农业气象学原理之风对农业生产的影响及防治
风是一种自然现象。风能调节农田环境条件,影响近地层热量交换、水分循环和空气中的二氧化碳、氧气等输送过程。风还是传播植物花粉、种子的媒体,帮助植物授粉和繁殖。但风对农业生产也会产生消极作用,如大风常造成风害,使植株叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。大风还造成土壤风蚀、沙丘移动,从而毁坏农田。地方性风的某些特殊性质,也常造成风害,例如由海上吹来含盐分较多的海潮风,高温低湿的焚风和干热风,都严重影响果树的开花、座果和谷类作物的灌浆。风还能传播病原体,蔓延植物病害。粘虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、飞蝗等农业害虫在进行长距离迁飞时也需要一定的高空风气象条件。可见,因时因地制宜,积极防御风对农业生产的不利影响,必将对整个农业生态系统的平衡和农业生产的稳定和可持续发展具有深远意义。
1 风的生态作用
1.1 风对植物外部形态的影响
在常有盛行风的地区,如海滨沿岸、山区迎风坡面等,植株因常年受风的影响,在形态上会发生很大变化,主要表现在:
(1)植株低矮、树冠过分尖削、呈流线型的外形;
(2)叶子比正常叶小,常带有褐或红的斑点,尤其在叶片边缘;
(3)树干常向盛行风所吹的方向倾斜,较小的枝条成为屈曲状,且整栋植物以同样的状态发生倾斜;
(4)小的枝条很短,常有不规则的分枝,彼此互相交错;
(5)许多向风的枝条死亡,有时只在背风向看到新枝条和新鲜叶片、向风面只有根部或树干的基部发出的枝条能保持稍好的状态;
(6)树干的横剖面中心偏外,即向风面的直径比与风向成直角面的直径要大;在植物体的迎风部位往往可观察到起保护作用的隆起层,树皮慢慢变厚;
(7)在寒冷风大的迎风坡面,森林可能衰退而成为密灌丛,且进一步退化为分散的或孤立的垫状个体。灌木常呈匍匐状,草本植物呈垫状生长型。它们分枝繁茂,很象密灌丛中的小灌木,原来直立的植物在低洼处或有蔽护物的地方形成铺地状。
1.2 风对植物内部机理的影响
风对植物体内部机理最重要的影响是具有强烈的干燥作用。带走植物体表面及其附近的湿润空气层,加速蒸散,使植物干化。在静风中,蒸发作用只是一个扩散作用的过程,但有风时,甚至饱和差为零,也能加强蒸发作用。所以经常受风吹袭的植物,蒸腾远较在静风处的为迅速。
在平坦的地面上,蒸发速度随风速的平方根而增加。一般空气越干,风力越大,于化作用越明显。植物器官受风的作用不断摇摆也会促进植物的干化,这种影响对小型叶片尤为突出。风能使枝叶片弯转、摇摆,引起细胞间隙膨胀和收缩,迫使叶片内部饱和空气逸出,吸入较干的空气,加速植物体的干化作用。在风大、干燥环境里生长的植物,其生理、形态和解剖结构与遮风条件下生长的植物有很大的差别。
1.3 风的传输作用
风能帮助许多植物传播花粉、孢子、种子或果实,如柳、榆、松、蒲公英等会依靠风力将其传播体甚至整个植物体从一处移到另一处。大多数陆生植物依赖风媒繁殖,以不断扩大
生长的区域。它们借助于风力传输的传播体类型主要有:微小传播体、带毛传播体、带翅传播体、带气囊的传播体、风滚型传播体和构起投掷作用的结构。
在空气中花粉、孢子等传播体的数量及被传输的方向通常受恒定方向的制约,遇到旋风时,植物有可能往反方向迁移。风速则影响授粉效率和传播体的传播距离,从而对植物的繁衍和分布起到较大影响。风媒植物大都生长于开阔或裸露的地方,花小而不鲜艳、结构简单或退化,没有香味和腺体或缺乏花冠。森林中,乔木盛行风媒传播,而生活在静风小气候环境中的下层植物则风播相对少得多。
所以,风虽不是植物生长发育必需的气象因子,却同光、热、水、CO2一样,也是植物生长发育的重要生态因子,对农业生产的影响,有利也有弊。
