自然地理系统的生产功能.ppt

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1、,一、植物初级生产力的概念1、植物初级生产力的基本概念（1）植物的初级生产：绿色植物经光合作用制造有机物质的过程，称为植物的初级生产。（2）植物初级生产力：绿色植物在单位时间、单位面积上生产的有机干物质，叫做植物的初级生产力或第一性生产力，简记为“PP”，其单位用t/hm2a或g/m2a表示。,第九章 自然地理系统的生产功能,第一节 植物的初级生产力,2、植物的初级生产力的种类,总初级生产力（gross pp）：在一定时间内植物的光合作用合成的总生产量，记为“GPP”。净初级生产力（net pp）：总初级生产力与植物自养呼吸消耗量（RA）的差值，记为“NPP”。NPP=GPPRA。净生态系统生

2、产力：植物净初级生产力与生物异养呼吸损耗量（RH）的差值，记为“NEP”。其值NEP=NPPRH。,二、全球植物初级生产力估计,维特克和李肯1975年发表的估算结果：全球植物年净初级生产总量为1.7251011t。其中海洋植物初级生产力占全球的32%。陆地生态系统的初级生产力占6569%。全球NPP的最低值出现在荒漠、沙漠和冰原区，最高值出现在热带雨林，NPP可达 3 kg/m2a。,三、植物净初级生产力估算的数学模型,植物净初级生产力估算的数学模型可分为两类：利用统计回归分析方法建立的经验模型和半理论半经验的数学模型。（一）统计回归分析的经验模型 国际上比较著名的经验回归分析模型有二个，即迈

3、阿密模型（Miami model）和蒙特利尔模型（Montreal model）。,1迈阿密模型,该经验模型是在19651974年间，德国学者莱斯于1972年根据世界50多个地点可靠的自然植被净初级生产力的实测资料，与当地多年平均气温(T)和多年平均降水量（r）资料进行回归分析的结果。,图 迈阿密模型回归曲线,莱斯认为NPP 与气候因子中的年均气温和年均降水量之间有较好的相关性，并建立了第一个全球植物NPP 经验模型，即迈阿密模型：NPP=30（1e-0.000664r）NPP=30/1+e(1.3150.119T)迈阿密模型估算的全球NPP为1.01011t/a，据认为其可靠性仅为6675%

4、。,1迈阿密模型,2蒙特利尔模型,继迈阿密模型之后，为了提高估算精度，莱斯又于1975年将上述各地实测的NPP资料，与按桑斯维特的蒸发散量模型算得的相同地点的蒸散量（Z）（植物蒸腾量与土壤表面蒸发量之和）之间，建立相关关系。,图 蒙特利尔模型回归曲线,2蒙特利尔模型,式中：Z年均蒸发散量（mm）。该模型中的蒸发散量受太阳辐射、温度、降水、水气饱和差、气压和风速等气候因素影响，其气候指标代表性强，因而用其估算植物的NPP值比较合理。蒙特利尔模型估算全球植物净初级生产力为1.7671011 t/a，结果可靠性较高。,由图 2 可见 Ln NPPLn Z相关性很明显。其回归模型如下：,（二）基于植物

5、生理生态学特点与水热 平衡关系的模型,1、筑后模型 1985年内岛等建立了以地表净辐射和布迪科辐射干燥指数为指标的估算植物NPP的筑后模型：,式中：RDI=Rn/Lr，为辐射干燥指数；Rn=(1P)StF，式中：P为植被地区的日照反射率，01.0；St为年全天日辐射量（kcal/cm2a）；F为长波有效辐射（kcal/cm2a）。,1、筑后模型,该模型是植物生理生态学和统计相关分析相结合的一种半理论半经验的模型，是估算植物NPP的较好模型。但该模型是以土壤水分供应充分、植物生长茂密状况下的蒸发散量来计算植物NPP值的，对于世界广大地区而言，并不能完全满足以上条件，因而该模型还带有一定的局限性。

