农田作物能量转化nongtian zuowu nengliang zhuanhuaenergy transformation of crop in the fields

部分农田净辐射通过作物光合作用转化为生物能和通过呼吸作用将生物能的一部分转化为热能的过程。研究作物能量转化的主要目的在于揭示各种作物能量转化的规律与特点，阐述制约这些转化过程的物理机制和生理机制，为提高作物光能利用率，增加粮食和其他植物产品的产量， 开辟新途径。
作物光合作用中摄取能量和呼吸作用释放的能量，是农田热量平衡方程中的一个组成部分。若规定光合作用摄取能量为正，呼吸作用释放能量为负，在作物植株密度较大的生育盛期，则农田热量平衡方程（见农田热量平衡）可简写为：

R=LE+P+lA

式中 R为辐射平衡，即农田净吸收的辐射能；E为农田的蒸散量；L为蒸发潜热；P为农田活动面与大气之间的乱流热交换；A为农田同化或释放CO₂的量；l为同化或释放单位重量CO₂时所交换的热量。
根据扩散理论可分别用下列三个方程确定蒸发耗热LE、乱流热交换P和因光合作用或呼吸作用所交换的热量lA，即：

式中 ρ为空气密度；qs为气孔腔内薄膜组织的比湿，等于叶温条件下的饱和比湿， q为自由大气的比湿；D′为水汽从薄膜组织表面到叶子外表途径上的有效扩散速度；D″为水汽从叶片表面到自由大气的扩散速度；Cp为空气定压比热；θw为植被活动面温度；θ为气温； c为自由大气中CO₂的浓度； C₁为薄膜组织表面的CO₂浓度；D′c为CO₂从叶片表面到薄膜组织表面的扩散速度；D″c为CO₂从自由大气到叶片表面的扩散速度。
把上述三式代入热量平衡方程中，便得到lA的表达式：

这个公式的物理意义是： 在白天， R为正值，lA为正，说明作物光合作用把部分净辐射能转化为生物能；在夜间， R为负值， lA为负，说明由于作物呼吸作用而释放能量。公式也说明， 作物能量转化的速度随自由大气中CO₂浓度与薄膜组织表面上CO2浓度差值的增加而增大， 随净吸收的辐射能增多而增大。由于自由大气中CO₂浓度变化很小， 近似 一个常数， 于是转化速度随c₁的减小而增大， 又因c₁在数值上比c小得多(c₁《c), 于是上式可近似地写成：

借助这个公式，可粗略估计在最有效利用空气中CO₂的条件下， 农田作物由于光合作用所消耗净辐射能的概量。假定1克空气中c平均等于0.46×10-3克；L=2511焦/克；l=10.464千焦/克；a取3.26焦·克^-1·度-1; b取2.60焦·克-¹·度^-1便得出：

考虑到在中纬度夏季昼间的平均情况下， 活动面 （叶面） 与空气平均温度差为5℃, 平均空气相对湿度取50%, 平均气温取20℃，便得到qs=2.0×10-2[当活动面（叶面）温度为25℃时]; q=0.7×10-2，把这些数值代入上式， 便得到lA=0.08R，即在中纬度平均的气候条件下， 消耗于同化作用的能量， 占辐射平衡的8%。辐射平衡一般占总辐射的55%～60%，这样，植被大约能够利用太阳辐射到达量的5%。用热量平衡方法得到的这一估计， 同有利条件下辐射能利用率的平均经验资料是很一致的。实际上，在自然条件下，由于光饱和现象以及其他原因，还要浪费许多辐射能，真正消耗于光合作用的辐射能， 平均情况下只有太阳辐射到达量的1%～4%，许多情况下， 还不到1%。作物在光合作用中， 把辐射能转化为化学能的概量， 和热量平衡方程其他分量相比是很小的， 以致过去讨论农田热量平衡方程时，一般都不考虑。但70年代以来，随着提高作物光能利用率而研究的作物能量转化问题的深入， 应用农田热量平衡理论， 研究这一问题， 也逐步受到重视。