2 风对农业生产的有利影响
2.1 调节农田小气候环境
湍流交换速度与风速关系密切,风通过影响农田湍流交换强度,对空气的各种物理属性——热量、动量以及水汽、CO2等组成成份的输送产生影响,从而调节农田小气候环境。
风速增加,使农田空气湍流运动增强,地面和空气的热量和水分等的交换加快,土壤蒸发和作物蒸腾增加,空气中CO2等成份的扩散与输送能力提高,作物内部的空气不断更新,对农田冠层内部温度、湿度及CO2浓度起到重要调节作用,从而影响作物的生长发育。
据对大豆田观测结果,风速小于3m/s条件下,热力因素对湍流交换速度影响较大,而在风速大于3m/s时,动力因素对湍流交换速度影响是主要的(段若溪等,2002)。在夏季,适宜的风速可以加快植物叶子表面的蒸腾作用,通过水分的散失带走大量热量,使其叶温总是低于环境温度,避免叶子表面日灼伤。在秋、冬季,当地面强烈辐射冷却时,风又可以把近地层的冷空气吹走,使庄稼免遭低温霜冻的危害。
在盛行地方性环流的农业区,风对农业生产的影响作用更加明显。如由于山地热力因子形成的山谷风,白天因坡上的空气比同高度上的自由大气增温剧烈,空气受热膨胀,暖空气沿坡上升,成为谷风;夜间由于辐射冷却,使临近坡面的空气迅速冷却,密度增大,因而沿坡下滑,流入谷底,成为山风。晴朗的白天,谷风把谷中温暖湿润的空气向山上输送,使山顶气温升高、湿度增加,促使山前坡岗区的植物早发芽、早开花、早结果、早成熟。在夜晚,山风能降低温度,减弱植物呼吸消耗,对植物体营养物质的积累,尤其块根、块茎植物的生长膨大很有好处(李月英,2009)
另外,我国是典型的东亚季风气候区,冬季盛吹干燥寒冷的西北风、北风和东北风,夏季盛行温暖潮湿的西南风、南风和东南风。夏季风使海洋的暖湿气流深入陆地,丰沛的降水与高温期结合,雨热同季的气候特点,为农业生产提供了有利条件。
2.2 调节光合作用
很多人认为光合作用是作物能否获得高产的主要限制因素,在影响光合作用的诸多因素中,CO2供应不足所引起的“碳饥饿”一直是大田作物光能利用率不高的重要原因,而风由于一方面可以加速作物冠层内部的CO2流通,同时还主要通过调节植物叶片气孔开张度,改善叶肉细胞间隙CO2浓度,进而提高作物光合作用率。研究表明,低风速条件下,光合作用强度随风速增大而上升,达到一定限度后,光合作用强度反而下降。低风速时,叶片的片流层变薄,叶片气孔对CO2的扩散阻力减少,有利于叶肉细胞间隙CO2浓度增加扩散,提高光合作用强度。但高风速条件下,风会加速水的散失,致使气孔关闭,CO2的运输受阻,光合作用强度降低。通常微风(三级风,风速4m/s左右)吹拂对农作物的生长发育最为有利,此时既有利光合作用碳底物的供应,又使叶层中的光合有效辐射以闪光的形式合理分布,使农作物体内部通风透光,光合作用保持在较高的水平上。据测定,在太阳辐射与气温基本相同的前后两天,有风天玉米干物质的增长量比无风天大40%左右。
2.3 调节蒸腾作用
蒸腾速率是衡量植物蒸腾能力的指标之一。蒸腾速率主要是由叶片气孔下空间的水蒸气浓度和大气中水蒸气浓度之间的浓度差(即水蒸气压亏缺,water vapor pressure deficit,)以及水蒸气扩散途径的阻力所决定。因此,风对植物蒸腾作用的调节,不仅在于风可以改变大气水蒸气浓度,同时,风还通过调整叶片气孔运动,使叶片气孔下空间的水蒸气浓度发生变化,以此改变植物散失水分的动力,并改变叶片水分扩散阻力,遇有适宜风速时,提高作物蒸腾速率。
根据作物体阻抗高低,又可以将风速对蒸腾耗水的影响分为三种情况:(1)体阻抗低的作物,增加风速将增加其蒸腾耗水量;(2)中等体阻抗(≥100s/m)的作物,风速对蒸腾耗水的影响较小,耗水量的多少取决于体所获得的净辐射能量;(3)高等体阻抗(>400s/m)的作物,特别是在净辐射能量高时,增加风速将减少蒸腾耗水量。
