Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - ThS. Nguyễn Ngọc Truyền

Nội dung text: Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - ThS. Nguyễn Ngọc Truyền

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ DỰ ÁN HỢP TÁC VIỆT NAM – HÀ LAN BÀI GIẢNG KHÍ TƯỢNG NÔNG NGHIỆP NTTULIB Người biên soạn: ThS. Nguyễn Ngọc Truyền Huế, 08/2009
2. NTTULIB
3. LỜI NÓI ĐẦU Khí tượng nông nghiệp là môn học cơ sơ rất quan khối của một số ngành nông học đã được giảng dạy ở các trường đại học nông-lâm nghiệp của nhiều nước. Môn học này trang bị kiến thức về khí hậu, thời tiết, sự tác động qua lại của chúng đối với cây trồng, vật nuôi, là đối tượng của sản xuất nông nghiệp. Các yếu tố khí tượng là những yếu tố môi trường quan khối trong các hệ sinh thái. Ngoài ra, khí hậu, thời tiết còn chi phối tới hiệu quả của các biện pháp kỹ thuật nông-lâm nghiệp. Khí hậu Việt Nam là nguồn tài nguyên quý giá đòi hỏi việc sử dụng và khai thác hợp lý mới mang lại hiệu quả kinh tế cao, bảo vệ môI trường sinh thái bền vững và phát triển. Xuất phát từ vị trí quan khối của môn học và mục tiêu đào tạo của trường đại học và cao đẳng nông nghiệp nhằm giúp người học hiểu và nắm vững một số kiến thức về các yếu tố thời tiết cơ bản ảnh hưởng đển quá trình sản xuất nông nghiệp, mối quan hệ của các yếu tố thời tiết đến cây trồng, vật nuôi. Trên cơ sở đó khuyến cáo với người nông dân những biện pháp NTTULIBphòng chống hoặc né tránh những yếu tố thời tiết bất lợi, đồng thời sử dụng hợp lý những yếu tố thời tiết có lợi nhằm giúp cây trồng, vật nuôi sinh trưởng, phát triển thuận lợi và cho năng suất cao. Được sự giúp đỡ của Trường Đại học Nông Lâm Huế, khoa Nông học, dự án Nuffic chúng tôi đã biên soạn cuốn bài giảng “Khí tượng nông nghiệp”. Do thời gian hạn chế nên cuốn sách khó tránh được khuyết điểm. Chúng tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo và đọc giả để lần tái bản sau được tốt hơn. Người biên soạn Nguyễn Ngọc Truyền 1
4. BÀI MỞ ĐẦU KHÍ TƯỢNG NÔNG NGHIỆP 1. Khái niệ m khí tượng nông nghiệp. Khí tượng nông nghiệp là một ngành khoa học nghiên cứu tất cả các điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn và sự phối hợp của chúng đối với các đối tượng và quá trình sản xuất nông nghiệp. Khí tượng nông nghiệp trong cơ cấu của mình chính là ngành khoa học của sự quan hệ có tính quy luật của sự thay đổi của các yếu tố thời tiết, khí hậu đối với các yếu tố nông nghiệp, đồng thời nghiên cứu những yếu tố đặc biệt của thời tiết thường xảy ra có ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng, vật nuôi. Thời tiết là trạng thái của khí quyển được đặc trưng bởi một tập hợp các yếu tố khí tượng xảy ra trên một phạm vi nhất định và trong một khoảng thời gian nhất định. Nói cách khác, thời tiết là trạng thái hàng ngày của khí quyển, bao gồm những biến đổi năng lượng ngắn hạn và sự trao đổi chung bên trong bầu khí quyển, cũng như giữa mặt đất và không khí bên trên nó, nhằm cân bằng sự phân bố khác của bức xạ mặt trời. Khí hậu là sự tiếp diễn có quy luật của các quá trình khí quyển được tạo thành ở một nơi nhất định do kết quả tác động qua lại của 3 nhân tố: bức xạ mặt trời, hoàn lưu khí quyển và mặt đệm. Như vậy, tất cả các yếu tố khí tượng, khí hậu, thuỷ văn đều ảnh hưởng đến quá trình sống, ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển, năng suất, chất lượng sản phẩm của cây trồng, vật nuôi. Các yếu tố trên đóng vai trò hết sức quan khối trong quá trình sản xuất nông nghiệp. Ngành khí tượng nông nghiệp có liên quan chặt chẽ với các phân ngành khí tượng khác như khí tượng học,NTTULIB khí tượng dự báo, khí tượng cao không, khí hậu học, Ngoài ra, nó còn có quan hệ với các ngành khác như vật lý học, nông hoá thổ nhưỡng, sinh lý, sinh hoá, thuỷ nông và hầu hết các ngành khác của khoa học nông nghiệp. 2. Đối tượng, mục đích và nhiệm vụ của môn Khí tượng Nông nghiệp. 2.1. Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu của ngành khí tượng nông nghiệp chính là nghiên cứu tác động qua lại giữa cây trồng hoặc các đối tượng khác của nông nghiệp cùng với điều kiện thời tiết, khí hậu. 2.2. Mục đích: Mục đích chủ yếu của Khí tượng nông nghiệp là giúp đỡ nông nghiệp lợi dụng hợp lý các điều kiện thời tiết và khí hậu nhằm để thu được sản lượng cao, vững chắc đối với cây trồng và phát triển thuận lợi ngành chăn nuôi. 2
5. 2.3. Nhiệm vụ: Khí tượng nông nghiệp là một môn khoa học nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí tượng, khí hậu thuỷ văn đối với sản xuất nông - lâm - ngư nghiệp. Nghiên cứu các biện pháp khai thác và bảo vệ nguồn tài nguyên khí hậu phục vụ sản xuất và đời sống. Để đạt được mục tiêu đó, khí tượng nông nghiệp tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau đây: - Nghiên cứu tính quy luật của sự thay đổi các yếu tố khí tượng, khí hậu, thuỷ văn theo thời gian, không gian nhất định trong những vùng địa lý nhất định, có ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng. - Nghiên cứu những phương pháp đánh giá ảnh hưởng các yếu tố khí tượng lên sự sinh trưởng, phát triển, trạng thái cây trồng, chất lượng sản phẩm, sự lây lan của sâu bệnh, - Nghiên cứu các phương pháp dự báo Khí tượng Nông nghiệp kịp thời chính xác, đưa ra những biện pháp kỹ thuật nhằm hạn chế hoặc loại trừ các yếu tố bất lợi của thời tiết đối với cây trồng. - Đánh giá tài nguyên khí hậu của từng vùng, khả năng đảm bảo của điều kiện khí hậu đối với từng loại cây trồng, vật nuôi, trên cơ sở đó phân vùng khí hậu nông nghiệp cho phù hợp. - Nghiên cứu các biện pháp phòng chống thiên tai và ô nhiễm môi trường. 3. Các phương pháp nghiên cứu. Các phương pháp nghiên cứu của ngành Khí tượng Nông nghiệp dựa trên một số định luật cơ bản để vạch ra các phương pháp nghiên cứu. - Định luật yếu tố cân bằng (định luật không thay thế). Bản chất của định luật là không một yếu tố nào từ những yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển củaNTTULIB cây (ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ, nước) có thể thay thế bằng một yếu tố khác, tất cả chúng đều không thiếu được trong đời sống của cây. - Định luật giá trị không giống nhau (không như nhau): Giá trị của các yếu tố môi trường tác động lên cây trồng phân ra thành những yếu tố chủ yếu và những yếu tố thứ yếu. + Những yếu tố chủ yếu là những yếu tố không thể thiếu được và ảnh hưởng mạnh đến cây trồng. + Những yếu tố thứ yếu là những yếu tố đóng vai trò phụ, gián tiếp điều chỉnh tác động chính, chúng thúc đẩy hoặc làm yếu những tác động của yếu tố chính. - Định luật tối thấp (hay những yếu tố giới hạn). Khi không thay đổi những điều kiện khác thì mức độ của năng suất phụ thuộc vào những yếu tố mà những yếu tố này nằm trong giới hạn thấp. 3
6. - Định luật tối thích (hay tác động tổng hợp của các điều kiện). Theo định luật này sản lượng cao nhất của cây trồng chỉ đạt được khi có sự phối hợp tốt nhất của các yếu tố khác nhau (ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ, mưa, ) khi không ngừng nâng cao các biện pháp kỹ thuật nông nghiệp. - Định luật giai đoạn khủng hoảng. Giai đoạn khủng hoảng nằm trong một giai đoạn sống nào đó của cây trồng, đặc biệt mẫn cảm với một số điều kiện nhất định nào đó của mội trường như ẩm độ, nhiệt độ, ánh sáng, Khi tiến hành công tác nghiên cứu về khí tượng nông nghiệp thường dùng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó hay dùng nhất phương pháp sau đây: 3.1. Phương pháp quan trắc song song: Phương pháp này là phương pháp cơ bản của quan trắc khí tượng nông nghiệp. Theo phương pháp này người ta tiến hành đồng thời (song song) quan sát các yếu tố cây trồng với sự thay đổi các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, mưa, nắng, ẩm độ, Sau đó tìm mối quan hệ giữa điều kiện thời tiết với cây trồng. Mục đích nhằm xác định thời vụ thích hợp hoặc xác định các ngưỡng yêu cầu khí hậu của cây trồng. - Ưu điểm: phương pháp này là có thể trực tiếp nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố khí tượng đối với cây trồng trong điều kiện tự nhiên. - Nhược điểm: trong quá trình nghiên cứu phương pháp này không thể làm thay đổi và điều tiết điều kiện thời tiết. Cho nên, muốn có được số liệu cần thiết để rút ra kết luận về khí tượng nông nghiệp, thì cần phải tiến hành quan trắc nhiều năm tại một trạm, điều này gây nhiều khó khăn và tốn nhiều chi phí. 3.2. Phương pháp gieo trồng theo địa lý: Phương pháp gieo trNTTULIBồng theo vùng địa lý là đem cùng một loại cây trồng gieo vào các vùng địa lý khác nhau. Sau khoảng 3 năm nghiên cứu người ta có thể rút ra kết luận khả năng thích ứng của cây trồng ở các vùng địa lý. Đề xuất ý kiến đối với sự phát triển của giống cây trồng đó ở những vùng thích hợp. Trong quá trình nghiên cứu bằng phương pháp này cần phải lưu ý một số vấn đề sau : - Việc gieo hạt cây trồng ở các nơi chỉ tiến hành trong thời kỳ thích hợp nhất. - Trạng thái đất và biện pháp kỹ thuật nông nghiệp ở từng nơi cần phải giống nhau hoặc gần tương tự nhau. - Cần lựa chọn những khu vực có các điều kiện khí hậu chủ yếu không giống nhau. - Tất cả các yếu tố khí tượng cần nghiên cứu trong những khu vực khí hậu nghiên cứu cũng nên phân biệt yếu tố nào là quan khối nhất. - Trong tất cả các vùng gieo hạt đều tiến hành quan trắc khí tượng và khí tượng nông nghiệp theo cùng một kế hoạch, cùng một phương pháp. Do đó, những trạm khí tượng 4
7. nông nghiệp là những điểm cơ bản để dùng phương pháp gieo hạt theo vùng địa lý để tiến hành nghiên cứu khí tượng nông nghiệp. Ứng dụng trong phân vùng khí hậu nông nghiệp và khảo nghiệm giống cây trồng. - Ưu điểm: Trong một thời gian rất ngắn có thể nghiên cứu ra ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng khác đối với sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng cần nghiên cứu. - Nhược điểm: muốn lựa chọn được nơi gieo hạt theo vùng địa lý có trạng thái đất khá giống nhau thì rất khó khăn, cho nên kết quả nghiên cứu khó phân tích; cùng một loại giống cây trồng không thể sinh trưởng tốt từ đầu đến cuối ở các khu vực khí hậu khác nhau. 3.3. Phương pháp tăng thời vụ gieo: Thực chất của phương pháp tăng thời vụ gieo là gieo cùng một loại giống cây trồng tại một địa điểm, trong từng thời kỳ khác nhau để nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp của các loại yếu tố khí tượng khác nhau (nhiệt độ, độ ẩm, độ chiếu sáng của mặt trời, ) đối với từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển khác nhau của cây trồng cần nghiên cứu. Thông thường người ta gieo cách nhau 5 - 7 ngày hoặc nhiều hơn tuỳ yêu cầu nghiên cứu. Trong suốt thời gian sinh trưởng, phát triển cây trồng được gieo những thời vụ khác nhau sẽ sinh trưởng trong điều kiện thời tiết không giống nhau. Kết quả thí nghiệm trong 1 năm có thể cho kết luận về ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết khác nhau ở các thời vụ khác nhau lên quá trình sinh trưởng, phát triển và năng suất, phẩm chất của cây trồng. * Ứng dụng: - Xác định thời kỳ trổ an toàn (lúa,ngô, ) - Chọn thời vụ thích hợp cho cây trồng. 3.4. Phương pháp trồng câyNTTULIB trong nhà kính: Phương pháp trồng cây trong nhà kính là phương pháp nghiên cứu sự phản ứng của cây trồng dưới ảnh hưởng tổng hợp khác nhau của ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ trong phòng khí hậu nhân tạo. Theo phương pháp này đối tượng nghiên cứu được gieo trồng trong nhà kính _ nơi có thể sử dụng các phương tiện hiện đại để tạo và ổn định điều kiện khí tượng như mong muốn. Nhằm phân tích diễn biến của các hiện tượng cây trồng với điều kiện khí tượng sẽ rút ra được những kết luận về ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến đời sống cây trồng. Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra được sự đồng nhất của các yếu tố khí tượng không nghiên cứu, nên phương pháp này cho những kết luận chính xác, nhanh chóng. Song phương pháp đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp, thiết bị đắt tiền nên thường chỉ sử dụng cho đối tượng nghiên cứu có đời sống ngắn, kích thước nhỏ. 3.5. Phương pháp toán xác suất (thống kê lịch sử): 5
