一、太陽總輻射概念

太陽總輻射（TBQ）是地球表面某一觀測點水平面上接收太陽的直射輻射與太陽散射輻射的總和。太陽發(fā)出波長范圍在0.15~4.0μm的光線，稱為太陽光譜。太陽輻射到達地球大氣層的部分被稱為總輻射，也叫短波輻射?？傒椛浒ㄌ柕闹苯虞椛浜吞柹⑸漭椛?，用水平安裝的總輻射表測量。

（1）太陽直接輻射：經(jīng)過大氣散射和吸收的削弱之后，沿投射方向直接到達地表的太陽輻射。

（2）太陽散射輻射：太陽輻射通過大氣時，受到大氣中氣體、塵埃、氣溶膠等的散射作用，從天空的各個角度到達地表的一部分太陽輻射。

就全球平均而言，太陽總輻射只占到達大氣上界太陽輻射的45％?？傒椛淞侩S緯度升高而減小，隨高度升高而增大。一天內(nèi)太陽輻射中午前后最大，夜間為零，一年內(nèi)太陽輻射夏季大冬季小。太陽輻射能在可見光線、紅外線和紫外線中分別占50％、43％和7％，即集中于短波波段，故又將太陽輻射稱為短波輻射。

二、輻射的度量和單位及換算關(guān)系

（一）輻射的度量和單位

輻射通量：單位時間通過任意面積上的輻射能。單位：J/s或W。

輻射通量密度：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量。單位：J/（s·m）或W/ m。

光通量：表征輻射通量而產(chǎn)生光感覺的量。單位：流明（lm）

光通量密度：單位面積上的光通量。單位：流明/米（lm/ m）

照度：單位面積上接受的光通量稱照度。單位：勒克斯（lx） 1lx = 1lm/m

（二）換算關(guān)系

太陽輻射度與太陽光照度是兩個不同的物理量，賦值的對象不同，所以沒有確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。太陽輻射光照強度（單位：lux）與太陽光輻射度（單位：W/m²）：

只有在確定的光譜能量分布情況下，才有明確的相關(guān)關(guān)系。一般天氣自然（太陽）光照情況下幾種光照度量單位的近似換算關(guān)系

klx數(shù)×4≈ W/m²?，W/m×4≈μmol/m·s

三、全國各地太陽能總輻射量與年平均日照當(dāng)量

（一）中國年太陽輻射總量分布

太陽輻射的日總量∶ 一日中，到達地面單位面積上的太陽輻射的累積值，稱為太陽輻射的日總量。

太陽輻射年總量∶一年中，到達地面單位面積上的太陽輻射累積值，稱為太陽輻射年總量。

（二）影響太陽總輻射的因素

太陽輻射總量不僅取決于太陽高度角、大氣透明度、海拔高度和天氣狀況等，還和日照時數(shù)有關(guān)。

（1）太陽高度角：太陽總輻射與太陽高度角呈正相關(guān)。

（2）大氣透明度：大氣透明度差，到達地面的太陽直接輻射減少，從而減少太陽總輻射。

（3）大氣質(zhì)量：大氣質(zhì)量越大，到達地面的太陽總輻射就越少。

（4）海拔高度：海拔高度越高，地面接收到的太陽總輻射就越強。

（5）坡度坡向：北半球北回歸線以北地區(qū)，緯度越高，越是表現(xiàn)出南坡向陽，北坡背陰，冬季比夏季顯著。

（6）云量：一般云越厚、越多，太陽直接輻射越弱。

（7）天氣狀況：晴天以直射輻射為主，散射約占總輻射的15%，陰天或太陽被云遮擋時只有散射輻射。太陽總輻射量通常按日、月、年為周期計算。

（三）全國各地太陽能總輻射量與年平均日照當(dāng)量

（單位換算1W=1J/s，所以1KWh/m²=1×1000×W×3600s=3600000W/m²）

四、太陽輻射與植物生長

太陽輻射對植物的影響∶熱效應(yīng)、光合效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)，決定了植物產(chǎn)量、形成及地理分布。

（一）太陽輻射光譜成分對植物的影響

（1）不同光譜成分對植物的影響

植物生長是在日光的全光譜作用下進行的，不同光譜成分對植物的光合作用、色素形成、向光性、形態(tài)形成的誘導(dǎo)等影響是不同的。

① 植物吸收最多的是紅橙光和藍紫光，以參與光合作用。

② 光譜對植物的影響有三個作用和三個效應(yīng)；

可見光的光效應(yīng)，產(chǎn)生光合作用；

紅外線的熱效應(yīng)，促進果實成熟；

紫外線的化學(xué)效應(yīng)，起成型作用。

（根據(jù)不同光譜成分對植物的影響，可以通過人工改變光譜來改善植物的生長。）

（2）光合有效輻射（PAR）

① 定義∶太陽光譜中對植物光合作用有效的光譜成份稱為光合有效輻射，大致包括380～710nm波段的太陽輻射（以符號Q代表，單位為瓦/米²）。

葉綠素吸收光譜的最強吸收只有兩個：一個在波長為640—660納米的紅光部分，另一個在波長為430—450納米的藍紫光部分。類胡蘿卜吸收光譜主要是藍紫光。色素對其他波長的光一般不吸收。

