-7倍之多，说明提高作物的产量有着巨大的潜力。,图 1950-2011年中国历年粮食总产量（年均3.346亿吨）,图 1950-2008年中国历年人均粮食产量（年均324.8kg）,朱晓华，杨秀春.农业系统科学与综合研究， 2001，17（3）：196-198,表 我国作物生产,马九杰等.农业经济问题，2005，（4）：14-17,马九杰等.农业经济问题，2005，（4）：14-17,表 我国三省区（陕西、四川、宁夏）三
13、种粮食作物受灾情况调查 （2003）,陈印军.中国农业信息，2004，（2）：8-12,陈印军.中国农业信息，2004，（2）：8-12,四、提高作物产量的有效途径,1.新品种选育培育产量生产潜力大和对逆境适应性强、资源利用效率高的作物品种。2.改善栽培条件改善作物生长环境，使其充分发挥最大生产潜力，其中关键是解决作物生态系统的环境胁迫。,本章思考题,1.什么是作物生长的生态因子、生存因子和环境？ 2.生态因子对作物的基本作用及作用规律是什么？ 3.为何作物的实际产量远低于潜在产量？,本章主要参考资料,1.生态学概论，曹凑贵主编，2002高等教育出版社，45-61。 2.植物生态生理学，Lacher W著（翟志席等译），1997北京农业大学出版社。 3. Boyer JS. Plant productivity and environment. Science, 1982, 218: 443,