6、,2我国的一种估算模型,我国植物生态学家们从20世纪80年代末期以来，也在这方面进行着积极探索。下述周广胜、张新时提出的自然植被净第一性生产力模型即是一例。该模型是在考虑植物生理生态学特点及与水量平衡、热量平衡联系的基础上建立的，其NPP估算公式为：,式中：r为年降水量（mm）；Rn为地表净辐射量（单位已转化为mm）；RDI为布迪科辐射干燥指Rn/Lr。,2我国的一种估算模型,该模型表明，植物的NPP实际由两部分组成，即NPP等于蒸腾量ET与植物水分利用率的乘积。可见，某一地区自然植被的净初级生产力NPP取决于地表植被的蒸腾量和水分利用率，而实质上是取决于地区地表净辐射量和降水量。对于干旱地区

7、，该模型改善了筑后模型的不足，比筑后模型更好地反映自然植被的净初级生产力。例如，叙利亚亚热带荒漠的地衣莓系蒿类植被类型的RDI=7.70，其NPP实测值为700kg/hm2a。利用筑后模型求得的NPP几乎为0，而用以上模型计算的NPP=550kg/hm2a，已相当接近实测值。,第九章 自然地理系统的生产功能,第一节 植物的初级生产力 一、植物初级生产力的概念 二、全球植物初级生产力估算 三、植物净初级生产力估算的数学模型第二节 农业生产潜力 一、农业生产潜力的概念及意义 二、农业生产潜力的估算,1农业生产潜力的概念 农业生产潜力:一定时期内、一定土地面积上，农作物摄取太阳能和二氧化碳进行光合作

8、用制造有机物质，最终形成的经济产量。2农业生产潜力与自然植被NPP的区别 首先，农作物是经过人类改良后的植物，而不同于其它的自然植被；,一、农业生产潜力的概念及意义,2农业生产潜力与自然植被NPP的区别 其次，自然植被的净初级生产力是在自然环境条件下形成的实在的净生产能力，而农业生产潜力则是指在理想的环境条件下农作物最大可能的净初级生产力，是一种潜在的净初级生产力，对它的估算应有一个合理的最大限度的光合作用利用率作为前提。,一、农业生产潜力的概念及意义,3、农业生产潜力的意义,重视农业生产潜力的研究，是国际、国内发展形势的需要，也是因为它作为自然地理学研究为农业服务的重点之一，是农业自然地理学

9、的重要研究内容。农业生产潜力作为一种自然生产力存在着地域差异的特点，为自然区划和农业区划提供重要依据。农业生产潜力研究还与农业生态系统研究密切相关：研究农业生产潜力可为评价农业生态系统的质量、制定最优化的农业生产目标提供科学依据。,4、农业生产潜力的研究方法,（1）定位实验研究 采用直接观测、各种仪器、以及实验室实验模拟等方法和手段，对作物各个生育期生态的变化以及各种影响因素情况进行尽可能详细的观察研究。其观测项目有：辐射平衡、热量平衡、水分平衡、植物光合作用呼吸作用观测、养分平衡观测、土壤养分及理化性质分析、土壤动物、微生物研究等，还应系统记录天气现象与农业措施等。（2）对面上进行调查研究

10、研究区域较大时，进行重点地区的调查和考察。调查内容包括农业生产自然条件、农业生产力、提高农业生产的途径和当地的经验。,4、农业生产潜力的研究方法,（3）计算统计与分析 在掌握大量资料的基础上，根据对资料的分析、统计研究和一定的科学研究，构建科学的数学模型。具体计算模型有多种，例如瓦格宁根模型、联合国粮农组织的农业生态区域模型（AEZ模型）和黄秉维的阶乘模型。,二、农业生产潜力的估算,20世纪70年代，我国地理学家黄秉维提出了一种估算农业生产潜力的阶乘模型，该模型将一列制约作物生产的因素加以参数化，用这些参数对区域的太阳辐射值进行修订，通过依次计算光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土地生