8. Trên cơ sở thu thập số liệu nhiều năm theo nội dung và chỉ tiêu khảo sát thống nhất, người ta xử lý tài liệu theo phương pháp thống kê nhằm xác định xu thế diễn biến của số liệu. Tìm ra mối tương quan giữa 2 hay nhiều dãy số liệu. Nhờ phương pháp này người ta tổng hợp số liệu quan trắc lâu năm về các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây trồng cùng với điều kiện thời tiết. Sau đó tìm mối tương quan của các yếu tố thời tiết đối với cây trồng bằng cách tính toán xác suất. 3.6. Phương pháp cánh đồng thực nghiệm: Trong cánh đồng thí nghiệm người ta thay đổi điều kiện khí tượng nông nghiệp đối với cây trồng như điều chỉnh chương trình, kế hoạch thí nghiệm: nhiệt độ, ẩm độ, cường độ ánh sáng, để tìm kiếm mối tương quan giữa cây trồng với điều kiện khí tượng nông nghiệp. 3.7. Phương pháp đo từ xa: Phương pháp đo từ máy bay, từ vệ tinh để xác định trạng thái cây trồng, trong điều kiện thời tiết nhất định đối với những vùng có diện tích gieo trồng lớn. 3.8. Phương pháp mô đen toán học: Trên cơ sở công nghệ máy tính hiện đại, các chuyên gia tập hợp và hệ thống các thông tin về tác động của các yếu tố khí hậu thời tiết nói riêng và hệ thống tất cả các yếu tố khí tượng nói chung có tác động đến sinh trưởng, năng suất của cây trồng thành các mô hình toán giúp quản lý các quá trình sản xuất nông nghiệp dễ dàng và hiệu quả hơn như thời vụ, các phương thức trồng, chăm sóc, quản lý, Nhược điểm: do các mô hình toán được xây dựng trên cơ sở dữ liệu nhất định nên độ chính xác của nó có giới hạn trong những điều kiện nhất định. Để tăng độ chính xác, đòi hỏi phải xây dựng riêng mô hình toán cho mỗi loại cây trồng ở mỗi vùng sinh thái khác nhau, điều này sẽ rất tốn kém. Vậy, trong công tác NTTULIB nghiên cứu khí tượng nông nghiệp nên dùng phương pháp nào thì tốt hơn, điều đó còn tuỳ theo nhiệm vụ, thời gian tiến hành và yêu cầu của công tác nghiên cứu đó. 4. Sơ lược lịch sử phát triển ngành khí tượng nông nghiệp. Khí hậu - thời tiết là các yếu tố ngoại cảnh có tác động rất lớn đến các mặt của đời sống con người, đặc biệt là sản xuất nông nghiệp. Từ xa xưa, con người đã phải luôn đối mặt với những điều kiện khắc nghiệt của thời tiết. Do vậy con người phải thường xuyên theo dõi sự biến động của thời tiết, tìm ra mối liên hệ giữa thời tiết và các hiện tượng trên mặt đất hay trong bầu trời. Nhưng đó chỉ là những quan sát có tính chất đơn lẻ, vấn đề giải thích các hiện tượng chưa được đặt ra. Ngay từ thời thượng cổ, người ta đã tiến hành những quan sát đơn giản nhất về Khí tượng, trước tiên là ở Trung Quốc, Ai Cập, Ấn độ và một số nước có nền văn hoá cổ đại phát triển khác. 6
9. Thời cổ Hy Lạp Hê-rô-đốt và Aristốt là người đầu tiên thử giải thích và hệ thống hoá những quan sát về những hiện tượng thời tiết đã thu thập được. Những dụng cụ khí tượng bắt đầu xuất hiện vào giữa thế kỷ XVI. Nhiệt kế của Galilê (1597), khí áp kế của Tôrixeli năm 1643. Những dụng cụ đo mưa đã được dùng ở Trung Quốc và Triều Tiên từ thế kỷ thứ IV trước công nguyên. Ở Châu Âu những quan sát khí tượng có liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học tự nhiên vào thế kỷ XVII. Tổ chức khí tượng đầu tiên được thành lập tại Italia vào năm 1657 do Galilê đứng đầu. M.V. Lômônôxốp đóng vai trò rất lớn trong sự nghiệp phát triển của khí tượng học. Theo Lômônôxốp muốn dự báo thời tiết chính xác “phải dựa trên lý thuyết về sự chuyển động chất lỏng bao quanh trái đất, tức là nước và không khí”. Ông đã vạch ra hướng phát triển cho ngành khí tượng động lực học, đây chính là nền móng cho khoa học dự báo thời tiết. Lômônôxốp cũng đã phác họa sơ đồ hình thành dông. Trong lĩnh vực dụng cụ khí tượng, Lômônôxốp đã nghiên cứu và chế tạo hàng loạt dụng cụ đo: máy đo gió, máy đo khí áp dùng trên biển. Ông là một trong những người đầu tiên nghiên cứu tầng cao khí quyển. Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX A.I. Vôâycốp (1842-1916) đã viết tác phẩm “Khí hậu địa cầu và của nước Nga nói riêng” năm 1884. Ông là một trong những người đầu tiên nêu ra những giải thích vật lý về khí hậu toàn trái đất. A.I. Vôâycốp đã có nhiều đóng góp cho ngành khí tượng nông nghiệp. Ông đã cùng với P.I. Brôunốp sáng lập lên mạng lưới Khí tượng Nông nghiệp. Trong nữa thế kỷ XIX Menđêlêép đã tham gia nhiều trên lĩnh vực khí hậu học. Ông đã đề xuất nghiên cứu các lớp khí quyển trên cao bằng khí cầu mang máy móc. Ngoài ra ông còn sáng chế ra khí áp kế dùng hơi. Trong lĩnh vực bức xạ học, các nhà bác học S.I Xavinốp và N.N Kalitin đã đạt nhiều thành tựu trong lý thuyếtNTTULIB và thực hành. Nhiều công trình lý thuyết trong phạm vi Khí tượng Dự báo được hoàn thiện vào đầu thế kỷ XX do M.A. Rưcachép, B.I. Srơdênépski, P.I.Brôunốp. Vào thế kỷ XX các công trình của B.P. Muntanốpski đã đặt nền tảng đầu tiên cho việc nghiên cứu các vấn đề thời tiết dài hạn. B.Lêvinstơn (Mỹ) đã có nhiều công trình nghiên cứu đánh giá và xử lý tiềm năng khí hậu đất và nước, đặc biệt trong lĩnh vực dự báo khí tượng nông nghiệp. Vào cuối thế kỷ XIX Gaspaden (Pháp) đã nghiên cứu một công trình lớn về sự quan hệ giữa đất và khí hậu. Đầu thế kỷ XX nhà bác học Italia Assi đã mô hình hoá mối quan hệ phức tạp giữa điều kiện khí tượng và sinh vật. Mô hình đã được ứng dụng rất có hiệu quả trong việc dự báo khí tượng nông nghiệp, xác định vùng sinh thái cho các loại cây trồng. Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) đã nghiên cứu điều kiện khí tượng nông nghiệp cho nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước châu Phi, châu Âu và khu vực 7
10. Đông Nam Á. Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) đã góp phần quan khối trong việc hạn chế tình trạng đói kém đang diễn ra trầm khối tại các nước châu Phi. Việc nghiên cứu khí tượng nước ta đã có từ thế kỷ XIII. Trong Binh thư yếu lược của Trần Hưng Đạo đã có ghi chép và nhận định về tình hình khí hậu, địa lý. Tác phẩm “Dư địa chí” của Nguyễn Trãi thế kỷ XV và nhiều tác phẩm Lê Quý Đôn, Ngô Thời Sỹ, Nguyễn Nhiễm, cũng đề cập đến những vấn đề khí hậu. Đặc biệt là cuốn “Lịch triều hiến chương loạn chí” và “Việt sử thông giám, cương mục” có ghi lại những thiên tai và thời tiết đặc biệt. Nước ta vốn là một nước sản xuất nông nghiệp, cho nên điều kiện khí tượng - thời tiết và khí hậu đã tác động sâu sắc đến đời sống và quá trình lao động sản xuất quần chúng. Do yêu cầu của lao động sản xuất, nhân dân ta đã gom góp được những nhận xét và kinh nghiệm lâu đời về các hiện tượng trời đất, khí hậu. Những nhận xét và kinh nghiệm này được lưu truyền và phổ biến rất rộng rãi. Trong kho tàng văn học dân gian, ca dao và tục ngữ nói về khí hậu thời tiết rất nhiều. Từ đầu thế kỷ thứ XX những nghiên cứu về khí tượng nước ta ngày càng hoàn thiện. Sau ngày giải phóng (1975) dưới sự giúp đỡ của tổ chức khí tượng thế giới (WMO) những nghiên cứu về khí tượng dự báo, khí hậu, khí tượng nông nghiệp đã có những bước tiến bộ đáng kể nhằm đáp ứng nhu cầu của sản xuất hiện nay, đặc biệt là sản xuất nông nghiệp. Về mặt khí tượng nông nghiệp, nhiều đề tài đã được thực hiện như nghiên cứu điều kiện khí tượng đối với một số cây trồng chính (lúa, ngô, đậu tương, lạc, bông, cao su, cà phê). Một số đề tài lớn được thực hiện như đánh giá tiềm năng khí hậu của đất nước, phân vùng khí hậu nông nghiệp đạt độ chính xác cao cho phép cho nhiều vùng. Trong thời gian tới, nhiệm vụ đặt ra đối với ngành khí tượng nông nghiệp rất lớn nhằm góp phần xây dựng nền sản xuất nông nghiệp nhiệt đới nước ta, han chế tác hại của thiên tai, đưa sản xuất nông nghiệp tới bước phát triển cao. NTTULIB 8
11. CHƯƠNG 1: THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC KHÍ QUYỂN 1. Thành phần khí quyển. 1.1. Đặc tính của không khí.NTTULIB Trái đất bằng lực hút của mình đã tập trung xung quanh một lớp các chất khí được gọi là khí quyển. Lớp khí quyển gần mặt đất có vai trò hết sức quan khối đối với sự sống trên trái đất, nó là môi trường của các đối tượng của nền sản xuất nông nghiệp. Hỗn hợp tạo nên khí quyển được gọi là không khí. Không khí không màu, không mùi, có thể nén hoặc làm giãn nở không khí, có tính đàn hồi và bao bọc tất cả mọi vật trên mặt đất. Mặc dù không khí rất nhẹ nhưng cũng có khối lượng. Khối lượng của khí quyển trái đất là 5,26.1018 kg, chỉ bằng khoảng 10-6 khối lượng của địa quyển (5,96.1024 kg). Các nghiên cứu cho thấy càng lên cao không khí càng loãng: gần 50% khối lượng khí quyển tập trung từ mặt đất đến độ cao 5 km; 75% đến độ cao 10 km và 95% tính đến độ cao 20 km. Khí quyển là môi trường sống của mọi cơ thể sống trên trái đất (trừ những vi khuẩn kị khí). Bầu khí quyển ban đầu của trái đất được hình thành do sự bốc hơi nước 9
12. và các loại khí thoát ra từ núi lửa và biến chuyển theo sự tiến hoá của trái đất, trong đó có sự tác động của quá trình quang hợp của cây xanh. Giữa khí quyển và sinh quyển hình thành điều kiện tự nhiên đó là sự cân bằng động học. Do đo, con người và các đối tượng sản xuất nông nghiệp đã thích ứng với thành phần hiện có của không khí. Không khí được các sinh vật sử dụng trong quá trình sống của chúng. 1.2. Thành phần của lớp không khí sát mặt đất. Sự trao đổi liên tục giữa khí quyển, địa quyển, thuỷ quyển và sinh quyển đã tạo nên những cân bằng động duy trì sự có mặt và tồn tại của các chất khí trong khí quyển. Bảng 1: Thành phần phần trăm của không khí khô theo thể tích - ppmv Chất khí Theo NASA Nitơ 78,084% Ôxy 20,946% Argon 0,9340% Cacbon điôxít CO2 365 ppmv (381 ppmv) Neon 18,18 ppmv Hêli 5,24 ppmv Mêtan 1,745 ppmv Krypton 1,14 ppmv Hiđrô 0,55 ppmv Không khí ẩm thường có thêm Dao động mạnh; thông Hơi nước thường khoảng 1% Ngoài ra, trong không khí luôn luôn tồn tại các phân tử rắn và lỏng nằm ở trạng thái lơ lửng đó là bụi khí. 1.2.2. Nguồn gốc và vai tròNTTULIB của một số các chất khí trong khí quyển. a. Nitơ (N2): Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu, không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử N2, còn gọi là đạm khí. Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan khối như các axít amin, amôniắc, axít nitric và các xyanua. Nitơ trong tự nhiên là nguồn vô tận nhưng phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn. Nitơ là thành phần quan khối của các axít amin và axít nucleic, điều này làm cho nitơ trở thành thiết yếu đối với sự sống. Nó là nguyên tố dinh dưỡng quan khối của mọi cơ thể sống: nó tham gia cấu tạo cơ thể động - thực vật, đóng vai trò đặc biệt quan khối trong quá trình sinh trưởng, phát triển, năng suất và phẩm chất cây trồng. Trong cơ thể thực vật, nitơ chỉ chiếm từ 1- 3% nhưng không có nitơ cây không thể sống được. 10
13. Phần lớn thực vật sống trong tình trạng thiếu nitơ bởi vì rễ cây chỉ có thể hút + - được nitơ dưới dạng các hợp chất NH4 và NO3 . Nguồn nitơ được cung cấp thường xuyên cho đất là những hợp chất nitơ tan trong nước mưa, sương mù, sương muối Hợp chất này được hình thành chủ yếu do quá trình phóng điện trong khí quyển. Lượng đạm này chỉ vào khoảng 3 - 4 kg/ha/năm, ở vùng nhiệt đới mưa dông nhiều có thể cho từ 13 - 14 kg/ha/năm. Ngoài ra còn có những nguồn bổ sung khác: - Những xác chết các động thực vật. - Các sản phẩm phụ của nền nông nghiệp. - Lượng phân vô cơ, hữu cơ bón vào đất. Quá trình chuyển đổi nitơ trên mặt đất là hiện tượng tự nhiên đã tạo nên vòng tuần hoàn nitơ trong khí quyển, giữ trạng thái cân bằng nitơ giữa đất và khí quyển. Điều đó giải thích được bằng sự tồn tại của cây xanh trên trái đất không có tác động của con người. b. Oxy (O2): Ôxy là một thành phần quan khối của không khí, được sản xuất bởi cây cối trong quá trình quang hợp và là chất khí cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật. Khác với nitơ, oxy trong không khí có hoạt tính cao, sẵn sàng kết hợp với các chất khác. Oxy là chất cần thiết cho quá trình hô hấp của mọi cơ thể sống, quá trình ôxy hoá các chất do cơ thể đồng hoá được, giải phóng năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Ôxy cần thiết cho sự phân giải các hợp chất hữu cơ, chất thải và các tàn dư sinh vật làm sạch môi trường. Ôxy cần thiết cho sựNTTULIB đốt cháy nhiên liệu giải phóng nhiệt lượng cung cấp cho các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải và các ngành kinh tế khác. Ôxy có thể là một chất độc khi nó có áp suất thành phần được nâng cao. Ôxy chiếm khoảng 21% thể tích của không khí. Nếu có thể tăng lượng ôxy này lên thành 50% thì không khí khi đó sẽ không tốt cho sự hô hấp. Sự quang hợp bao giờ cũng mãnh liệt hơn sự hô hấp. Tuy nhiên nồng độ ôxy trong khí quyển được thấy không thay đổi. Như vậy, người ta nghĩ rằng lượng thừa ôxy phải được các tiến trình địa chất hấp thu. Hiện nay, khí ôxy bị tiêu dùng khá nhiều bởi sự đốt cháy trong động cơ và đặc biệt trong các động cơ phản lực. Quang hợp của cây xanh là nguồn cung cấp chủ yếu oxy cho khí quyển. Bởi vậy ở những nơi có cây xanh hàm lượng O2 cao hơn và không khí trong lành hơn. c. Dioxytcarbon ( CO2 ): 11