光合有效輻射計算公式∶PAR（Q）= 0.43 S+ 0.57D（S表示直接輻射強度，D表示天空散射輻射強度）。

②?太陽輻射中光合有效輻射的含量

光合光量子通量密度（PPFD）：單位時間通過單位面積的光合光量子數(shù)，數(shù)值單位是 μmol/m²·s，測量儀器為光量子輻射儀。

（二）光照強度與植物生長發(fā)育

（1）光強與光合作用

綠色植物的光合作用是在一定的光照條件下進行的光飽和點；光合作用的速度達到最大時光的強度。

光補償點∶光合速度與呼吸速度相等時的光照強度。

不同植物對光強的要求不同，根據(jù)對光照強度的要求∶

喜光植物- 陽生植物（強光照下才能正常生長，如白樺、刺槐）

耐陰植物-陰生植物（一定的蔽陰條件下生長，如云杉、冷杉）

中性植物-（介于兩者之間，如紅松、椴樹、杉木、毛竹等，幼苗期較耐陰，隨著樹齡的增長，逐漸表現(xiàn)出不同程度偏陽的特性）

（2）光照強度對植物的影響

生長發(fā)育∶營養(yǎng)生長要有弱光，生殖生長要有強光。

產(chǎn)量∶光飽和點要高，光補償點要低，才能增產(chǎn)。

品質(zhì)∶強光有利于淀粉、蛋白質(zhì)的形成，弱光不利糖分的形成。

形態(tài)∶空曠地的稀疏樹木樹干粗矮、樹冠較大;密林中樹干細長，樹冠狹窄

（三）光照時間與植物的發(fā)育

（1）植物的光周期現(xiàn)象∶光周期現(xiàn)象是植物生長發(fā)育對晝夜長短的不同反應(yīng)。

根據(jù)光照的長短與開花的關(guān)系，植物可分為∶長日照植物、短日照植物、中性植物三類。

北半球生長季節(jié)里，南方光照時間短于北方，故南方多為短日照植物，而北方多為長日照植物。

長日照植物∶光照時間大于某一時數(shù)才可開花，一般原產(chǎn)中高緯（溫帶）地區(qū)，多為耐寒植物，如落葉松、小麥、大麥、燕麥、甜菜、菠菜等。

短日照植物∶光照時間小于某一時數(shù)才可開花，一般原產(chǎn)熱帶或亞熱帶地區(qū)，多為喜溫植物，如茶樹、晚稻、大豆、棉花等。

中性植物∶對日照長短并不敏感，只要生長正常，就不影響開花。如早稻、西紅柿、黃瓜等。

（2）光周期現(xiàn)象對植物的影響∶

對營養(yǎng)生長∶影響光合作用的時間，從而影響到植物的營養(yǎng)生長。

對生殖生長∶對植物開花有誘導(dǎo)效應(yīng)，從而影響植物的生長發(fā)育及產(chǎn)量。

對分布地域∶植物只能定居在完成生命過程最有效的地理范圍內(nèi)（有些品種經(jīng)過異地長期馴化，會在一定程度上失去對光長的敏感性）。

（3）光周期學(xué)說在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

① 植物引種∶避免引種的盲目性

緯度和海拔相近地區(qū)間引種較易成功，同一地區(qū)的平原與高原間引種，其延長或縮短生育期的日數(shù)，決定于高度差引起的溫度變化。

② 調(diào)控生育期∶采用人工光照處理調(diào)節(jié)花期等。

園藝工作中通常利用改變光周期現(xiàn)象人為控制開花時間，以滿足觀賞需要。

五、太陽總輻射最適宜值范圍參照表

光合有效輻射（PAR）

部分植物的光補償點與光飽和點的大致數(shù)值如下：

北京地區(qū)冬季晴天正午溫室內(nèi)外光照強度條件與植物對光照強度要求的比較

六、耕作指導(dǎo)

（一）光能利用率

（1）定義：光能利用率是指太陽光中的能量被植物光合作用轉(zhuǎn)化成化學(xué)能而儲藏于光合產(chǎn)物中的部分與生長季節(jié)內(nèi)到達水平面的太陽輻射總量的百分?jǐn)?shù)。

