第三节 自然生产潜力

植物的生产量不是可以无限量提高的。它作为一个独立的系统，对其所输入的能量和物质（水及二氧化碳和其它化学元素），经过植物体本身的生理生化活动，最后变换为有机成分——碳水化合物，有它自身的特定规律。在这个过程中，它要受到许多固有的限制和许多不必要的限制，这些限制都不同程度地影响着植物生产潜力的发挥。本节所讨论的植物理论生产潜力， 就是撇开那些不必要的限制，讨论在固有限制下，植物所能获取的自然生产力。这种生产力就是植物生产力的上限。在本章一开始提出的，评价自然地理环境质量优劣的标准，即是现实的自然要素组合下的生物生产力，距离这个最大理论数值的大小来定的。我们将这个上限具体规定为：在良好的土壤环境中，在适宜生长的温度范围内，没有水分及养分的限制，有充足的二氧化碳供应，无病虫害及其它自然灾害的威胁等情况下，植物能够获取的最大生产力。显而易见，这种条件下的植物最大生产力，唯一的取决于植物的光合作用效率，也就是只受到所输入能量（包括数量和质量）的限制。

植物吸收的太阳辐射能量数值，在不同的波长范围内是不同的，特别是在叶子中，由于色素的差异、叶子的厚薄、含水量多少、叶子的年龄、所吸收的微量元素的差异等，均影响着它对于能量的吸收。以下是一般条件下的平均状况：

表 8.5 绿色叶子的光谱辐射成分

对于一个平均性状而言，太阳辐射能穿过绿色植物层的变化规律，自从五十年代初日本学者以及随后许多人的研究，已经基本上得到确认，穿过植物层的辐射能变化服从比耳定律，它类似于光线通过均匀介质（例如水）的状况，只是在选择消光系数上要视不同的植物类型作不同的调整。它呈现出明显的指数规律。

植物可以吸收到的能量，与其自身所能同化的能量，二者之间相差甚远。换言之，有相当大的一部分光能由于植物本身的生理、生态特点而损失了。按照最基本的光化学反应定则——爱因斯坦定律，每激活一个分子去参加反应，必须要使用一个量子。因此，每还原一克分子的反应物，就意味着需要一个“爱因斯坦”（能量单位）的量子值。一爱因斯坦单位的能量可表示成：

U = N hv = N 0 hc

0 λ

U——每激活一克分子反应物需从光能中吸收的量子能，如 果恰好符合 1

个量子激活 1 个分子时，那么 U 的单位就是 1 爱因斯坦（简称 1 爱）。N0—

—阿伏伽德罗常数，等于 6.02×10²³，即一克分子物质的分子数； h——普朗克常数；v——某种单色光的频率；λ——波长；c——光速。

上式稍加整理后，可以写成：

1.197 × 10¹⁶

U = λ

2.86 × 10⁸

λ

尔格 / 克分子 或等于

卡/ 克分子

由于光的波长不同，因此在可见光范围内，一爱的能量为 40840—70000 卡／克分子。我们经过一些简单的推算，在每一卡可见光中，平均包含有

18.04 微爱的量子能（1 爱=10⁶ 微爱）。因此，只要我们知道了供给植物的可见光能量是多少，就可以求得它的总量子能是多少。

这个总量子能穿过植物时，经过反射及透射的损失；经过植物非光合部分无效吸收的损失；再经过光化反应时量子效率的限制以及植物呼吸作用的消耗，最后才成为植物的净生产力。关于量子效率问题，至令仍未能有肯定的答案，国际上关于这方面的争论也时起时伏。因为根据爱因斯坦光化学定则，应当是一个量子活化一个分子，但这是理想条件下的数值。在绿色植物的光化反应中，大约激活一个分子需要 8—12 个量子，一般人倾向于取 10 个量子的值作为计算时的参考。

依照上述，我们可以将这些考虑放在一个综合表中。（如每日收入的太阳辐射能为 500 卡／厘米 ²，该数值基本上可以代表一般中纬地区的辐射收入状况），由此对植物最大生产力作一概略的估算：

表 8.6 植物最大生产力的估算

由以上的概算，绿色植物在其它环境条件都满足的条件下（当然同化面积也要适当），可产生 78 克的干物质。这相当于光能利用率达到 6％的水平。这是一个相当大的数字，目前全世界陆地植物实际产量的平均光能利用率， 不到 0.4％，理论数值超出实际的 10 倍到 20 倍以上。更有不少的计算数据报道，最高光能利用率达到 10％以上，这是由于所采用的参数不同的缘故， 这样与现实的生物生产力，相差就更大了。总之，目前对于植物的光能利用

率，已经有了一个大体范围的估计。它的求取，无疑对于理论和实际都具有很大的价值。

依据这种估算方法，即可以根据各个地区所获得的能量数值，去推定各地的最大生产力，用现实的生产力与理论生产力之比值，可以判定出自然环境的潜力发挥程度，同时，应用自然地理熵的动态变化，可以判定植物生产力的稳定程度，亦可判定自然地理质量演化的趋势。由理论生产力与现实生产力之差异，以及自然地理熵动态指标二者的综合，即可判定并预测出自然地理环境的质量优劣。这就是我们要寻求的结论。