14. Điôxít cacbon hay cacbon điôxít (các tên gọi khác thán khí, anhiđrít cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy. Điôxít cacbon thu được từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả khí thoát ra từ các núi lửa, sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí. Nó cũng được một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào. Các loài thực vật hấp thụ điôxít cacbon trong quá trình quang hợp, và sử dụng cả cacbon và ôxy để tạo ra các cacbohyđrat. Ngoài ra, thực vật cũng giải phóng ôxy trở lại khí quyển, ôxy này sẽ được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong quá trình hô hấp, tạo thành một chu trình. Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và tác động như một khí gây hiệu ứng nhà kính. Nó là thành phần chính trong chu trình cacbon. Thực vật hấp thụ điôxít cacbon từ khí quyển trong quá trình quang hợp. Điôxít cacbon được thực vật (với năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời) sử dụng để sản xuất ra các chất hữu cơ bằng tổ hợp nó với nước. Các phản ứng này giải phóng ra ôxy tự do. Đôi khi điôxít cacbon được bơm thêm vào các nhà kính để thúc đẩy thực vật phát triển. Thực vật cũng giải phóng ra CO2 trong quá trình hô hấp của nó, nhưng tổng thể thì chúng làm giảm lượng CO2. Mặc dù nồng độ thấp nhưng CO2 là một thành phần cực kỳ quan khối trong khí quyển Trái Đất, do nó hấp thụ bức xạ hồng ngoại và làm tăng hiệu ứng nhà kính. CO2 là nguồn dinh dưỡng quan khối của cây xanh, là nguồn khí cần thiết cho cây xanh quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ; là nguồn nguyên liệu xây dựng tất cả cơ thể thực vật, động vật; là yếu tố tạo thành năng suất cây trồng. Nhiều thí nghiệm cho thấy: khi nồng độ CO2 trong môi trường sống của thực vật tăng lên, cường độ quang hợp,NTTULIB sinh trưởng, phát triển và năng suất của phần lớn thực vật cũng tăng lên. Hàm lượng CO2 thích hợp cho các loại cây trồng không giống nhau. Lượng CO2 thích hợp cho người và gia súc khoảng 0,02 - 0,03%. Người và gia súc sẽ chết ở nồng độ CO2 trong môi trường sống tăng lên đến 0,2 - 0,6 %. Ở tầng đối lưu, khí CO2 là khí có khả năng bức xạ năng lượng mặt trời quan khối. Khí CO2 có khả năng hấp thụ các tia sóng dài của bức xạ mặt trời, đặc biệt là các bức xạ mặt đất làm cho không khí nóng lên, gây “hiệu ứng nhà kính”. d. Ozone (O3 ): Khí ozone trong khí quyển không nhiều, tập trung chủ yếu ở độ cao từ 25-50 km (thuộc tầng bình lưu). Lượng ozôn trong khí quyển cũng dao động. Nếu ở 00C, áp suất thường thì toàn bộ ozôn trong khí quyển dồn lại tạo thành một lớp mỏng dày khoảng 3mm. Ôzôn hấp thụ những tia ánh sáng mặt trời có bước sóng từ 0,2-0,29µ, là những tia tử ngoại có tác hại sinh lý. 12
15. Trong tầng bình lưu, ozone có khả năng hấp thụ phần lớn tia sóng ngắn của bức xạ mặt trời . Tuy nhiên, nếu ở trong tầng đối lưu, ozone lại được xem như là một khí gây hiệu ứng nhà kính, đóng góp 8% cho hiệu ứng nhà kính. Tuối thọ của Ozone khá -4 ngắn, chiếm khoảng 2-3 tháng. Gần mặt đất lượng O3 nhỏ (0 - 0,07.10 %). Nồng độ O3 tăng sẽ là mối nguy hại cho cuộc sống trên trái đất gây bệnh nguy hiểm cho người và gia súc, cây trồng, giảm khả năng quanh hợp của cây xanh, Khí ozone không có nguồn gốc trực tiếp từ trái đất, nó được hình thành từ các quá trình quang hoá xảy ra trong khí quyển Ôzôn trong bầu khí quyển Trái Đất nói chung được tạo thành bởi tia cực tím, nó phá vỡ các phân tử O2, tạo thành ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử sau đó kết hợp với phân tử ôxy chưa bị phá vỡ để tạo thành O3. Trong một số trường hợp ôxy nguyên tử kết hợp với N2 để tạo thành các nitơ ôxít; sau đó nó lại bị phá vỡ bởi ánh sáng nhìn thấy để tái tạo ôzôn. Các hoạt động công nghiệp, giao thông, sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc hoá thạch, các tiện nghi sinh hoạt, đã được xem là nguyên nhân làm tổn hại tầng ozone trong tầng bình lưu đồng thời tạo ra nhiều khí ozone trong tầng đối lưu gây ra những hậu quả khó lường trước đối với sự sống trên trái đất. Hàm lượng ozone trong khí quyển hiện nay khoảng 40-50 ppbv với tốc độ gia tăng bình quân năm là 0,5% e. Hơi nước: Hơi nước luôn luôn hiện diện trong khí quyển, xuất phát từ sự bốc hơi trên biển cả, ao hồ, đất ẩm ướt và thực vật. Hơi nước trong khí quyển góp phần tạo nên nhiều hiện tượng thời tiết khác nhau: hình thành sương, sương muối ở mặt đất, sương mù ở tầng khí quyển thấp, mây ở tầng khí quyển ở trên cao. Lượng hơi nước trong khí quyển tạo nên độ ẩm không khí. Hơi nước hấp thụ bứcNTTULIB xạ sóng dài và một phần nhỏ bức xạ mặt trời. Điều này là một trong những nguyên nhân khiến cho lớp không khí ở thấp nóng hơn lớp không khí trên cao. Tốc độ bốc hơi và luồng hơi nước đi vào khí quyển phụ thuộc vào ba yếu tố chính: nhiệt độ bề mặt, vận tốc gió trên bề mặt, độ ẩm khí quyển. Những nguồn khác cung cấp hơi nước vào khí quyển: - Hơi nước thoát ra từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, thuỷ lợi, - Hơi nước thoát ra từ các quá trình đốt cháy nhiên liệu trong khu vực năng lượng hay giao thông vận tải, Khi đốt cháy ngoài việc giải phóng CO2, hơi nước cũng là một sản phẩm của quá trình cháy (chiếm từ 10 - 30% tuỳ loại nhiên liệu). f. Bụi khói: Bụi khói là những vật chất có kích thước nhỏ bé bay lơ lửng trong khí quyển. Thành phần bụi khói biến động lớn theo không gian và thời gian. 13
16. Bụi khói có trong khí quyển là do các quá trình phong hoá đất đá, quá trình cháy của các mảng thiên thể ở lớp khí quyển trên cao, do cháy rừng, hoạt động của núi lửa, do hoạt động của con người. Bụi khói là những hạt nhân ngưng kết hơi nước, do đó tính chất của bụi khói, mức độ ô nhiễm bụi khói sẽ ảnh hưởng đến chất lượng giáng thuỷ. Ngoài ra, do có khả năng hấp thụ và bức xạ năng lượng mà bụi khói có vai trò đáng kể trong việc điều tiết chế độ nhiệt của không khí. Trong khí quyển chứa nhiều bụi khói sẽ gây ra những bất lợi cho cây trồng. Ngoài ra trong không khí còn có các chất khí gây ô nhiễm như: khí sulfurơ (SO2), khí amôniăc (NH3), ôxít nitơ (N2O), êtylen (C2 H4), 1.2.3. Thành phần của không khí trong đất. Đất được cấu tạo bởi những hạt có kích thước khác nhau, giữa những hạt là các khe hở. Trong các khe hở hoặc chứa đầy nước hoặc chứa không khí. Những loại đất trồng trọt thường có dung tích khe hở lớn do tác động của các biện pháp làm đất, xới xáo, do bộ rễ cây tạo nên, Về cơ bản không khí trong đất có thành phần không khác với thành phần không khí trên mặt đất. Các không khí chủ yếu gồm có O2, N2, CO2 và hơi nước. Nó thay đổi tuỳ theo tính chất vật lý, hoá học của đất, phụ thuộc vào từng loại cây trồng, các loài sinh vật, vi sinh vật sống trong đất. Tuy nhiên tỷ lệ các chất khí có trong đất có những biến động so với khí quyển tự do. Bảng 2: Thành phần của một số chất khí trong đất ( theo Vikêvít, 1966). Thành phần Khoảng biến động của các chất khí (% thể tích) Nitơ 78 – 87 Oxy 10 – 20 Carbonic 0,01 - 10 NTTULIB * Tỷ lệ O2 ít hơn mà CO2 thì nhiều hơn so với trên mặt đất. Đó là do quá trình hô hấp của rễ cây và các sinh vật sống trong đất làm giảm lượng O2, đồng thời quá trình phân giải các chất hữu cơ trong đất làm tăng lượng CO2 lên. * Lượng CO2 của không khí trong đất phụ thuộc vào trạng thái của đất. - Đất chặt có nhiều CO2 hơn đất xốp, càng xuống sâu nồng độ CO2 càng tăng lên. - Đất có nhiệt độ và ẩm độ cao phân giải các chất mục nát mạnh, nên cũng làm tăng lượng CO2 lên. - Đất rừng chứa nhiều CO2 hơn đất đồng ruộng vì cành rơi lá rụng ở trong rừng nhiều. Ngoài ra lượng CO2 còn phụ thuộc vào đặc tính và chiều sâu của bộ rễ. Lượng CO2 trong đất thay đổi tuỳ theo mùa, nhiều nhất là mùa hè, ít nhất là mùa đông. Ở trong đất rừng lượng CO2 có thể tăng lên tới 0,2-3,4% thể tích không khí. 14
17. Lượng CO2 tăng lên nhiều sẽ là điều kiện bất lợi cho sự sống của rễ cây, vi khuẩn và sự nảy mầm của hạt giống, Đặc trưng của không khí trong đất là hầu như luôn luôn bảo hoà hơi nước. Ngoài ra, do những hoạt động của các sinh vật đất, không khí trong đất còn có một số các chất khí khác như H2S, 2. Cấu trúc khí quyển theo chiều thẳng đứng. Dựa vào sự thay đổi của nhiệt độ và độ cao mà người ta chia khí quyển ra thành một số tầng lớp chính sau: 2.1. Tầng đối lưu: Tầng đối lưu là tầng thấp nhất của khí quyển, nó nằm sát mặt đất, là môi trường sống của tất cả sinh vật trên trái đất. Độ cao của tầng đối lưu được quyết định bởi các dòng đối lưu, do đó nó thay đổi theo mùa trong năm và vĩ độ địa phương. Ở vùng vĩ độ cao độ dày của tầng này khoảng 8- 9 km; vùng vĩ độ trung bình: khoảng 11 km; vùng vĩ độ thấp: khoảng 17-18 km. Hiện tượng đặc trưng trong tầng này là các dòng không khí thường đi lên hoặc đi xuống (do chênh lệch áp suất, do chướng ngại vật trên mặt đất, do sự tranh chấp của các khối không khí, ) làm thay đổi chế độ nhiệt, chế độ ẩm của không khí. Các khối không khí đi xuống thường nóng và khô dần. Ngược lại, càng lên cao nhiệt độ càng giảm (bình quân cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm 0,5 - 0,60C, cũng có thể giảm đến 10C nếu không khí khô). Vì vậy tại giới hạn trên của tầng đối lưu, nhiệt độ có thể giảm tới - 55 đến - 600C . Ở đây có những vùng xoáy khổng lồ (xoáy thuận và xoáy nghịch) xuất hiện rồi tan đi, có những khối khí không đồng nhất thường xuyên di chuyển, luôn có sự xáo trộn không khí trong toàn bộ tầng đối lưu nhờ những dòng không khí đi lên rồi đi xuống. NTTULIB Về khối lượng: tầng đối lưu tập trung khoảng 3/4 khối lượng toàn bộ khí quyển, cho nên hầu hết những hiện tượng vật lý trong khí quyển mà chúng ta quan sát được đều xảy ra ở đây. Các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, giông và tố, đều xảy ra trong tầng này. Tầng đối lưu chứa gần 80 % toàn bộ chất khí và hầu như toàn bộ lượng hơi nước có trong khí quyển. Người ta chia tầng đối lưu ra làm 3 lớp chính: * Lớp dưới (lớp loạn lưu): là lớp dưới cùng giới hạn từ mặt đất đến độ cao 1-2 km, chịu sự tác động mạnh của mặt đất. Trong lớp này hình thành mây tầng thấp. * Lớp giữa (lớp trung bình): nằm ở độ cao từ 2-6 km, chịu ảnh hưởng của mặt đất ít hơn. Trong lớp giữa xảy ra quá trình cơ bản của các khối khí theo chiều ngang, phát triển các luồng đối lưu mạnh. Hình thành mây tầng trung bình. 15
18. * Lớp trên: nằm ở độ cao từ 6 km đến giới hạn trên của tầng đối lưu; ít chịu ảnh hưởng của mặt đất. Các đỉnh mây tích và mây tích vũ có thể lên đến lớp trên và ở đây tồn tại mây tầng cao. Nhiệt độ lớp này luôn luôn âm. Do những đặc điểm cơ bản, tầng đối lưu đặc biệt quan khối đối với cuộc sống trên trái đất và có ý nghĩa lớn trong sản xuất nông nghiệp. 2.2. Tầng đối lưu hạn: Tầng đối lưu hạn là lớp trung gian giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu. Tầng đối lưu hạn có bề dày chừng vài trăm mét đến 1-2 km. Vị trí của tầng này được xác định bởi sự biến thiên nhiệt độ. Bắt đầu từ đó nhiệt độ không đổi theo độ cao (đẳng nhiệt) hoặc tăng theo độ cao (nghịch nhiệt). Ở tầng đối lưu hạn người ta phát hiện ra những dòng xiết khí quyển. Tốc độ những dòng xiết này có thể đạt tới vài trăm km/h. 2.3. Tầng bình lưu: Tầng bình lưu được giới hạn từ phía trên đối lưu hạn cho tới độ cao 80 - 90km. Tầng này hầu như không có sự hình thành mây mưa, chỉ có sự trao đổi loạn lưu yếu. Căn cứ vào sự phân bố nhiệt mà người ta chia tầng bình lưu ra thành 3 lớp chính: * Lớp đẳng nhiệt (lớp dưới): lớp dưới được giới hạn từ độ cao giới hạn trên của đối lưu hạn đến độ cao 30-35 km. Nhiệt độ của lớp này không đổi theo độ cao, luôn bằng - 550 C. * Lớp nghịch nhiệt (lớp trung bình): là lớp được phân biệt bằng tính chất nghịch nhiệt rõ rệt. Lớp này được xác định từ độ cao 30-35 km đến 60 km. Nhiệt độ của lớp này tăng theo độ cao. Nguyên nhân là do lớp này tập trung hầu hết ozone trong khí quyển, ozone đã hấp thu tia tử ngoại của mặt trời. Do vậy, đến độ cao 60 km nhiệt độ đạt tới 65NTTULIB - 750C. * Lớp trên ( lớp lạnh): lớp trên được giới hạn từ độ cao 60 - 80 km. Ở đây nhiệt độ giảm đi rất nhanh theo độ cao (có thể đạt -700C đến -800 C ở giới hạn trên của lớp này), điều này tạo điều kiện cho sự xáo trộn theo chiều thẳng đứng và sự đối lưu phát triển ở đây. Vì vậy, lớp này đôi khi được gọi là tầng đối lưu trên. 2.4. Tầng ion (tầng điện ly): Tầng ion là tầng kế tiếp tầng bình lưu lên đến độ cao 800 km. Không khí ở tầng này rất thưa và loãng và bị phân ly, ion hoá mạnh dưới tác dụng của các tia bức xạ mặt trời. Có thể nhận thấy hai cực đại ion hoá ở độ cao 100 km và 180-200 km. Khí quyển ở tầng này có độ dẫn điện cao và đây là nguyên nhân làm phản hồi các sóng vô tuyến phát đi từ mặt đất, nhờ đó mà các thiết bị vô tuyến trên mặt đất và các vệ tinh nhân tạo mới hoạt động bình thường. 16
19. Một đặc điểm quan khối khác của tầng này là nhiệt độ không khí cao và tăng nhanh theo độ cao: nhiệt độ không khí ở độ cao 200 km là 6000C và giới hạn trên của tầng này là 20000C. 3.5. Tầng khuyếch tán: Tầng khuyếch tán là tầng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ. Không khí gồm chủ yếu là hydrogen và helium, rất thưa và loãng. Giới hạn trên của tầng này không rõ, vào khoảng 2000 - 3000 km. Ngoài tầng khuyếch tán là không gian vũ trụ. NTTULIB 17