（二）光能利用率的計算方法

按單位面積上作物產(chǎn)量所貯存的能量與該面積在作物生長季節(jié)中所吸收到的太陽輻射總能量的百分比。

上式中，1．67X10⁷焦耳／公斤為每公斤干物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的熱量，生長季節(jié)是指生產(chǎn)上述物質(zhì)所需的時間長度。

m為單位面積上作物產(chǎn)量的干重；h為單位干物重燃燒所產(chǎn)生的熱量；（S＋D）是到達單位面積上的太陽總輻射的日總量?！疲⊿＋D）是生長季內(nèi)各日太陽總輻射日總量的總和。

一般將全田的根、莖桿、葉、果實全部干重叫做生物學(xué)產(chǎn)量。經(jīng)濟價值部分，如稻、麥的籽粒，甘薯的塊根等，稱經(jīng)濟學(xué)產(chǎn)量。

太陽輻射能的計算：

① 太陽輻射總量是太陽日總輻射量的逐日累積值。

② 生理輻射是太陽日總輻射量中的生理輻射部分的逐日積累值，生理輻射約為太陽總輻射的50％。

例如：畝產(chǎn)500公斤稻谷，收獲生物學(xué)產(chǎn)量約為1000公斤，經(jīng)濟產(chǎn)量約為500公斤。在水稻的生長季節(jié)，每畝面積上接受太陽輻射能約為1.67X10¹²焦耳。則太陽輻射能利用率為：

生物學(xué)產(chǎn)量計算：

經(jīng)濟學(xué)產(chǎn)量計算：

目前，農(nóng)作物對太陽輻射能的利用率較低，僅占太陽總輻射的0.5％左右，某些作物稍高些，但也只有5％，根據(jù)國外的研究資料，作物對太陽輻射能的利用可超過12％。因此，在我國提高農(nóng)作物光能利用率，增加單位面積產(chǎn)量，潛力是很大的。

（三）提高太陽能利用率的途徑

（1）改進耕作制度及種植方式，在熱量條件許可的地區(qū)，一年中盡可能長的時間在耕地上生長作物，減少土地空閑時間。

（2）選育高光效品種，培育光呼吸作用弱、耐肥、抗倒伏的優(yōu)良品種。

（3）合理密植，構(gòu)成最有利的葉面積系數(shù)，以利于通風(fēng)透光及保證充足的二氧化碳供應(yīng)。

（4）改造自然（如興修水利、溫室、塑料棚、地膜等）使光、熱、水資源配合最佳。

（5）及時預(yù)測和防治病蟲害及其他自然災(zāi)害。

（6）果林方面，可采用林糧間作，撫育間伐，合理修剪，小株密植等措施。

（7）提高葉綠素的光合效能。利用人造光源補充田間光照，可提高光合效能，還可以通過調(diào)節(jié)播種時間，改變光照時段，也能影響作物的開花和結(jié)實時間，有效地增加產(chǎn)量。

七、耕作改善

（一）人工調(diào)節(jié)光質(zhì)

紅色膜：在紅色膜下培育的水稻秧苗生產(chǎn)旺盛；甜菜含糖量高；胡蘿卜直根長得更大；韭菜葉寬而肉厚，收獲期提前，產(chǎn)量增加。

藍色膜：主要適用于水稻育秧，有利于培育矮壯秧苗，還可用于蔬菜、棉花、花生、草莓、菜豆、茄子、甜椒、番茄、瓜類等蔬菜和其他經(jīng)濟作物，可較好地起到防除雜草的作用。

紫色膜：該膜主要適用于冬春季溫室或塑料大棚的茄果類和綠葉類蔬菜栽培，可增進品質(zhì)，提高產(chǎn)量。

黃色膜：據(jù)試驗，用黃色膜覆蓋芹菜和萵苣，植物生長高大，豆類生長壯實；覆蓋黃瓜，可促進現(xiàn)蕾開花，增加產(chǎn)量1～1.5倍；覆蓋茶樹，茶葉品質(zhì)上乘，產(chǎn)量提高。

黑色膜：雜草嚴(yán)重的地塊或高溫季節(jié)栽培夏蘿卜、白菜、菠菜、秋黃瓜、晚番茄，選用黑色膜較好。

銀色反光膜：主要用于溫室蔬菜栽培，可懸掛在溫室內(nèi)栽培畦北側(cè)，改善溫室內(nèi)的光照條件。

銀灰色膜：主要適用于夏秋蔬菜、瓜類、棉花和烤煙栽培，有良好的防病、防蚜蟲和白粉虱及改良品質(zhì)的作用。

（二）光照調(diào)控

（1）光量調(diào)控——遮光，降低光照的強度；補光，提高光照的強度。

（2）光周期調(diào)控——遮光，延長暗期；補光，延長明期；改變明期、暗期交替的規(guī)律。

（3）光質(zhì)調(diào)控——采用滿足要求的具有特定光譜分布的人工光源補光采用滿足要求的具有特定光譜透過率的覆蓋材料。

（三）遮光

（1）光合遮光調(diào)控，降低溫度，縮短光照時間和縮短光強度

夏季強光、高溫會使某些植物光合強度降低，某些陰性植物或幼苗甚至產(chǎn)生葉片灼傷現(xiàn)象，需要進行光合遮光，以削減光強，減少太陽熱負(fù)荷。遮光材料應(yīng)具有一定的透光率、較高的反射率和較低的吸收率。