2.4 其他
如前文所述,风的传输作用可帮助风媒植物进行异花授粉和传播。农业生产中风能帮助玉
米等异花授粉作物进行授粉,增加结实率,提高产量。在作物(如油菜)和果树开花时,风能散播花的芬芳气味,招引昆虫传授花粉。
风对扩展农作物的种植范围也有积极意义。由于夏季风的影响,喜温湿作物的种植范围如水稻,即使在中国黑龙江省的最北部也能种植。同样,由于冬季风的影响,喜干凉的作物得以向南扩展(金传达,2002)
另外,风可以限制一些害虫迁飞,降低低层大气污染物扩散,减少受害面积,但同时也可能加重局地受害程度。人们还可以借助风力进行发电、提水、灌溉、排涝和农产品加工等。
3 风对农业生产的不利影响
3.1 风害
农业气象中,风害是指大风对农作物和农业生产的危害,直接危害包括对作物的机械损伤和生理危害、对土壤的风蚀沙化,以及对农事活动的影响和农业生产设施的破坏。间接危害包括传播病虫害和扩散污染物质等。风害程度不仅取决于风的强度,也因风向、刮风时
间、天气状况及地形条件等而不同。伴有低温(如寒露风)、暴雨(如暴风雨)、干旱与高温(如干热风)的风害则是多因子迭加的结果。
(1)大风伴强降水
风对植物的机械损伤及损伤的程度,主要决定于风速、风的阵性以及植物对风的抗性等。风速较大时,可以加速植物蒸腾,使耗水过多,造成叶片气孔关闭,光合强度降低。当风力达到 5、6 级,就可以使已熟的作物脱粒、落果、倒伏折茎,严重影响产量。风速≥17m/s(8级以上)的大风,对农业生产的危害更大。阵风的破坏力特别强,很易造成植物的断枝折茎。尤其风前降雨,使根系松动,风倒现象更严重。
风害与作物生育期也有关,作物处在幼苗期,果树处在开花前期或着果初期,风害较轻。当作物已抽穗开花,或果树正在开花及着果后期,风害较重。生长中等的水稻进入成熟期后,若遇到1小时降水20毫米以上,大于5级风力持续3分钟以上时,容易倒伏;若只有大风而无降水伴随,危害较轻。稻、麦等作物叶片被风刮破后,将影响光合作用,产量下降,特别在出穗前后,受害最重。对于棉花,在开花期遇有6级以上大风,蕾铃将大量脱落。大风还使一些树木沿年轮而割裂或严重弯曲等。
台风是我国东南沿海夏秋季节最主要的灾害性天气之一。由于台风巨大的风力及其伴随的暴雨、巨浪和风暴潮等恶劣天气,常带来风灾、水灾,造成大片农作物倒伏、农田淹没,导致农业生产对象、农业生产场地以及农村住所、甚至农业生产者的生命财产遭受巨大的破坏和损失(李瑞英等,2006)。但同时台风也能给受台风影响的地区带来充沛的雨水资源,减轻伏早。
由台风带来的狂风暴雨不仅会直接毁坏农作物,使作物折枝伤根、叶片受损,同时高强度降水会使作物表面长期维持高湿度状态,所形成的田间小环境非常有利于病菌侵入和传播,极易造成病害的暴发成灾。实验证明,温度为25~ 30、相对湿度在80%~90 %以上时,水稻纹枯病发生最快。台风还能加剧迁飞性、流行性植物疫病和虫害的流行与传播。
干热风由台风暴雨所引发的泥石流、山体滑坡和水土流失等次生灾害,能使农业耕地遭到泥沙石块淹盖,导致土壤质量下降,影响农作物的生长。台风暴风引起海面倾斜、海水倒灌,从而导致农田受淹,也使农用灌溉水受到污染。部分被淹农田因长时间受海水浸泡导致土壤中的含盐量升高(叶旭君,1999),造成土地盐碱化不利于农作物的生长,有的农田甚至废耕(李瑞英等,2006)。含盐的浪花飞溅到空气中形成盐雾,喷洒到植物表面后,对某
些敏感性植物将产生伤害。盐分向植物体内渗透的速度夜晚较白天为快,组织结构不很致密的夏叶较春叶为快。损害时间多在4-11月气温较高时期,且以落叶树受害最重。