20. CHƯƠNG II BỨC XẠ MẶT TRỜI Bức xạ mặt trời là nguồn nhiệt chủ yếu trên mặt trái đất, cũng là động lực nguyên thuỷ của sự vận động không khí, gây ra tất cả mọi hiện tượng và quá trình vật lý trên mặt đất và trong khí quyển. Đối với thực vật, bức xạ mặt trời là yếu tố khí tượng quan khối hơn tất cả các yếu tố khác vì nó tham gia vào tiến trình biến dưỡng và sự sản xuất chất khô của cây cối. 1. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đối với cây trồng. 1.1. Ảnh hưởng của thành phần quang phổ bức xạ mặt trời đối với cây trồng. Bức xạ mặt trời được hình thành từ những sóng điện từ với những bước sóng khác nhau, có độ dài bước sóng phổ biến trong khoảng từ 0,2-24µ. Quang phổ mặt trời được chia làm 3 nhóm: - Nhóm tia tử ngoại: λ 0,76μ; ở giới hạn ngoài của khí quyển chiếm 47% thành phần quang phổ của mặt trời. Nhóm tia tử ngoại vNTTULIBà tia hồng ngoại mắt thường không thể nhìn thấy được. Riêng nhóm tia có bước sóng trông thấy, khi phân tích, người ta thấy hàng loạt tia được sắp xếp lần lượt theo sự giảm dần của bước sóng: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Tia nhìn thấy có ảnh hưởng nhiều đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây xanh. Để xét tác dụng của quang phổ mặt trời đối với cây trồng, Uỷ ban chiếu xạ Hà Lan (1953) đã chia quang phổ mặt trời ra làm 8 dải sau: Dải 1: λ > 1μ là những tia khi được cây hấp thụ thì biến thành nhiệt mà không tham gia vào tiến trình sinh hoá. Dải 2: 0,72μ < λ ≤ 1μ (hồng ngoại), có tác dụng làm cho cây mọc dài ra. Các tia này cũng có vai trò quan khối đối với sự nảy mầm, sự trổ bông và màu sắc trái. Dải 3: 0,61μ < λ ≤ 0,72μ (tia đỏ và da cam) rất quan khối trong quá trình quang hợp của cây xanh. Các tia này được lục tố hấp thụ mạnh. 18
21. Dải 4: 0,51μ < λ ≤ 0,61μ (vàng, lục) rất ít hữu hiệu trong sự quang hợp và hình thành trái. Dải 5: 0,4μ < λ ≤ 0,51μ ( lam, chàm, tím): những tia này được lục tố và sắc tố vàng hấp thụ mạnh, cho nên dải này ảnh hưởng nhiều đến quá trình hình thành trái. Dải 6: 0,315μ < λ ≤ 0,4μ (tử ngoại): tác dụng chủ yếu đến quá trình hình thành trái. Ức chế quá trình dài ra của cây xanh và làm cho lá dày hơn, tức là kìm hãm sự sinh trưởng, thúc đẩy sự phát triển. Dải 7: 0,28μ ≤ λ ≤ 0,315μ (tử ngoại): là những tia làm hư hại phần lớn cây trồng; gây bệnh hiểm nghèo đối với người, gia súc và cây trồng, có thể gây ung thư mắt, huỷ diệt hồng cầu. Dải 8: λ< 0,28μ (tử ngoại): rất nguy hiểm cho cây trồng, có tính chất huỷ diệt cây xanh, nhưng những tia này hầu như không đến được mặt đất. 1.2. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng trong ngày đối với cây trồng. Thời gian chiếu sáng trong ngày (quang chu kỳ) được xác định bằng thời gian chiếu sáng trên mặt đất. Thời gian chiếu sáng trong ngày thay đổi tuỳ theo mùa và phụ thuộc vào vĩ độ địa phương. Thời gian chiếu sáng trong ngày tác động lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, nó thúc đẩy hoặc kìm hãm quá trình ra hoa của cây. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng trong ngày đến quá trình phát dục của thực vật gọi là phản ứng quang kỳ của chúng. Thực vật khác nhau có phản ứng quang kỳ khác nhau. Dựa vào phản ứng quang kỳ, người ta chia thực vật ra làm 3 nhóm: * Nhóm cây ngày ngắn: NTTULIB - Nhóm cây này có nguồn gốc vùng nhiệt đới hoặc xích đạo (lúa nước, mía, đay, ). - Những cây này chỉ ra hoa kết quả trong điều kiện ngày ngắn (thời gian chiếu sáng trong ngày nhỏ hơn 10-12 giờ). * Nhóm cây ngày dài: - Gồm những thực vật có nguồn gốc ở vùng ôn đới (khoai tây, bắp cải, lúa mì, lúa mạch, ) - Những cây thuộc nhóm này chỉ ra hoa trong điều kiện ngày dài, có thời gian chiếu sáng trên 14 giờ. Trong điều kiện ngày ngắn những cây này thường sinh trưởng chậm, kéo dài hoặc không thể ra hoa kết trái. * Nhóm cây trung tính: - Gồm những cây không có phản ứng với độ dài chiếu sáng trong ngày, thường là những giống mới có thời gian sinh trưởng ngắn. 19
22. - Cây trồng thuộc nhóm trung tính thường là loại cây cảm ôn: trong điều kiện nhiệt độ cao cây thường phát dục nhanh, ra hoa sớm. Trong điều kiện nhiệt độ thấp cây thường phát dục muộn, ra hoa chậm (cà rốt, dưa chuột, thuốc lá, bông, ). Nếu quang kỳ tính thích hợp cây sẽ sinh trưởng và phát triển tốt cho năng suất cao. Còn quang kỳ tính không thích hợp sẽ làm giảm năng suất hoặc cây không thể ra hoa (không có năng suất). 2. Các dạng bức xạ mặt trời. 2.1. Bức xạ trực tiếp (trực xạ). a. Khái niệm: những tia bức xạ từ mặt trời chiếu trực tiếp tới một bề mặt bất kỳ, người ta gọi là bức xạ trực tiếp hay trực xạ. Trực xạ là một chỉ tiêu quan khối để đánh giá điều kiện khí hậu của một vùng. b. Cường độ của bức xạ trực tiếp. Đại lượng đặc trưng cho cường độ năng lượng của những tia bức xạ mặt trời gọi là cường độ của bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời (I) là năng lượng bức xạ chiếu xuống mặt đất trên một đơn vị diện tích đặt vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian. Cường độ bức xạ trực tiếp được tính bằng công thức: 2 S' S.sin( h0 ) (calo/cm /phút). trong đó: S’: là cường độ bức xạ trực tiếp chiếu trên bề mặt nằm ngang. S: cường độ bức xạ chiếu lên bề mặt vuông góc với tia tới (calo/cm2 /phút). h0 : độ cao của mặt trời (góc tạo bởi tia bức xạ mặt trời và bề mặt quan sát). c. Sự diễn biến hàng ngày vàNTTULIB hàng năm của bức xạ trực tiếp: * Diễn biến hằng ngày của bức xạ trực tiếp: - Trong trường hợp khí quyển hoàn toàn trong sạch và khô, nghĩa là không khí không chứa bụi và khô, nghĩa là không khí không chứa hơi nước. Trong điều kiện khí quyển hoàn toàn trong sạch và khô thì kể từ khi mặt trời mọc cường độ trực xạ tăng dần và đạt cực đại khi mặt trời ở thiên đỉnh. Rồi sau đó lại giảm dần và đạt cực tiểu khi mặt trời nằm ở đường chân trời. - Trong điều kiện khí quyển thực bao giờ cũng có bụi và hơi nước và hệ số trong suốt của khí quyển trong ngày luôn thay đổi. Nên cường độ lớn nhất của bức xạ trực tiếp đạt được vào lúc 13 giờ. * Cường độ bức xạ trực tiếp phụ thuộc vào: - Cường độ bức xạ trực tiếp chiếu lên mặt phẳng nằm ngang vào tất cả thời gian trong ngày đều nhỏ hơn chiếu lên mặt phẳng thẳng góc. 20
23. - Cường độ bức xạ trực tiếp chiếu lên mặt phẳng nằm ngang vào tất cả thời gian trong ngày đều nhỏ hơn chiếu lên mặt phẳng thẳng góc. - Vĩ độ địa phương: càng gần cực thì cường độ bức xạ trực tiếp càng giảm. Cường độ bức xạ trực tiếp ở vùng nội chí tuyến lớn hơn ở vùng ôn đới. Cùng một độ cao trong cùng một thời điểm trong năm thì cường độ bức xạ trực tiếp ở vùng vĩ độ cao có thể lớn hơn so với vùng vĩ độ thấp (vì ở những vùng vĩ độ thấp do lớp không khí dưới thấp nhiều hơi nước hơn so với vùng vĩ độ cao). - Độ trong suốt của khí quyển: trời nhiều mây thì mặt đất nhận được bức xạ trực tiếp ít. Mây tầng thấp hầu như không cho tia bức xạ trực tiếp đi qua mà hầu như hấp thụ toàn bộ. - Mùa trong năm: mùa hạ cường độ bức xạ trực tiếp cao hơn mùa đông. - Địa hình: những địa điểm có độ cao địa hình cao nhận được cường độ bức xạ trực tiếp cao hơn những địa điểm có độ cao địa hình thấp. * Diễn biến hàng năm của bức xạ trực tiếp. - Ở cực trái đất nữa năm mùa đông không có trực xạ. - Tại xích đạo hàng năm có hai cực đại xảy ra vào Xuân phân (21/III) và Thu phân (23/IX) và hai cực tiểu xảy ra vào Đông chí (22/XII) và Hạ chí (22/VI). - Tại các vĩ độ trung bình điểm cực đại trong năm quan sát thấy vào ngày Hạ chí (22/VI) và cực tiểu vào ngày Đông chí (22/XII). 2.2. Bức xạ khuyếch tán (tán xạ): a. Khái niệm: bức xạ khuyếch tán là những tia bức xạ được khí quyển khuyếch tán về phía mặt đất. Các phần tử khuyếch tán bao gồm: phân tử khí, hơi nước trong khí quyển, bụi khí quyển. b. Cường độ bức xạ khuyếch tán [D (calo/cm2/phút)]: cường độ bức xạ khuyếch tán mặt đất nhận được tính bằngNTTULIB calo mà một đơn vị diện tích là 1 cm2 nhận được trong 1 phút từ toàn thể bầu trời. Bức xạ khuyếch tán biến thiên rất lớn và phụ thuộc vào: - Kích thước của vật thể: khi kích thước vật thể khuyếch tán càng lớn thì độ khuyếch tán của chúng càng nhiều. 0 - Độ cao mặt trời: mặt trời càng lên cao trên đường chân trời (h0 <8 ) thì cường độ bức xạ khuyếch tán càng lớn. - Độ trong suốt của khí quyển: khí quyển càng trong sạch thì cường độ bức xạ khuyếch tán càng nhỏ, nghĩa là không khí càng nhiều tạp chất thì cường độ bức xạ khuyếch tán càng lớn. - Đặc điểm của bề mặt đệm và khả năng phản chiếu Albêđô của nó: nếu mặt đệm sáng thì cường độ bức xạ khuyếch tán sẽ tăng. 21
24. 2.3. Bức xạ tổng cộng (tổng xạ). a. Khái niệm: bức xạ tổng cộng là tổng số bức xạ khuyếch tán và bức xạ trực tiếp chiếu lên bề mặt nằm ngang, tới mặt đất đồng thời một lúc. b. Cường độ bức xạ tổng cộng: Cường độ bức xạ tổng cộng được tính: Q S ' D (calo/cm2/ phút) trong đó: Q là tổng xạ S’: cường độ bức xạ trực tiếp D: cường độ bức xạ khuyếch tán. Thành phần tổng xạ có thể biến thiên trong phạm vi rộng tuỳ theo: - Độ cao của mặt trời: + Khi h0 = 0: toàn bộ luồng bức xạ tới chủ yếu là do bức xạ khuếch tán gây ra. 0 + Khi h0 8 : thì phần tỷ lệ bức xạ khuyếch tán nhỏ dần so với bức xạ trực tiếp, bức xạ trực tiếp tăng nhanh cho tới giữa trưa. Sự biến thiên đó sẽ diễn ra theo chiều ngược lại. - Độ trong suốt của khí quyển: khí quyển càng trong suốt thì bức xạ khuyếch tán càng nhỏ và bức xạ trực tiếp càng lớn. Khi trời không mây thì bức xạ khuyếch tán chỉ chiếm 10 - 20 %. NTTULIB - Vĩ độ địa phương: vĩ độ địa phương cao thì tổng lượng bức xạ giảm. Vĩ độ càng thấp thì tổng lượng bức xạ càng tăng và phân phối điều hoà trong năm. Tuy nhiên, sự phân bố tổng xạ còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, độ ẩm đất và độ vẫn đục khí quyển. Thông thường tổng xạ giảm dần từ xích đạo đến địa cực. Tuy nhiên, ở cùng vĩ độ tổng xạ ở vùng sa mạc (trời luôn trong sáng) lớn hơn ở vùng ven biển nhiều lần. Trong mùa Xuân và mùa Hạ khi độ cao mặt trời cao, thì ở bất kỳ nơi nào trực xạ vẫn lớn hơn tán xạ. Còn trong mùa Thu và mùa Đông càng lên vĩ độ cao ở Bắc bán cầu lượng tán xạ tăng lên. Tuy vậy, trong những trường hợp cụ thể tổng xạ có thể không tuân theo quy luật trên. 2.4. Sự phản xạ bức xạ mặt trời (albedo). Bức xạ tổng cộng khi chiếu xuống mặt đất không được mặt đất hấp thụ hoàn toàn mà một phần bị phản chiếu lại bầu khí quyển. 22
25. Phản xạ là phần bức xạ mặt trời, đặc biệt là một số sóng ngắn bị “dội” trở lại khí quyển. Mức độ phản xạ tuỳ thuộc vào tính chất bề mặt của vật thể mà bức xạ mặt trời tiếp xúc (màu sắc, độ nhẵn, độ xốp, độ ẩm, ) và góc tới của chùm tia bức xạ. * Khái niệm Albedo: Albedo (suất phản xạ) của bề mặt một vật thể được xác định băng tỷ lệ giữa toàn thể luồng bức xạ sóng ngắn phát đi từ một bề mặt (Rn) với tổng xạ chiếu lên bề mặt đó (Q). R A% n .100(%) Q Albedo của tất cả các bề mặt đều phụ thuộc vào: - Tính chất bề mặt (độ nhẵn, độ xốp, lớp phủ thực vật, ) - Độ cao mặt trời h0 : h0 càng nhỏ thì trị số albedo càng lớn. Thông thường Albedo bé nhất thường xảy ra vào lúc giữa trưa, lớn nhất vào buổi sáng hoặc buổi chiều. Albedo vùng cực lớn hơn ở xích đạo. Trị số của albedo trong ngày thường lớn nhất vào lúc buổi sớm và buổi chiều, nhỏ nhất vào lúc giữa trưa. Trung bình albedo của trái đất (albedo hành tinh) là 30 %. * Albedo của mặt đất phụ thuộc: tính chất và trạng thái của bề mặt đất, vào màu sắc và độ nhám của nó, vào lớp phủ thực vật và tính chất của lớp phủ đó. Bảng 3: Trị số albedo của một số bề mặt tự nhiên. Bề mặt Albedo (%) Bề mặt Albedo (%) Rừng nhiệt đới 21 Mây dày 70 - 80 Rừng thay lá 18 Mây mỏng 25 - 50 Rừng cây lá kim 13 Mặt biển (60-700 vĩ) 7 - 23 Thảo nguyên 15 Mặt nước trong lục địa 2 - 78 Sa mạc 28 Tuyết 40 - 90 Cây lấy hạt 10NTTULIB-25 Cát ướt 30 - 35 Đồng lúa 15-25 Cát khô 25-45 Đồng bông 20-25 Đất đen 5-15 Cỏ xanh 8-27 Đất sét 20-25 Dựa vào trị số albedo ghi nhận được từ các bề mặt, người ta có thể xác định được bản chất của bề mặt, dự đoán tình trạng mùa màng, sâu bệnh, hạn hán, ngập lụt, 2.5. Bức xạ sóng dài của mặt đất (Eđ) và của khí quyển (Ekq). Bên cạnh những luồng bức xạ mặt trời trực tiếp và khuyếch tán mà chúng ta đã xét trong các phần trên, chiếu xuyên qua khí quyển còn có những luồng bức xạ sóng dài không nhìn thấy liên tục phát đi từ mặt đất hay từ khí quyển. Khi nhận năng lượng bức xạ mặt trời, mặt đất nóng lên do quá trình chuyển hoá thành nhiệt năng. Nhiệt năng của mặt đất lại tiếp tục chuyển hoá sang dạng khác, đó là dạng bức xạ sóng dài. 23