11、产潜力得出农业生产潜力。,二、农业生产潜力的估算,（一）、光合（生产）潜力 光合生产潜力：假设作物具有理想的群体结构，在其生长发育过程中，热量、水分、CO2、养分等外界环境条件及农业技术措施等都处于最佳状态，在作物光合器官上最大效率摄取太阳光能的条件下，根据光合理论测算的作物群体的最高产量，称为光合生产潜力，亦称作物产量的理论上限。其估算模型为P0=0.22Q（kg/hm2a）式中：P0（kg/hm2a）为光合潜力；Q（J/cm2a）为太阳总辐射能；0.22为光合潜力系数。,（1）太阳辐射能直接为植物光合器官所吸收进行光合作用的部分仅为0.31Q。可见光约占太阳总辐射的50%；而其中可有72%

12、照射于植物的光合器官上；此后又有14%被叶面反射。因此，实际用于植物光全器官进行光合作用的可见光，只有太阳总辐射能的0.50.720.86=0.31倍。注：光合有效辐射在总辐射中的比例，随太阳高度角不同而异，直射光与散光的比值也不同，今取其中值。落在土面上的阳光，在作物生长盛期约只有5%左右，但生长前期植株的覆盖率低，生长后期植被衰老，算入穗部对阳光的遮挡，总的即可按20%扣除。另外，落在植物非光合器官上的阳光按10%扣除。故共按0.80.9=0.72折算。反射光一项也包括了一部分透射光。,P0的计算依据,（2）计算可见光光量子合成碳水化合物的数量：在上述0.31Q的可见光中，每焦尔的光量子数

13、为4.5 mol，其总数为4.50.31Q=1.395Q mol光量子；每合成1 mol碳水化合物需要12 mol光量子；因此，植物光合器官所吸收的可见光所生成的碳水化合物为1.395Q12=0.116Qmol/cm2a。注：可见光平均每焦尔的光量子数与总辐射的光量子数要区别，其数量约差一倍。光合作用的光量子需要数，其测定值差异较大，约为416，今取多数人的测定值12，只能相对准确。,P0的计算依据,P0的计算依据,（3）光合作用生成的碳水化合物中，有50%消耗于呼吸作用，即重新转化成二氧化碳。因此，农作物最后净生成的碳水化合物量应为0.116Q0.5=0.058Q mol/cm2a。注：呼吸

14、作用氧化碳水化物成CO2的部分随作物而异，今取较大的数值。（4）将上述以mol/cm2a为单位的碳水化合物折算成以kg/hm2a 为单位的产量：按1mol碳水化合物等于310-8kg，则每公顷年的产量为0.058Q310-8108=0.174Q kg/hm2a。,P0的计算依据,（5）上述植物质中（包括根、茎、叶、籽粒、果实）尚约含有10%的无机养分，以及约含15%的水分，今分别以1.10和1.15的系数计入光合生产潜力。最后P0=0.174Q 1.1 1.15=0.22Q kg/hm2a。注：用一个系数乘太阳总辐射以计算光合潜力，实际上认为高光合效能的作物群体在自然界中没有光饱和问题；高光效

15、作物群体将阳光转变为植物质的效率与光强成线性关系，这一点与传统概念不同。但考虑到近年来有这方面的实验数据，即使传统概念仍有效，因光不强和特别高的天数在我国农业区并不多，所以误差不致太大。,例题：光合生产潜力估算,例：某平原地区的太阳辐射总量年平均值680 kJ/cm2，平均无霜期210天；年平均降水量为1450mm，径流量为350mm，蒸发力E0为1230mm，作物产量对缺水的反应系数为0.8；土壤质地为砂壤土，有机质含量2.3%，速效氮、有效磷、钾的含量分别为75 ppm、18 ppm和78 ppm，土壤pH值为8.0，土壤侵蚀等级为轻蚀，土壤全盐的含量为0.3%。试估算该平原地区的光合生产

16、潜力。P0=0.22Q=0.22 680 103=1.496105 kg/hm2a,（二）光温生产潜力与气候生产潜力,1光温（生产）潜力 作物对温度有敏感的反应，因此需要对光合生产潜力P0作温度因素的调整。经温度调整后的作物生产潜力，称为光温生产潜力，用P t表示：,式中：n为一年中无霜期天数；T=n/365为温度有效系数。,2、气候（生产）潜力,气候生产潜力：当作物群体结构处于最佳状态，作物光合潜力经温度有效系数调整后，再考虑水分状况对作物生长的影响。用水分有效系数W对光温生产潜力Pt 进行调整后，即得到气候生产潜力Pw。因此气候生产潜力又称“光温水生产潜力”。Pw=WPt 式中，W水分有效