光合遮光主要目的是削減部分光熱輻射，溫室內(nèi)仍需具有保證植物正常光合作用的光強，遮陽幕無需嚴(yán)密搭接，遮陽率40％~70％。

常用遮陽幕材料：竹簾、白色聚乙烯紗網(wǎng)、黑色遮陽網(wǎng)、屋面涂白等（室外）無紡布、綴鋁膜（室內(nèi)）等。

（2）光周期遮光調(diào)節(jié)

光周期遮光的目的是延長暗期，保證短日照作物對連續(xù)暗期的要求。常用的材料有黑布與黑色塑料兩種，在溫室頂面及四周鋪設(shè)、嚴(yán)密搭接。使室內(nèi)光照降到臨界光周期照度以下，一般不高于22lx。遮光的時間一般應(yīng)使連續(xù)暗期大于14h，通常從黑夜向傍晚和清晨兩頭延長。

（四）補光

抑制或促進花芽的分化，調(diào)節(jié)花期；補充自然光源的不足。

照度：人工光周期補光是作為調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育的信息提供的，需用的照度較低，一般大于22lx，最好是50lx左右。

光譜：660~665nm，可用富含紅光的白熾燈。

補光方式：（一般長日照作物要求連續(xù)暗期短于7h）

整夜連續(xù)補光；早晚延長補光；夜間間斷補光；

（如北京地區(qū)冬季，光照時間為9h，黑夜為15h。為了節(jié)省電能，可用50lx光照在午夜補光4h，連續(xù)暗期變?yōu)閮啥?.5h，可節(jié)電50％。若用110lx照度，每30min補光6min，或用220lx照度每1min中補光3s，均可收到同樣的光周期補光效果，但可節(jié)電60％~80％。）

（五）光源選取

熱輻射光源?：白熾燈、鹵鎢燈鎢絲中通過電流產(chǎn)生高溫（2400～3000℃）發(fā)光。

氣體放電光源：熒光燈、高壓水銀熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈。

物質(zhì)原子受電子激發(fā)產(chǎn)生光輻射。

① 白熾燈

結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，光照強度易于調(diào)節(jié)；輻射光譜主要在紅外范圍，可見光比例很小，發(fā)光效率低，且紅光偏多，藍光偏少；壽命短（1000小時）。

不宜用作光合補光的光源，但可作光周期補光的光源。

② 熒光燈

低壓氣體放電燈，玻璃管內(nèi)充有水銀蒸氣和惰性氣體，管內(nèi)壁涂有熒光粉，光色隨管內(nèi)所涂熒光材料而異。

目前在園藝設(shè)施補光中使用較多，尤其是用于無遮擋自然光問題產(chǎn)生的組培室等設(shè)施內(nèi)的人工光照，但不適用于以自然采光為主的園藝設(shè)施。

③ 金屬鹵化物燈

在高壓水銀燈的基礎(chǔ)上，在放電管內(nèi)添加各種金屬鹵化物（溴化錫、碘化鈉、碘化鉈等），依靠激發(fā)不同元素產(chǎn)生不同波長的輻射，改善光色和發(fā)光效率。

在對光質(zhì)與效率均有較高要求的設(shè)施中（例如科研溫室）使用。

④ 高壓鈉燈

結(jié)構(gòu)與金屬鹵化物燈類似，在放電管內(nèi)充高壓鈉蒸氣，并添加少量氙和汞等金屬的鹵化物幫助起輝。目前在生產(chǎn)性園藝設(shè)施的補光中使用最多。

⑤ 發(fā)光二極管（LED）

單色性，波譜域?qū)拑H±20nm左右；避免中、長波部分的紅外輻射（對光合作用無效）的能量浪費；可組合不同單色（如紅色＋藍色）的LED滿足植物光合作用對光譜的需要；發(fā)熱少，可實現(xiàn)近距離補光（提高光利用效率）。單體尺寸小，便于組合和使設(shè)備小型化；使用壽命長（5萬小時以上）；發(fā)光效率低，僅為熒光燈的50%～70%；價格高，尤其是藍色LED目前價格昂貴。

幾種常用人工光源的發(fā)光效率及光照強度換算

注∶ ① 發(fā)光二極管光效率高于白熾燈、低于熒光燈；② 微波放電燈效率最高