26. Mọi vật thể trong thiên nhiên, nghĩa là mỗi mảnh đất, mỗi thể tích không khí đều phát ra bức xạ nhiệt, tương ứng với nhiệt độ của chúng. Kết quả đo đạc bức xạ của các loại đất khác nhau, lớp phủ thực vật và các chất khác tạo thành mặt đất đã chứng tỏ bức xạ sóng dài của mặt đất trong tất cả các độ dài sóng chênh lệch với bức xạ sóng dài của vật đen tuyệt đối theo cùng một thừa số, nghĩa là trị số của hệ số hấp thụ đối với các độ dài sóng khác nhau chênh lệch nhau rất ít. Cho nên đối với phát xạ toàn phần của đất có thể viết: Eâ .E trong đó: δ là trị số trung bình của hệ số hấp phụ mặt đất trong vùng sóng dài của quang phổ. Người ta thường lấy δ = 95 %. E là phát xạ sóng dài của vật đen tuyệt đối. Khả năng phát xạ sóng dài của vật đen tuyệt đối theo định luật Stêphan- Bôxơman: E  .T 4 (calo/cm2.phút) trong đó: σ là hệ số hấp thụ của vật đen tuyệt đối (σ = 0,826.10-10) T là nhiệt độ trung bình của bề mặt đất (tính theo nhiệt độ tuyệt đối K0 ). Do đó bức xạ mặt đất có thể viết: 4 2 Eâ ..T (calo/cm .phút) Bức xạ sóng dài mặt đất phụ thuộc vào nhiệt độ mặt đất, khả năng phát xạ tương đối của bề mặt. Ở cùng một nhiệt độ, thông thường bức xạ mặt đất nhỏ hơn bức xạ từ vật đen tuyệt đối. Các bề mặt khác nhau có khả năng phát xạ tương đối khác nhau. Bảng 4: Khả năng phát xạ tương đối của một số bề mặt. Loại bề mặt NTTULIBδ Loại bề mặt δ Vật đen tuyệt đối 1,00 Đồng cỏ 0,94 Đất đen 0,87 Nước 0,96 Cát 0,89 Tuyết 0,99 Mặt đất phát xạ cả ngày lẫn đêm. Song ban ngày sự phát xạ có thể được đền bù có dư bằng lượng nhiệt mặt trời chiếu xuống. Chỉ có ban đêm khi không còn luồng bức xạ mặt trời chiếu tới nữa thì sự phát xạ mới thể hiện hoàn toàn. Tương tự như mặt đất, không khí khi hấp thụ năng lượng mặt trời cũng nóng lên và bức xạ ra xung quanh (trong đó có phần hướng xuống mặt đất) dưới dạng sóng dài. Phát xạ sóng dài của khí quyển hướng về mặt đất gọi là phát xạ nghịch. Cường độ bức xạ sóng dài khí quyển đến mặt đất phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, lượng mây, lượng hơi nước, bụi khí quyển. 24
27. - Ở vĩ độ trung bình, khi bầu trời quang mây, bức xạ sóng dài khí quyển đến mặt đất khoảng 0,4 - 0,5 calo/cm2.s; nếu trời nhiều mây, bức xạ bước sóng dài khí quyển tăng thêm khoảng 20 - 30%. - Ở nước ta, trong mùa đông nếu lượng hơi nước trong khí quyển cao thì bức xạ sóng dài khí quyển lớn, làm cho thời tiết oi bức, khó chịu và ngược lại trời quang, độ ẩm thấp thì thời tiết trở nên lạnh giá. Từ đó chúng ta nhận thấy rằng: mặt đất mất đi một lượng nhiệt do phát xạ sóng dài, đồng thời nó cũng nhận một lượng nhiệt do phát xạ sóng dài của khí quyển. Như vậy, trong thực tế bao giờ cũng có hai luồng phát xạ, đồng thời một lúc: phát xạ sóng dài của trái đất và phát xạ sóng dài của khí quyển. Hiệu số giữa bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ ) và bức xạ sóng dài khí quyển (Ekq) gọi là bức xạ hiệu dụng (Ehd). Ehd Ed Ekq Eh d vào ban ngày không đáng kể do được lấn át bởi nguồn năng lượng bức xạ mặt trời nên chúng ta chỉ quan tâm tới phát xạ hiệu dụng vào ban đêm. Trị số phát xạ hiệu dụng (Eh d) của một bề mặt phụ thuộc vào khả năng phát xạ của bề mặt đó, của khí quyển và độ ẩm không khí. Phát xạ hiệu dụng phụ thuộc vào trạng thái thời tiết, độ ẩm không khí, nhiệt độ, lượng mây, hàm lượng CO2 và CO trong không khí, 2.6. Cân bằng bức xạ của bề mặt mặt đất (bức xạ thuần, net radiation). Nghiên cứu cân bằng bức xạ trên mặt đất có ý nghĩa rất quan khối trong dự báo thời tiết, xác định cơ cấu mùa vụ, sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng. Trên mặt đất người ta thấy trong bất kỳ lúc nào cũng có sự nhập và xuất năng lượng bức xạ. Phương trình cân bằngNTTULIB bức xạ được biểu diễn: B = S’ + D + Ekq - Rn - Eđ = Q - Eh d - Rn trong đó: B là cân bằng năng lượng bức xạ mặt đất (calo/cm2.phút) S’ là cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp (calo/cm2 .phút) D là cường độ bức xạ khuyếch tán (calo/cm2 .phút) 2 Ekq là phát xạ sóng dài khí quyển (calo/cm .phút) Rn là phản xạ sóng ngắn (calo/cm2.phút) 2 Eđ là phát xạ sóng dài của bề mặt đất (calo/cm .phút) Q là tổng xạ (calo/cm2 .phút) Ehd là phát xạ hiệu dụng. 25
28. Do: Ek q- Eđ= - Eh d; Rn = A(S’ + D) 2 B = (S’ + D)(1-A) - Eh d (calo/cm .phút) + Nếu lượng nhiệt nhập lớn hơn lượng nhiệt xuất thì B>0: mặt đất nóng lên + Nếu lượng nhiệt nhập nhỏ hơn lượng nhiệt xuất thì B<0: mặt đất lạnh đi Ban ngày diễn biến của cân bằng bức xạ gần như song song với trực xạ, còn ban đêm trùng với phát xạ hiệu dụng. Cân bằng bức xạ âm thì mặt đất mất nhiệt và lạnh đi nhanh chóng. Theo M.I.Buđưcô thì tại mọi nơi trên trái đất, cân bằng bức xạ đều có giá trị dương trừ những vùng quanh năm băng tuyết vì ở đó phát xạ hiệu dụng và Albêđô quá lớn (trong mùa đông) nên lượng nhiệt mất đi nhiều hơn lượng nhiệt nhận được. 3. Biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời trong sản xuất nông nghiệp. Khi đến mặt đất, năng lượng bức xạ mặt trời sẽ được chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác. Hiện nay, cây trồng chỉ mới hấp thu khoảng từ 1,5 đến 2 % tổng bức xạ quang hợp (PAR) chiếu tới đồng ruộng. Theo A.A.Nhitrôpôvich nếu nâng hiệu suất hấp thụ bức xạ của cây trồng lên tới 4-5% thì có thể nâng cao năng suất cây ngũ cốc lên gấp đôi. Để nâng cao hiệu quả sử dụng bức xạ mặt trời trong sản xuất nông nghiệp tuỳ điều kiện, có thể cân nhắc sử dụng các biện pháp kỹ thuật sau đây: - Cần đánh giá chính xác tiềm năng bức xạ quang hợp ở các vùng địa lý khác nhau theo thời gian và không gian. Khả năng đảm bảo yêu cầu cho cây trồng về năng lượng bức xạ quang hợp trong các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của chúng. - Cần xác định yêu cầu về năng lượng bức xạ quang hợp của từng giống cây trồng trong từng giai đoạn sống khác nhau, đặc biệt yêu cầu về cường độ bức xạ, thời gian chiếu sáng trong ngày để có cơ sở bố trí thời vụ và phân vùng khí hậu nông nghiệp phù hợp nhằm đạt được năng suất cây trồng cao nhất. - Cần chọn tạo những giốngNTTULIB cây trồng có những đặc trưng hình thái thích hợp để có thể nhận được năng lượng bức xạ nhiều nhất như góc lá, sự phân bố cành, sự phân bố lá trên cây, diện tích lá, bề dày lá, - Nghiên cứu mật độ cây trên một đơn vị diện tích sao cho phù hợp nhất. Tuỳ từng điều kiện canh tác cụ thể để chúng ta xác định mật độ cây trên một đơn vị diện tích cho phù hợp. - Những loại cây ưa sáng mạnh cần trồng ở nơi có khả năng chiếu sáng tốt. Cần đánh luống theo hướng thích hợp sao cho cây trồng trong ngày có thể nhận được năng lượng mặt trời nhiều nhất. - Biện pháp trồng xen các loại cây có độ cao khác nhau, có nhu cầu ánh sáng khác nhau. Ví dụ: Xen cây dài ngày với cây ngắn ngày (cây ăn quả-dứa), cây ngắn ngày với ngắn ngày (Lạc- Rau), - Sử dụng các biện pháp kỹ thuật chăm sóc: như chặt, tỉa cành đối với cây dài ngày, xới xáo đất, bón phân, tưới nước thích hợp sẽ giúp cây tăng khả năng chống chịu với 26
29. những điều kiện bất thuận của ngoại cảnh, tăng diện tích và tuổi thọ của lá làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời dẫn tới năng suất tăng. NTTULIB CHƯƠNG 3 CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA ĐẤT Nhiệt độ đất là một trong những nhân tố quan khối ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của thực vật và sự hoạt động của lớp khí quyển gần sát mặt đất. Chúng ta đều biết rằng: sự nảy mầm của hạt, sự hình thành và phát triển của bộ rễ thực vật xảy ra ở trong đất, sự phân giải các chất hữu cơ (cành rơi, lá rụng, các xác động thực vật trong đất, ), chất dinh dưỡng hoà tan trong nước và nhiều quá trình sinh vật học, hoá học, vật lý học khác cũng xảy ra ở trong đất. Tất cả những điều đó đối với sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây trồng đều có ý nghĩa quan khối. Do đó muốn 27
30. xác định đúng đắn điều kiện khí tượng nông nghiệp trong sự sinh trưởng, phát triển của thực vật, cần phải biết trạng thái nhiệt của mặt đất. 1. Tính chất nhiệt của đất. a. Nhiệt dung của đất. Nhiệt dung của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng nóng lên nhanh hay chậm của đất. Nhiệt dung của đất được chia làm hai loại: * Nhiệt dung khối lượng Cp (calo/g.độ) là lượng nhiệt cần thiết để làm 1gam đất nóng lên 1oC. * Nhiệt dung thể tích Cv (calo/cm3.độ) là lượng nhiệt cần thiết để làm 1cm3 đất nóng lên 1oC. Gọi d là tỷ khối của đất, mối quan hệ giữa nhiệt dung thể tích và nhiệt dung khối lượng được biểu diễn: 3 Cv = Cp.d (calo/cm .độ) Bảng 5: Nhiệt dung cuả 1 số thành phần cấu tạo đất. Nhiệt dung của đất phụ thuộc vào: - Thành phần cấu tạo đất: các loại đất có cấu tạo từ thành phần khác nhau có nhiệt dung khác nhau: Thành phần Nhiệt dung khối lượng Cp Nhiệt dung thể tích Cv (calo/g/độ) (calo/cm3/độ) Cát 0,18 0,49 Sét 0,28 0,59 Than bùn 0,48 0,60 Không khí trong đất 0,24 0,0003 Nước trong đất NTTULIB1,00 1,00 Từ kết quả nghiên cứu ở bảng 6 cho thấy: + Nhiệt dung thể tích của mọi thành phần rắn trong đất dao động từ 0,4-0,6 calo/cm3 .độ + Nhiệt dung thể tích của không khí trong đất là 0,0003 calo/cm3 .độ. + Nhiệt dung của nước bằng 1 calo/cm3.độ (V1g= 1cm3) Trong đất hầu như luôn có chứa nước và không khí. Chính vì vậy trong đất càng nhiều nước, càng ít không khí thì nhiệt dung thể tích càng lớn. - Độ ẩm đất: Bảng 6: Nhiệt dung thể tích của các loại đất có độ ẩm khác nhau (calo/cm3 /độ) Các loại đất Độ ẩm đất (%) 28
31. 0 20 50 80 100 Đất cát 0,35 0,40 0,48 0,58 0,63 Đất sét 0,26 0,36 0,53 0,72 0,90 Đất nhiều mùn 0,15 0,30 0,52 0,75 0,90 Than bùn 0,20 0,32 0,56 0,79 0,94 Từ đó ta có thể giải thích được sự nóng lên và lạnh đi rất khác nhau của các loại đất khi có cùng một nguồn năng lượng bức xạ mặt trời như nhau. - Các loại đất có nhiệt dung nhỏ dễ bị đốt nóng lên và lạnh đi nhanh hơn so với đất có nhiệt dung lớn làm cho các loại đất có nhiệt dung nhỏ biến động mạnh mẽ hơn so với các loại đất có nhiệt dung lớn. - Đất ẩm có chế độ nhiệt ôn hoà hơn ít dao động hơn so với đất khô. Vì vậy, các loại đất khô thiếu ẩm thường có chế độ nhiệt không ổn định, chúng nóng lên về ban ngày nhanh và lạnh đi về ban đêm nhanh. Sự biến động này đã ảnh hưởng lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt đối với đất cát. b. Hệ số dẫn nhiệt của đất λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1): hệ số dẫn nhiệt của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại đất. Hệ số dẫn nhiệt của đất λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1) là lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích 1 cm2, có độ dày 1 cm, trong thời gian một giây, khi nhiệt độ chênh lệch giữa hai lớp kế cận nhau là 10C. Độ lớn của hệ số dẫn nhiệt quyết định bởi đặc tính vật lý của đất. Các loại đất khác nhau thì hệ số dẫn nhiệt của chúng cũng rất khác nhau và nó phụ thuộc vào: - Thành phần cấu tạo của đất: đất có thành phần cấu tạo khác nhau thì hệ số dẫn nhiệt của chúng cũng khác nhau. + Hệ số dẫn nhiệt (HSDN)NTTULIB của nước: 0,0013 calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1 + Hệ số dẫn nhiệt của không khí: 0,00005 calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1 + HSDN của thành phần rắn trong đất: 0,001-0,006 calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1 Bảng 7: Hệ số dẫn nhiệt λ (calo.cm-2.cm-1.s-1.độ-1 ) của một số thành phần cấu tạo đất. Thành phần Hệ số dẫn nhiệt Thành phần Hệ số dẫn nhiệt Đá vôi 0,0019 Hạt sét 0,0044 Cát khô 0,00026 Nước 0,0013 Cát ẩm 20% 0,00252 Không khí 0,00005 - Ẩm độ đất: nước trong đất có thể làm tăng thêm hệ số dẫn nhiệt của đất Nước và không khí trong đất là hai thành phần có tính chất đối kháng. Sự có mặt của nước và không khí trong đất nhiều hay ít đã ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của đất. Chính vì vậy ở những loại đất có ẩm độ cao chế độ nhiệt ôn hoà hơn, ổn định hơn, 29