17、系数。,2、气候（生产）潜力,就植物生长而言，水分供给来源主要是降水，其它还有如地下水、融雪水等。但在评价水分条件时，还要考虑蒸发。一个地区的湿润状况，取决于降水与蒸发的综合状况。W值的确定同样有许多方法：（1）用“辐射干燥指数”R/Lr（R为地面净辐射值，L为蒸发潜热，r为降水量）；（2）用区域降水量r与蒸发力E0的比值，即：W=r/Eo。（3）或用公式：W=1-ky(1-Et/E0)，式中ky 为作物产量对缺水的反应系数（可通过查表得到），Et和E0分别为实际蒸发量和潜在蒸发量。,例：某平原地区的太阳辐射总量年平均值680 kJ/cm2，平均无霜期210天；年平均降水量为1450mm，径流

18、量为350mm，蒸发力E0为1230mm，作物产量对缺水的反应系数为0.8；土壤质地为砂壤土，有机质含量2.3%，速效氮、有效磷、钾的含量分别为75 ppm、18 ppm和78 ppm，土壤pH值为8.0，土壤侵蚀等级为轻蚀，土壤全盐的含量为0.3%。试估算该平原地区的光温生产潜力和气候生产潜力。P0=0.22Q=0.22 680 103=1.496105 kg/hm2a Pt=P0 T=P0 n/365=8.607 104 kg/hm2a Pw=WPt=（1-ky(1-Et/E0)）Pt=0.9158.607 104=7.875 104 kg/hm2a,例题：光温生产潜力与气候生产潜力估算,

19、（三）土壤有效系数和农业自然生产潜力,农业生产潜力的估算，在气候生产潜力的基础上还应加入土壤因素的影响，这种因素称为土壤有效系数S。根据土壤的 8 种因素（质地、有机质、速效氮、有效磷、钾、pH、侵蚀程度、盐化程度）的差别状况分别评分之后，再与地形因素的评分按权重共同组成S值。,表19 土壤有效系数评分指标（020cm土体）,续表19 土壤有效系数评分指标（020cm土体）,（三）土壤有效系数和农业自然生产潜力,求得土壤有效系数 S 后，即可与气候生产潜力相结合，求得农业生产潜力Pa。由于该值未考虑作物种植制度及管理等因素对生产潜力的影响，故Pa又可称为“农业自然生产潜力”。Pa=SPw综合以

20、上各调整系数后，农业自然生产潜力可写成：Pa=0.22QTWS,例题：农业自然生产潜力的估算,例：某平原地区的太阳辐射总量年平均值680 kJ/cm2，平均无霜期210天；年平均降水量为1450mm，径流量为350mm，蒸发力E0为1230mm，作物产量对缺水的反应系数为0.8；土壤质地为砂壤土，有机质含量2.3%，速效氮、有效磷、钾的含量分别为75 ppm、18 ppm和78 ppm，土壤pH值为8.0，土壤侵蚀等级为轻蚀，土壤全盐的含量为0.3%。试估算该平原地区的农业生产潜力。P0=0.22Q=1.496105 kg/hm2a Pt=P0 T=8.607 104 kg/hm2a Pw=WPt=7.875 104 kg/hm2a Pa=SPw=0.687.875 104=5.355104 kg/hm2a,（四）中国农业生产潜力分区,作业,1、某丘陵谷地太阳辐射总量年平均值3200 kJ/cm2，平均无霜期 320 天，年平均降水量为1450 mm，蒸发力E0为1690 mm，作物产量对缺水的反应系数为0.9；土壤质地为壤土，有机质含量3.3%，速效氮、有效磷、钾的含量分别为130 ppm、24 ppm和84 ppm，土壤pH值为7.1，土壤侵蚀等级为轻蚀，土壤全盐的含量为0.15%。运用黄秉维先生提出的农业生产潜力估算方法，试估算该地区的农业生产潜力。,