32. biên độ nhiệt độ ngày đêm nhỏ, ngược lại đối với đất khô chế độ nhiệt ngày đêm biến động lớn, biên độ nhiệt độ ngày đêm cao. - Độ xốp: đất càng xốp hệ số dẫn nhiệt càng kém. Kích thước của hạt đất càng lớn thì hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ. - Bốc hơi: hệ số dẫn nhiệt trong đất còn phụ thuộc nhiều vào sự bốc hơi. c. Hệ số truyền nhiệt của đất (k): Tốc độ truyền nhiệt độ trong lớp đất trồng trọt và đặc biệt ở tầng canh tác có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật trồng trọt. Khi thực hiện các biện pháp canh tác thường dựa trên sự phân bố nhiệt độ ở các lớp đất khác nhau. Để giải quyết vấn đề này người ta dùng một khái niệm gọi là hệ số truyền nhiệt độ của đất. Hệ số truyền nhiệt độ của đất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt (λ) và nhiệt dung thể tích (Cv) của chúng. 1 k .Cv (cm2 /s) Hệ số truyền nhiệt độ của đất phụ thuộc vào độ ẩm và tỷ khối của đất. Kết quả nghiên cứu của A.I.Gupalo cho thấy tỷ khối của đất càng cao thì hệ số truyền nhiệt của đất càng lớn. Hệ số truyền nhiệt độ của đất đạt giá trị lớn nhất khi ẩm độ đất khoảng 18 – 20 %. Hệ số truyền nhiệt độ của nước và không khí nhỏ hơn so với phần rắn trong đất cho nên đất ẩm và đất xốp truyền nhiệt xuống sâu và mất nhiệt trong không khí chậm hơn so với đất khô và cứng. 2. Cân bằng nhiệt của mặt đất. 2.1. Cơ chế nhiệt của đất. Ban ngày, mặt đất nóng lên chủ yếu là nhờ nguồn năng lượng của bức xạ mặt trời. Mặt đất hấp thụ các tia bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt năng làm cho mặt đất nóng lên. Vào những giờNTTULIB có mặt trời, mặt đất được đốt nóng và nhiệt của bề mặt đất nhận được lại truyền cho những lớp không khí tiếp giáp và cho những lớp đất sâu hơn. Vào ban đêm và những ngày mùa đông lạnh, mặt đất bị nguội đi do phát xạ. Sự nguội lạnh này cũng làm cho lớp không khí kế tiếp và những lớp đất dưới lạnh đi. Mặt trực tiếp nhận và phát nhiệt người ta gọi là mặt hoạt động. Bề mặt hoạt động có thể là rừng cây, mặt nước, đá, cát, cho nên tính chất nhiệt của chúng rất khác nhau. Vì vậy, quá trình nóng lên, nguội đi và truyền nhiệt vào sâu trong đất của các bề mặt này cũng rất khác nhau, dẫn đến có biến thiên nhiệt độ ngày đêm và năm. Như vậy, quá trình nóng lên của mặt đất là do sự nhận năng lượng và quá trình lạnh đi của chúng là do sự mất năng lượng của lớp bề mặt đất. Hai quá trình này xảy ra liên tục suốt ngày đêm, tạo nên một cân bằng động. Mặt đất chỉ nóng lên khi phần năng lượng nhận được lớn hơn phần năng lượng mất đi. Ngược lại khi phần năng lượng mất đi chiếm ưu thế thì mặt đất bị lạnh đi. 30
33. 2.2. Cân bằng nhiệt của bề mặt đất. Sự nóng lên hay lạnh đi của đất là kết quả của sự cân bằng động nhiệt độ đất và được quyết định bởi cân bằng năng lượng bức xạ trên mặt đất. Cân bằng nhiệt của mặt đất là hiệu số giữa phần năng lượng nhận được và phần năng lượng mất đi của mặt đất. Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương thì mặt đất nóng lên, cân bằng nhiệt bằng 0 thì nhiệt độ mặt đất không đổi, cân bằng nhiệt là một số âm thì mặt đất sẽ bị lạnh đi. a. Sự cân bằng nhiệt của mặt đất vào ban ngày: Vào ban ngày bề mặt đất nhận được những nguồn nhiệt từ: - Tổng xạ gồm trực xạ và tán xạ ( Q= S’+D ). - Luồng phát xạ sóng dài của khí quyển (Ek q). Đồng thời mất đi những nguồn nhiệt: - Do phản xạ sóng ngắn (Rn) - Do phát xạ sóng dài của bề mặt đất (Eđ) - Do dòng thăng đi lên (V) - Do lượng nhiệt truyền sâu vào lòng đất (P) - Do quá trình bốc hơi (LE). Vì vậy phương trình cân bằng nhiệt của mặt đất vào những ban ngày có dạng: B S' D R E E P V LE 1 n d kq B1 (S' D)(1 A) Ehd P V LE Ba lượng nhiệt P, V, LE mất đi không đáng kể so với năng lượng bức xạ mặt trời mà mặt đất nhận được. Vì vậy, cân bằng nhiệt của bề mặt đất vào ban ngày luôn có giá trị dương. Trừ những vùngNTTULIB cực vào mùa đông không có trực xạ thì cân bằng nhiệt độ của bề mặt đất vào ban ngày mang giá trị âm. b. Cân bằng nhiệt của bề mặt đất vào ban đêm: Vào ban đêm không có bức xạ mặt trời nên không có trực xạ (S’) và tán xạ (D). Mặt đất nhận được các nguồn nhiệt: - Do phát xạ sóng dài của bề mặt đất (Eđ) - Do dòng giáng đi xuống (V) - Do lượng nhiệt truyền ra từ lòng đất (P) - Do sự ngưng kết hơi nước (LE). Mặt đất mất đi các nguồn nhiệt: - Tổng xạ 31
34. - Phát xạ sóng dài mặt đất. Phương trình cân bằng nhiệt của bề mặt đất vào ban đêm có dạng: B P V LE E E 2 d kq B2 P V LE Ehd Do lượng nhiệt nhận được từ P, V, LE không đáng kể, nên cân bằng nhiệt vào ban đêm của mặt đất phụ thuộc vào bức xạ hiệu dụng. Thông thường thì cân bằng nhiệt của mặt đất có giá trị âm, vì phần năng lượng nhận được về ban đêm rất nhỏ, không bù được phần năng lượng mất đi, do đó nhiệt độ của mặt đất về ban đêm giảm đi rất nhanh, dặc biệt vào những đêm trời quang mây, lặng gió hoặc có gió nhẹ làm xúc tiến quá trình phát xạ mặt đất, làm cho nhiệt độ mặt đất lạnh đi nhanh, nhất là vào mùa đông và không quá nóng vào những đêm mùa hè. Cân bằng nhiệt của mặt đất về ban đêm chỉ lớn hơn 0 khi bức xạ hiệu dụng nhỏ hơn 0, nghĩa là Ek q > Eđ, điều này chỉ xảy ra vào những ngày trời nhiều mây. 3. Sự diễn biến hàng ngày và hàng năm của nhiệt độ đất. 3.1. Sự diễn biến hằng ngày của nhiệt độ đất. Sự nóng lên vào ban ngày và lạnh đi vào ban đêm của mặt đất gây ra sự biến thiên nhiệt độ liên tục trong suốt thời gian một ngày đêm, gọi là sự diễn biến hàng ngày của nhiệt độ đất. a. Thời gian xuất hiện các cực trị về nhiệt độ đất trong ngày. Dao động hằng ngày của nhiệt độ mặt đất là một dao động đơn giản, có một trị số cực đại và một trị số cực tiểu. - Cực đại của nhiệt độ mặt đất trong ngày thường xuất hiện vào giữa trưa (khoảng 13 giờ) - Cực tiểu của nhiệt độ mặtNTTULIB đất thường xuất hiện vào trước khi mặt trời mọc khoảng 1 giờ. b. Biên độ biến thiên hằng ngày của nhiệt độ mặt đất Biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ mặt đất là hiệu số giữa trị số nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất trong ngày đó và được biểu diễn như sau: Δt = tmax – tmin 0 trong đó: tmax là giá trị nhiệt độ cao nhất trong ngày ( C) 0 tmin là giá trị nhiệt độ thấp nhất trong ngày đó ( C). Biên độ biến thiên hằng ngày của nhiệt độ mặt đất là yếu tố biến động rất lớn và nó phụ thuộc vào những yếu tố sau: - Thời gian trong năm: mùa hè biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất lớn hơn mùa đông. Biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất vào mùa hè khoảng 32
35. 200 C và trên nữa, mùa đông vào khoảng 10-110C và dưới nữa tuỳ theo vĩ độ địa phương. Riêng trong điều kiện khí hậu gió mùa, biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất cao nhất ở những ngày cuối thu, đầu đông và nhỏ nhất trong những ngày giữa mùa đông. - Vĩ độ địa phương: vĩ độ địa phương càng thấp thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất càng cao. Ở vùng xích đạo và vùng nhiệt đới biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất có giá trị lớn nhất. Vĩ độ càng cao, biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất càng giảm nhưng biên độ biến thiên hàng năm của nhiệt độ đất càng tăng. - Lượng mây: lượng mây trên bầu trời càng ít thì biên độ biến thiên hằng ngày của nhiệt độ đất càng cao (vì lượng mây làm giảm trực xạ vào ban ngày và giảm phát xạ hiệu dụng vào ban đêm). - Tính chất nhiệt của đất (nhiệt dung và hệ số dẫn nhiệt của đất): + Nhiệt dung của đất càng lớn thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất càng nhỏ. + Hệ số dẫn nhiệt càng lớn thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất càng nhỏ. - Màu sắc của đất: biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất ở đất sẫm màu lớn hơn so với đất nhạt màu. - Độ ẩm đất: biên độ hằng ngày của đất ẩm nhỏ hơn đất khô. - Độ cứng: biên độ hằng ngày ở đất xốp nhỏ hơn đất cứng - Địa hình và hướng dốc: + Địa hình càng cao thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất càng lớn. + Biên độ biến thiên hằngNTTULIB ngày ở đất ghồ ghề lớn hơn đất bằng phẳng. + Hướng sườn dốc khác nhau thì mức độ nóng lên của đất khác nhau. Biên độ nhiệt độ hàng ngày của nhiệt độ đất ở sườn Tây lớn hơn sườn Đông. -Lớp phủ thiên nhiên của đất: Đất có phủ thực vật (cỏ cây, rừng, ) biên độ biến thiên hằng ngày của mặt đất nhỏ hơn so với đất trơ trụi (do thực vật ngăn cản được rất nhiều bức xạ mặt trời tới được mặt đất). - Độ trong suốt của khí quyển: biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất tăng lên khi độ trong suốt của khí quyển tăng. Bảng 8: Những biến thiên nhiệt độ hàng ngày trên mặt những loại đất khác nhau: Nhiệt độ (0 C) Không khí Đá Granit Cát Than bùn Tmax 22,7 34,8 42,3 27,7 Tmin 9,6 14,5 7,8 6,3 33
36. Biên độ 13,1 20,1 43,5 21,4 Đối với cát do có nhiệt dung và hệ số dẫn nhiệt thấp nên biên độ biến thiên hằng ngày của của đất cát rất lớn. Điều này gây ảnh hưởng lớn cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng trên vùng đất cát. 3.2. Sự diễn biến hàng năm của nhiệt độ đất. Sự diễn biến hàng năm của nhiệt độ đất liên quan đến sự biến thiên hàng năm của lượng nhập năng lượng bức xạ mặt trời. Tại Bắc bán cầu điểm cực đại của nhiệt độ đất thấy vào tháng 7, 8. Còn điểm cực tiểu vào tháng 1, tháng 2. Biên độ biến thiên hàng năm của nhiệt độ mặt đất là hiệu số giữa nhiệt độ đất trung bình tháng cao nhất và tháng thấp nhất trong năm đó. 0 Δtn = ttmax – ttmin ( C) trong đó: ttmax là nhiệt độ trung bình tháng cao nhất trong năm ttmin là nhiệt độ trung bình tháng thấp nhất trong năm. Biên độ biến thiên hàng năm của nhiệt độ đất phụ thuộc vào: - Vĩ độ địa phương: vĩ độ càng cao thì biên độ biến thiên hàng năm của nhiệt độ đất càng lớn. Càng gần biển biên độ nhiệt độ càng giảm. Tại những vĩ độ trung bình biên độ hàng năm khoảng 300C. - Lớp phủ thực vật: biên độ nhiệt độ hàng năm của đất trơ trụi lớn hơn so với đất có phủ thực vật. Biên độ biến thiên hàng năm cũng như hàng ngày của nhiệt độ đất giảm theo độ sâu và ở một độ sâu nào đó là lớp có nhiệt độ hàng ngày (hàng năm) bất biến. Tùy theo đặc điểm của đất mà biên độ nhiệt độ hàng năm (hàng ngày) triệt tiêu ở những độ sâu khác nhau. Tại những vùng nhiệt đới nơi biên độ nhiệt độ hàng năm bất biến ở độ sâu khoảng 5-10m, còn ở vùng vĩ độ trung bình lớp đất có nhiệt độ hàng năm bất biến ở độ sâu 15-20m. NTTULIB Thời gian xảy ra nhiệt độ hàng năm cực đại (cực tiểu) chậm dần theo độ sâu. Vùng vĩ độ trung bình thường khoảng 20-30 ngày cho mỗi mét độ sâu. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đất đối với sản xuất nông nghiệp: 4.1. Nhiệt độ đất ảnh hưởng đến cây trồng: Nhiệt độ đất là một trong những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng. Nhiệt độ đất đặc biệt có ý nghĩa đối với sự nảy mầm của hạt, sự phát triển của bộ rễ cây, ảnh hưởng đến hoạt động sống của vi sinh vật đất. Chỉ khi có một nhiệt lượng nhất định hạt giống mới có thể nảy mầm, rễ non mới phát dục được, mầm non mới có thể mọc lên khỏi mặt đất. Nhiệt độ đất ảnh hưởng đến: - Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt là giai đoạn nảy mầm của hạt giống. 34
37. Nhu cầu về nhiệt độ đất ở giai đoạn mọc mầm của các giống cây trồng khác nhau thì khác nhau. Muốn cho hạt giống nảy mầm được nhiệt độ đất phải cao hơn giới hạn tối thấp sinh vật học mà hạt giống đó yêu cầu. Nếu nhiệt độ quá thấp (dưới giới hạn tối thấp sinh vật học) hạt giống sẽ không nảy mầm được. Ví dụ lúa chỉ gieo khi nhiệt độ đất cao hơn 12-140C; ngô gieo khi nhiệt độ cao hơn 8-100C. Trong khoảng nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ tăng sẽ rút ngắn thời gian từ gieo đến mọc mầm, chất lượng mầm tốt, tỷ lệ mầm cao. Ngược lại, nếu nhiệt độ quá cao (quá giới hạn tối cao sinh vật học) cũng làm cho hạt giống mất khả năng nảy mầm hoặc chất lượng mầm kém, cây phát triển yếu. Hạt giống nằm lâu ngày dưới đất sẽ bị thối do các loại nấm bệnh, vi sinh vật, côn trùng phá hoại. Đặc biệt là các loại hạt giống có hàm lượng dầu cao như vừng, lạc, bông, hướng dương, Bảng 9: Nhu cầu về nhiệt độ đất trong thời kỳ nảy mầm của một số loại hạt giống Nhiệt độ đất Loại hạt giống Tối thấp Thích hợp Tối cao Tiểu mạch; đại mạch 1-2 20-25 28-32 Ngô 8-10 25-35 40-44 Bầu bí 10-15 37-44 44-50 Lúa 12-14 25-30 45 Dưa bở 15-18 31-37 44-50 Hướng dương 5-10 31-37 37-44 Các giai đoạn khác nhau của cây trồng cũng yêu cầu nhiệt độ đất khác nhau: những quá trình sinh lý chủ yếu của cây như quang hợp, hô hấp, chủ yếu diễn ra ở nhiệt độ đất từ 30-350C, quá trình sinh lý được tăng cường thêm khi nhiệt độ tăng, sau đó lại yếu đi và tới 40-450C thì ngừng hẳn. Nhiệt độ đất trên 500C thường đã có hại rõ rệt đối với cây. Khả năng chịu được nhiệt độ thấp cũng không giống nhau đối với từng loại cây. Các cây nhiệt đới có thể ngừng sinh trưởng ở điều kiện nhiệt độ đất 3-40C và có khi ở nhiệt độ cao hơn nữa, lúc này quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng từ rễ lên các bộ phận trên mặt đất bịNTTULIB đình trệ. Riêng các cây xứ lạnh có thể chịu được nhiệt độ thấp hơn tới -200 C, -300 C hay hơn nữa. Ở nước ta, vụ Đông và vụ Xuân là những vụ trồng trọt có nhiệt độ thấp, do đó cần phải nghiên cứu để nắm vững được nhu cầu nhiệt cần cho sự mọc mầm của hạt giống, đồng thời cần nắm được sự diễn biến về nhiệt độ và ẩm độ đất tự nhiên ở thời kỳ gieo hạt nhằm xác định thời vụ gieo thích hợp, tạo điều kiện tốt ngay từ pha sinh trưởng đầu tiên. - Ảnh hưởng đến sự phát sinh và phát triển của rễ. Nhiệt độ đất ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát sinh, phát triển của rễ và các bộ phận dưới mặt đất. Theo tài liệu của Xinennhicốp, nhiệt độ đất ảnh hưởng đến độ dài của rễ ngô trong ngày như sau: Bảng 10: Nhiệt độ đất ảnh hưởng đến độ dàicủa rễ Nhiệt độ (0 C) 4,4 10,2 15,8 19,0 35
38. Độ dài của rễ 1,4 3,7 6,5 8,7 (mm/ngày) Trong khoảng nhiệt độ đất thích hợp thì nhiệt độ càng tăng, bộ rễ phát triển càng nhanh nhưng nếu nhiệt độ quá cao sẽ ảnh hưởng đến bộ rễ. Tại vùng nhiệt đới, nhiệt độ cao dưới đất làm hư củ khoai tây. Nhiệt độ đất tối thích cho cây trồng này là 170 C và khoai tây ngừng lớn hẳn ở nhiệt độ 280C. - Nhiệt độ đất ảnh hưởng tới qua trình hút nước, huy động và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây. + Nhiệt độ đất cao làm tăng khả năng hoà tan các chất dinh dưỡng trong đất, làm tăng hoạt tính của dung dịch đất giúp cho bộ rễ cây trồng hút được một cách thuận lợi hơn. + Nhiệt độ đất cao làm tăng quá trình bốc hơi nước trên mặt đất và quá trình phát tán hơi nước của các bộ phận thân lá tạo ra dòng vận chuyển liên tục của nước và các chất dinh dưỡng trong cơ thể cây trồng. Trong điều kiện nhiệt độ thấp quá làm giảm tốc độ thậm chí làm ngưng trệ các quá trình trên gây ra những ảnh hưởng xấu đến cây trồng. - Nhiệt độ đất ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật đất. + Nhiệt độ đất thích hợp cường độ hoạt động của vi sinh vật đất mạnh, tốc độ phân giải các chất hữu cơ trong đất xảy ra nhanh chóng, tăng khả năng cung cấp chất hữu cơ cho cây. + Các loại sản phẩm phụ như thân lá, rễ cây sau thu hoạch, các loại phân hữu cơ, phân chuồng, phân xanh bón vào đất phải được phân giải thành các chất vô cơ dễ tiêu cây trồng mới sử dụng được. - Ảnh hưởng đến sự phátNTTULIB sinh và phát triển của sâu bệnh. Nhiệt độ đất còn ảnh hưởng đến sự phát sinh, phát triển của một số loài sâu bệnh sống trong đất. Nếu nhiệt độ thích hợp chúng có thể tồn tại lâu trong đất. Tóm lại, nhiệt độ đất ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản xuất nông nghiệp, đến năng suất và chất lượng nông sản phẩm. 5. Những biện pháp kỹ thuật điều hoà chế độ nhiệt của đất. 5.1. Những biện pháp kỹ thuật giữ và tăng nhiệt độ đất trong mùa đông: Trong thời kỳ mùa đông năng lượng bức xạ nhận được ít, lại kèm theo gió lạnh. Chính vì vậy vấn đề giữ nhiệt trong thời kỳ mùa đông cần được quan tâm đến. Có một số biện pháp kỹ thuật cần quan tâm sau: - Che phủ mặt đất: có thể dùng những biện pháp sau: Rơm rạ, cỏ mục, mùn trấu, Cây phân xanh: rong, bèo, muồng, .Ny lông. Rải tro trên mặt ruộng ở một số ruộng mới gieo trồng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của mặt đất. 36
39. - Tưới nước và giữ nước cho cây trồng cạn: tăng ẩm độ đất sẽ làm tăng nhiệt dung của đất, tăng hệ số dẫn nhiệt của đất sẽ làm tăng hệ số khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời. Như vậy đất sẽ có nhiệt độ cao hơn. - Trồng cây theo luống, hàng và hướng: trồng cây theo luống có thể làm thay đổi trạng thái đất rất nhiều. Trong điều kiện trồng cây theo luống sẽ làm cho bề mặt hoạt động tăng lên 20-30% so với mặt đất phẳng. Cho nên ban ngày mặt đất trồng theo luống hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời nhiều hơn so với mặt đất không có luống. Bảng 11: Ảnh hưởng của đánh luống tới nhiệt độ đất (0C). Độ sâu (cm) 5 10 15 20 Đất Không đánh luống 14,9 13,1 12,0 11,2 Đánh luống 17,0 15,9 14,1 14,1 Ta thấy ở tất cả các độ sâu nhiệt độ đất nơi có đánh luống đều cao hơn so với không đánh luống. Trồng cây theo hàng và hướng, trong ngày sẽ làm giảm sự che chắn lẫn nhau của các cây trồng theo hàng. Như vậy cây trong hàng có thể nhận được nhiều năng lượng của mặt trời hơn. Những biện pháp này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc tròng cây ăn quả, cây công nghiệp lâu năm. - Cải thiện thành phần cơ giới và kết cấu đất: giảm tỷ lệ cát, tăng tỷ lệ sét trong đất. Xới xáo, giữ cho đất tơi xốp, thoáng khí, bón phân hữu cơ làm cho đất tơi xốp, có kết cấu viên nhiều, lượng không khí trong đất tăng lên làm cho đất thoáng, nóng lên và lạnh đi chậm. - Xác định thời vụ thích hợp: là biện pháp có hiệu quả nhất tránh được thời gian có nhiệt độ thấp. Việc gieo trồng vụ Đông, vụ Xuân chỉ được thực hiện khi nào nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối thấp sinh vật học mà hạt giống yêu cầu. 5.2. Các biện pháp kỹNTTULIB thuật giảm nhiệt độ đất trong mùa hè: - Biện pháp che phủ. + Có thể dùng vật che tủ cho cây trong mùa hè bằng những giàn che đối với những cây non trong vườn ươm, vừa có tác dụng hạn chế sự tăng lên của nhiệt độ đất, lại có thể tránh mưa cho cây non. + Có thể dùng rơm rạ, cỏ mục hay cây phân xanh phủ trên mặt đất để giảm năng lượng bức xạ chiếu trực tiếp xuống mặt đất, làm tăng phản xạ của mặt đất và làm giảm nhiệt độ của chúng vào những giờ ban ngày. - Tưới nước cho cây: dùng nước tưới cho cây trồng là biện pháp chóng nóng có hiệu quả cao. Đất có tưới trong điều kiện nhiệt độ cao cường độ bốc hơi nước trên mặt đất tăng lên và làm cho nhiệt độ mặt đất giảm đi đáng kể. Đối với cây trồng cạn, việc tưới nước giữ ẩm cho đất là biện pháp rất có hiệu quả. Thiếu nước cây trồng phát triển kém do không đủ nước cho các nhu cầu thoát hơi nước mạnh. Đối với cây trồng nước 37
40. như lúa và các loại rau trồng trong nước về mùa hè nhất thiết phải có lớp nước trên mặt đất. - Xới xáo đất, san phẳng mặt ruộng, bón phân hữu cơ cho đất làm giảm khả năng hấp thụ nhiệt của đất, tăng sức chống chịu của cây. - Trồng cây che bóng và trồng rừng phòng hộ: tác dụng làm giảm bức xạ trực tiếp, ngăn chặn gió nóng xâm nhập. Tuỳ theo mục đích sử dụng đất, tuỳ từng loại cây trồng người ta có thể trồng các loại cây che bóng (thường là những loại cây phân xanh như: muồng, cây cốt khí, ). CHƯƠNG 4 CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA KHÔNG KHÍ Mục đích nghiên cứu chế độ nhiệt của không khí là tìm hiểu những quy luật về nhiệt khí quyển, sự nóng lên và lạnh đi của không khí, những quy luật biến thiên theo không gian và thời gian, tìm kiếm những biện pháp né tránh sự ảnh hưởng của nhiệt độ, tránh những thiên tai đốiNTTULIB với sản xuất nông nghiệp nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết về nhiệt cho cây trồng và gia súc, gia cầm góp phần vào việc nâng cao năng suất, phẩm chất và tổng sản lượng nông nghiệp. 1. Quá trình nóng lên và lạnh đi của không khí. Do khả năng hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời kém của không khí (chỉ được khoảng 14% tổng năng lượng bức xạ mặt trời xuyên qua khí quyển), không khí ít bị đốt nóng trực tiếp bởi bức xạ mặt trời. Nguồn nhiệt cơ bản để đốt nóng không khí là do mặt đất cung cấp. Mặt đất nhận được bức xạ mặt trời và nóng lên, một phần lượng nhiệt đó được nhường cho các lớp khí quyển ở phía trên. Trung bình bề mặt đất toả vào khí quyển 37% năng lượng bức xạ mà nó nhận được. Bề mặt cát nhường nhiệt cho khí quyển 49%. Mặt nước chỉ nhường cho khí quyển từ 0 - 4% năng lượng nhận được. Quá trình trao đổi nhiệt giữa đất và không khí diễn ra suốt ngày đêm. Vào ban ngày khi nhận được năng lượng bức xạ mặt trời, mặt đất nóng hơn không khí, đất 38
41. nhường nhiệt cho không khí. Ban đêm khi mặt đất lạnh đi không khí lại nhường nhiệt cho mặt đất. 2. Những phương thức truyền nhiệt trong không khí. Sự trao đổi nhiệt giữa đất và không khí có được là nhờ những phương thức truyền nhiệt sau: 2.1. Phương thức truyền nhiệt phân tử. Ban ngày, do tác dụng của bức xạ mặt trời, mặt đất nóng lên. Khi mặt đất nóng lên làm cho những phân tử khí nằm sát mặt đất nóng lên. Những phân tử này sau khi nhận nhiệt chuyển động nhanh hơn và truyền nhiệt cho những phân tử khí nằm xa mặt đất hơn, cứ như vậy một lớp không khí được đốt nóng lên. Nhưng bằng phương thức này sự truyền nhiệt xảy ra chậm và chỉ có một lớp không khí rất mỏng được đốt nóng. 2.2. Phương thức đối lưu nhiệt. Phương thức đối lưu nhiệt xảy ra khi mặt đất được đốt nóng dữ dội làm cho lớp không khí phía dưới nóng lên mạnh. Đó chính là nguyên nhân sinh ra sự chuyển động của những thể tích khí riêng biệt (những dòng khí) theo phương thẳng đứng. Không khí nóng từ dưới bốc lên, không khí lạnh ở trên tràn xuống. Cứ như vậy một lớp không khí khá dày được đốt nóng. 2.3. Phương thức bình lưu. Do mặt đất hấp thụ nhiệt ở mọi nơi không giống nhau, có nơi nhận được nhiều nhiệt, có nơi nhận được ít nhiệt nhưng chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của bề mặt. Nơi nhận được nhiệt nhiều nhiệt độ cao hơn, nên áp suất thấp. Nơi nhận được ít nhiệt lạnh hơn thì áp suất cao. Vì vậy có sự chuyển dịch của không khí từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp. Nhiệt được truyền đi do sự chuyển vận của không khí theo phương nằm ngang như vậy gọi là phương thức bình lưu. 2.4. Phương thức loạn lưu. NTTULIB Khi không khí chuyển động trên bề mặt không bằng phẳng do ma sát sẽ xuất hiện những xoáy có kích thước không giống nhau, những xoáy này chuyển động không theo một hướng nhất định. Có thể chuyển động theo phương thẳng đứng rồi lại chuyển động theo phương nằm ngang, Bề mặt càng gồ ghề, gió càng mạnh thì loạn lưu càng lớn. Loạn lưu phát triển mạnh vào ban ngày còn ban đêm yếu. 2.5. Phương thức phát xạ. Các lớp không khí ở bên dưới được nóng lên khi hấp thụ sóng dài Eđ và luồng phát xạ sóng ngắn Rn của mặt đất. Các lớp này lại phát xạ làm nóng những lớp không khí bên trên (luồng phát xạ sóng ngắn chỉ có vào ban ngày). 2.6. Phương thức truyền nhiệt dưới dạng tiềm nhiệt. 39
42. Khi mặt đất nóng lên, từ bề mặt đất hơi nước bốc lên cao. Đến một độ cao nhất định nào đó, gặp điều kiện thuận lợi lượng hơi nước đó ngưng kết. Trong quá trình ngưng kết sẽ tỏa nhiệt, lượng nhiệt này sẽ đốt nóng không khí. Trong những phương thức truyền nhiệt trên, phương thức truyền nhiệt đối lưu, loạn lưu, phương thức phát xạ và phương thức truyền nhiệt bình lưu đóng vai trò quan khối hơn nhiều so với hai phương thức còn lại. 3. Sự biến thiên của nhiệt độ không khí 3.1 . Biến thiên hàng ngày và hàng năm của nhiệt độ không khí. a. Sự biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí: Sự biến thiên của nhiệt độ không khí chủ yếu phụ thuộc vào sự biến thiên của nhiệt độ đất. Vì vậy càng xa mặt đất sự biến thiên của nhiệt độ không khí càng nhỏ dần và thời điểm xảy ra cực đại và cực tiểu càng chậm lại. Biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí là một dao động đơn giản với một cực đại và một cực tiểu. Thường nhiệt độ không khí thấp nhất xảy ra vào khoảng trước lúc mặt trời mọc khoảng 1 giờ đồng hồ. Cao nhất xuất hiện sau lúc mặt trời ở thiên đỉnh (trên lục địa vào khoảng từ 12-13 giờ, còn trên mặt biển vào lúc 14-15 giờ). Biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí luôn nhỏ hơn biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ đất và phụ thuộc vào những yếu tố sau: - Vĩ độ địa phương: biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí giảm khi vĩ độ địa phương tăng lên (do độ cao mặt trời giảm dần khi vĩ độ tăng lên). - Mùa trong năm: Tại những vĩ độ ôn đới và vĩ độ cao, độ cao mặt trời lúc giữa trưa thay đổi nhiều trong năm. Do đó, biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ phụ thuộc vào các mùa trong năm, tuy nhiên sự phụ thuộc này không đồng nhất tại các vĩ độ khác nhau. + Tại vùng cực đới biến NTTULIBthiên hàng ngày của nhiệt độ không khí biến mất trong thời kỳ mùa Đông. + Biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí lớn nhất trong thời kỳ mùa Thu và mùa Xuân. + Tại các vĩ độ ôn đới, biên độ nhỏ nhất vào mùa đông (2-40 C), lớn nhất vào mùa hạ (8-120C). Tại các vĩ độ nội nhiệt đới biến thiên hàng ngày thay đổi rất ít trong năm. - Địa hình: ở những nơi địa hình cao (đồi, núi, cao nguyên) biên độ nhiệt độ hàng ngày thấp, còn những nơi điah ình trũng (thung lũng) biên độ nhiệt độ hàng ngày cao. - Đặc tính của bề mặt đệm: sự khác nhau về đặc tính của bề mặt đệm trên đất liền ảnh hưởng đến biên độ và dạng biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí. 40
43. - Phụ thuộc vào lượng mây: lượng mây càng nhiều thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí càng giảm. Trong những ngày nhiều mây biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí nhỏ hơn trong những ngày quang đãng. - Độ cao so với mực nước biển: độ cao (so với mực nước biển) càng tăng thì biên độ biến thiên hàng ngày của nhiệt độ không khí càng giảm và thời điểm xảy ra cực đại, cực tiểu càng chậm lại. b. Biến thiên hàng năm của nhiệt độ không khí. Biên độ biến thiên nhiệt độ năm là sự chênh lệch nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất Trên lục địa: cực đại của nhiệt độ không khí quan sát thấy vào tháng 7, cực tiểu vào tháng giêng. Trên đại dương và vùng duyên hải của lục địa: cực đại xảy ra vào tháng 8, cực tiểu vào tháng 2, tháng 3. Trị số nhỏ nhất của biên độ hàng năm quan sát thấy tại vùng xích đạo, là nơi luồng nhiệt mặt trời quanh năm hầu như không thay đổi. Biến thiên hàng năm phụ thuộc vào: - Vĩ độ địa phương: vĩ độ càng tăng biên độ nhiệt độ năm càng tăng, nhỏ nhất là ở xích đạo và lớn nhất ở vùng cực. Vì những điều kiện thu nhiệt trong mùa hè và mùa đông càng khác nhau và biên độ hàng năm cũng tăng lên - Đặc điểm của mặt đệm (đất liền, biển, mức độ gần và xa biển): càng xa biển biên độ nhiệt độ năm càng tăng. Ở những vùng ven biển biên độ nhiệt độ năm thấp. - Độ cao so với mực nước biển: độ cao càng tăng thì biên độ biến thiên hàng năm của nhiệt độ không khí càng giảm. - Lượng mây và mưa: lượng mây trong mùa hè hay trong mùa đông tăng đều làm cho biên độ nhiệt độ năm giảNTTULIBm hoặc ngược lại. 3.2. Sự biến thiên nhiệt độ của không khí theo chiều thẳng đứng. Sự biến thiên nhiệt độ thẳng đứng theo độ cao được đặc trưng bằng gradient nhiệt độ thẳng đứng, được ký hiệu (γ). 3.2.1. Gradient nhiệt độ thẳng đứng. Gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng là trị số biến thiên của nhiệt độ theo mỗi 100 m độ cao (lấy với dấu trái ngược). t t t  2 1 Z 2 Z 1 Z trong đó: 41
44. t1 là nhiệt độ tại độ cao Z1 t2 là nhiệt độ tại độ cao Z2 ΔZ = 100m - Lớp không khí có t2 = t1, γ = 0 gọi là lớp đẳng nhiệt - Lớp không khí có t2 > t1, γ 0 gọi là lớp biến thiên thuận. Sự biến thiên nhiệt độ theo độ cao trong lớp có gradient nhiệt độ thẳng đứng là γ có thể biểu diễn bằng công thức: z t t  z 0 100 trong đó : tz là nhiệt độ không khí đo ở độ cao z, t0 là nhiệt độ không khí ở mực nước biển. 3.2.2. Những quá trình đoạn nhiệt trong khí quyển. Qúa trình đoạn nhiệt là những quá trình trong đó diễn ra sự biến thiên trạng thái của một vật nào hay một khối lượng không khí nào mà không thu hay xuất nhiệt ra môi trường xung quanh. - Quá trình đoạn nhiệt xảy ra trong không khí khô hay không khí ẩm chưa bảo hoà hơi nước gọi là quá trình đoạn nhiệt khô. Gradient đoạn nhiệt khô γ là trị số biến thiên của nhiệt độ không khí khô hoặc chưa bảo hoà hơi nước khi không khí đó lên cao hoặc xuống thấp mỗi 100 mét (γ = 10C/100m). - Quá trình đoạn nhiệtNTTULIB xảy ra trong không khí đã bảo hoà hơi nước gọi là đoạn nhiệt ẩm. Gradient đoạn nhiệt ẩm (γ’) là trị số biến thiên của nhiệt độ không khí ẩm (đã bảo hoà hơi nước) khi không khí đó lên cao hoặc xuống thấp mỗi 100 mét (γ’ < 10C/100m) 4. Những đại lượng đặc trưng cho nhiệt độ không khí. 4.1. Nhiệt độ trung bình: - Nhiệt độ trung bình ngày là giá trị trung bình cộng của tất cả các giá trị quan trắc được trong ngày đo theo nhiệt kế khô. t1 t 2 t8 t trong đó t1, t2, , t8 là nhiệt độ quan trắc được trong ngày tb 8 42
45. - Nhiệt độ trung bình tháng là giá trị trung bình cộng của nhiệt độ trung bình tất cả các ngày trong tháng. t t t t 1 2 n tb n trong đó: t1, t2, ,tn là nhiệt độ trung bình ngày quan trắc được trong tháng n = 28, 29, 30, 31 là tổng số ngày trong tháng. - Nhiệt độ trung bình năm là giá trị trung bình cộng của nhiệt độ trung bình 12 tháng trong năm. t1 t 2 t12 t với t1,t2, ,t12 là nhiệt độ trung tháng 1 đến tháng 12. tbn 12 4.2. Nhiệt độ tối cao tuyệt đối và tối thấp tuyệt đối. - Nhiệt độ tối cao tuyệt đối trong ngày là nhiệt độ cao nhất của tất cả các kỳ quan trắc đo - Nhiệt độ tối cao tuyệt đối trong tháng là giá trị nhiệt độ cao nhất trong tháng. Người ta xác định như sau: mỗi ngày trong tháng có một trị số nhiệt độ cao nhất trong ngày. Người ta tiến hành so sánh những trị số tối cao tuyệt đối của các ngày trong tháng với nhau, trị số lớn nhất sẽ là trị số tuyệt đối trong tháng - Nhiệt độ tối cao tuyệt đối trong năm là giá trị nhiệt độ cao nhất trong năm, bằng cách so sánh như trên, người ta so sánh trị số tối cao tuyệt đối của 12 tháng với nhau trị số nào lớn nhất sẽ là nhiệt độ tối cao tuyệt đối trong năm. - Nhiệt độ tối cao trung bình tháng là trung bình cộng của nhiệt độ tối cao tuyệt đối của các ngày trong tháng. - Nhiệt độ tối cao trung bình năm là trung bình cộng của nhiệt độ tối cao trung bình của 12 tháng trong năm. Nhiệt độ tối thấp: tươngNTTULIB tự như nhiệt độ tối cao, người ta phân biệt các loại nhiệt độ tối thấp: nhiệt độ tối thấp tuyệt đối ngày, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối tháng, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối năm, nhiệt độ tối thấp trung bình tháng, nhiệt độ tối thấp trung bình năm. 4.3. Biên độ nhiệt độ. - Biên độ nhiệt độ ngày là sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong ngày (đo theo nhiệt kế khô). 0 Atháng = tmax - tmin( C) - Biên độ nhiệt độ năm là sự chênh lệch nhiệt độ giữa tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất với tháng có nhiệt độ trung bình thấp nhất trong năm. 0 Anăm= ttmax - ttmin( C) 4.4. Nhiệt độ hữu hiệu. 43
46. Nhiệt độ hữu hiệu là nhiệt độ thực tế mà cây trồng sử dụng được. Nhiệt độ hữu hiệu (thh) được tính bằng công thức: thh = ttb - b trong đó: ttb là nhiệt độ trung bình của giai đoạn. b là giới hạn thấp sinh vật học. Đối với mỗi loại cây trồng khác nhau, trong mỗi giai đoạn sống khác nhau chúng có một giới hạn thấp nhất về nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ đó là nhiệt độ tối thấp sinh vật học. - Tổng nhiệt độ hữu hiệu là tổng nhiệt độ thực tế cây trồng sử dụng trong một giai đoạn sống nào đó hoặc cho cả chu kỳ sống. t hh ttb n.b trong đó: n là số ngày của giai đoạn sống nào đó của cây b là giới hạn tối thấp sinh vật học,  ttb là tổng tích ôn. Ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau thì giới hạn tối thấp sinh vật học cũng không giống nhau. Chẳng hạn như đối với cây lúa giai đoạn: - Từ gieo đến đẻ nhánh:130-150C - Đẻ nhánh-làm đốt: 170-180 C - Làm đốt-trổ: 200-220C. - Chín: 230-240C. 4.5. Tổng tích ôn (tổng nhiệtNTTULIB độ trung bình). Tổng tích ôn là tổng nhiệt độ trung bình của một mùa, một giai đoạn hay một chu kỳ sống của cây trồng. Tính tổng nhiệt độ theo công thức: t t1 t 2 t3 tn với t1, t2, tn là nhiệt độ trung bình của ngày thứ nhất, thứ hai, , và ngày thứ n. Có thể tính tổng tích ôn theo công thức:  t n.t trong đó: t là nhiệt độ trung bình của giai đoạn cần xác định tổng tích ôn n là số ngày của giai đoạn đó. 44
47. Chỉ tiêu này dùng để đánh giá tài nguyên khí hậu của một vùng hoặc để xác định nhu cầu nhiệt của cây. Đây cũng là chỉ tiêu hết sức quan khối để phân vùng khí hậu nông nghiệp. 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đối với sản xuất nông nghiệp Nhiệt độ không khí là một trong những yếu tố rất quan khối quyết định quá trình sinh trưởng phát triển và năng suất, phẩm chất cây trồng. Trong điều kiện nhiệt độ không khí thích hợp, thực vật sinh trưởng phát triển tốt, cho năng suất, phẩm chất tốt. Nhiệt độ không khí ngoài khoảng thích hợp sẽ tác động bất lợi đến đời sống của cây trồng. Đối với một quá trình sống của thực vật có 3 khoảng nhiệt độ không khí cần lưu ý: - Nhiệt độ tối thấp sinh vật học: là nhiệt độ thấp mà tại đó cây trồng ngừng sinh trưởng. Nếu nhiệt độ thấp hơn giới hạn này tuỳ thuộc thời gian kéo dài hay ngắn, sự hạ thấp nhiệt độ nhiều hay ít cây trồng sẽ bị hại ít hay nhiều hoặc bị chết. - Nhiệt độ tối cao sinh vật học: là nhiệt độ cao mà tại đó các hoạt động sống của sinh vật bị ngừng lại. - Giới hạn nhiệt độ thích hợp: là khoảng nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tối thấp và thấp hơn nhiệt độ tối cao. Trong khoảng này, theo Vanhốp nếu nhiệt độ tăng lên 100C thì quá trình sống của thực vật sẽ tăng lên từ 1-2 lần. Mỗi loại cây trồng khác nhau ở mỗi giai đoạn sống khác nhau có giới hạn tối thấp sinh vật học khác nhau. Ví dụ: nhiệt độ tối thấp sinh vật học của cây lúa ở giai đoạn đầu là 130C, giai đoạn trổ bông là 20-220C. Đối với cây Ngô giai đoạn từ gieo đến mọc của một số giống là 13-140C, giai đoạn phun râu, trổ cờ là 16-170C. Nhiệt độ thấp làm cho hàm lượng nước trong nguyên sinh chất tế bào giảm đi, nồng độ dịch bào tăng lên, làm cho quá trình vận chuyển nước và chất dinh dưỡng trong cây bị cản trở gây ảnh hưởng đến quá trình sinh lý khác của cây. Nếu nhiệt độ xuống quá thấp dưới 00C NTTULIB nước trong không bào bị đóng băng gây hiện tượng co nguyên sinh chất, cây sẽ dần dần bị chết. Khả năng chịu rét của các loài khác nhau, thực vật ôn đới chịu rét tốt hơn so với thực vật vùng nhiệt đới và xích đạo. Đối với cây trồng nhìn chung thời kỳ cây non và thời kỳ ra hoa kết quả kém chịu rét hơn cả. Nếu vào thời kỳ này cây gặp rét kéo dài sẽ ảnh hưởng xấu đến năng suất và phẩm chất của cây trồng. Sau đợt rét nếu nhiệt độ tăng lên từ từ thì mức độ hại sẽ thấp hơn so với nhiệt độ tăng lên đột ngột. Hầu hết các loại cây trồng có nhiệt độ tối cao sinh học ở vào khoảng 35 - 400C. Dưới ảnh hưởng lâu dài của nhiệt độ cao thời gian sinh trưởng của cây trồng rút ngắn lại, sự phát dục không bình thường, thời gian sinh trưởng ngắn không đủ cho cây tích luỹ sản phẩm năng suất, dẫn tới năng suất kém. - Nhiệt độ cao xúc tiến quá trình thoát hơi nước của cây, nếu trong thời kỳ hạn sẽ làm cho cây thiếu nước và chết. 45
48. - Nhiệt độ cao làm tăng quá trình hô hấp của thực vật, làm giảm khả năng tích luỹ chất khô trong cây, dẫn tới năng suất và phẩm chất giảm. - Nhiệt độ cao ảnh hưởng xấu đến quá trình thụ phấn thụ tinh, thụ phấn của cây, làm giảm năng suất. - Trong điều kiện nhiệt độ cao kéo dài thì thời gian sinh trưởng của cây bị rút ngắn lại, cây sinh trưởng không bình thường sớm ra hoa, kết qủa. Dẫn đến ảnh hưởng năng suất, phẩm chất. Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến đời sống cây trồng như sau: Ở phần lớn các cây trồng, khi nhiệt độ không khí tăng lên 200C, quá trình sống tăng lên 1-2 lần; nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên quá 350C, các quá trình sống của thực vật sẽ bị yếu đi hoặc bị ngừng lại. Nếu trên 40-500 C, quá trình sống hầu như ngừng hẳn. 6. Những biện pháp sử dụng và cải thiện hợp lý nhiệt độ không khí phục vụ sản xuất nông nghiệp. a. Nghiên cứu nắm vững nhu cầu về nhiệt độ của các giống cây trồng khác nhau, trong từng giai đoạn khác nhau. Đánh giá nguồn tài nguyên về nhiệt của từng vùng, trong từng thời kỳ (trong vụ Đông Xuân, vụ hè Thu). Nghiên cứu tần suất xuất hiện những hiện tượng bất thường về nhiệt độ xảy ra ở từng vùng, trong từng thời kỳ (ảnh hưởng của chúng đối với mùa màng). Trên cở sở đó xác định thời vụ, phân vùng khí hậu nông nghiệp hợp lý để sử dụng một cách có hiệu quả nhất tài nguyên về nhiệt, đồng thời hạn chế những tổn thất về mùa màng do thời tiết gây ra. b. Cải tạo khí hậu đồng ruộng: Tuỳ từng trường hợp cụ thể, có thể nghiên cứu áp dụng một số các biện pháp kỹ thuật như: trồng rừng phòng hộ, trồng cây che bóng, che phủ mặt đất, làm đất, bố trí thời vụ, chăm sóc (tưới nước,NTTULIB bón phân, ). Ngoài ra cũng có thể sử dụng nhà kính, nhà lưới để điều tiết, cải tạo nhiệt độ không khí. - Trồng rừng phòng hộ: Biện pháp này có tác dụng hạn chế bớt tốc độ gió mùa Đông Bắc, gió khô nóng, bảo lốc có hại cho cây trồng. Sự ẩm hoá không khí do tác dụng của rừng phòng hộ làm cho nhiệt độ không khí mùa hè cũng như mùa đông đỡ căng thẳng, bằng biện pháp này có thể giảm nhiệt độ không khí vào thời kỳ mùa hè và tăng nhiệt độ không khí trong thời kỳ mùa đông. Rừng phòng hộ còn có tác dụng cải thiện độ ẩm cho đất, hạ thấp mạch nước ngầm đối với những vùng đất trũng, - Dùng biện pháp che phủ: Có thể che phủ bề mặt đất bằng rơm rạ, cỏ mục làm giảm phát xạ sóng ngắn vào ban ngày (giảm nhiệt độ không khí), tăng nhiệt độ không khí vào ban đêm làm cho 46
49. nhiệt độ đất trong mùa hè giảm đi từ 1- 40C, vào mùa đông ấm hơn từ 1-30C. Nhiệt độ đất được cải thiện sẽ có hiệu ứng đồng dạng, đồng pha đối với nhiệt độ không khí. Có thể trồng những loại cây họ đậu một năm như: đậu mèo, đậu rựa, hoặc những cây lâu năm như cây tràm hoa vàng, cây so đũa, Vừa có tác dụng cải tạo đất vừa điều hoà được chế độ nhiệt của không khí. - Sử dụng phương pháp trồng cây trong nhà kính: ở các nước có vĩ độ cao mùa đông lạnh có tuyết phủ muốn có hoa, rau quả tươi trong mùa đông phải trồng cây trong nhà kính. - Các biện pháp kỹ thuật canh tác Bón phân cho đất: bón phân đầy đủ và cân đối giữa các yếu tố đa lượng và vi lượng giúp cho cây trồng có sức đề kháng tốt với thời tiết bất lợi Thời vụ trồng thích hợp: có vai trò cực kỳ quan khối, cần xác định thời vụ trồng cho từng giống , ở từng vùng sinh thái khác nhau. Xác định thời vụ trồng chính xác là đặt cây trồng sinh trưởng trong khoảng thời gian an toàn nhất tránh được những thiên tai do thời tiết gây ra, không ảnh hưởng cây trồng trước và sau nó. Tưới nước cho đất, xới xáo đất, là những biện pháp điều hoà chế độ nhiệt của đất đồng thời cũng là biện pháp điều hoà chế độ nhiệt của không khí. NTTULIB 47