KHÍ TƯỢNG NÔNG NGHIỆP ( Đặng Thị Hồng Thủy - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội ) - CHƯƠNG 6 doc

CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VỚI CÔNG CỤ SẢN XUẤT VÀ ĐỘNG VẬT NI Sự tích lũy tiến khoa học kỹ thuật ngày tăng sản xuất nông nghiệp cho phép làm giảm thiệt hại mùa màng trồng tăng sản lượng động vật nuôi Tận dụng tối đa điều kiện khí tượng nơng nghiệp thuận lợi, nhiên liệu, nguyên liệu cho công nghiệp, khắc phục tượng thiên nhiên bất ổn định bất lợi để tăng sản phẩm lương thực, thực phẩm nhiệm vụ quan trọng khí tượng nơng nghiệp 6.1 Ảnh hưởng điều kiện khí tượng nơng nghiệp hoạt động máy móc nơng nghiệp nơng cụ Điều kiện khí tượng nơng nghiệp thay đổi liên tục tác động đến hoạt động máy móc nơng nghiệp nông cụ sản xuất, chúng tạo bất ổn định vận hành, làm tăng tiêu phí nhiên liệu, làm giảm suất chất lượng hiệu công việc Các tượng thời tiết gây ảnh hưởng đến hoạt động loại máy liên hợp cịn phụ thuộc vào loại máy móc Bức xạ mặt trời: đánh giá ảnh hưởng xạ mặt trời đến kỹ thuật nông nghiệp phức tạp Người ta nhận rằng, máy móc kim loại thời tiết nắng nóng, nhiệt độ đạt đến 60oC, cịn nhiệt độ bình thường 18oC Hiệu số nhiệt độ sắt nhiệt độ khơng khí đạt tới 50oC Bức xạ mặt trời gây tượng quang hóa máy móc nơng nghiệp nơng cụ Độ đàn hồi phủ, lớp sơn chịu tác động phần phổ lượng cực tím từ mặt trời Nhiệt độ, tỷ khối khơng khí gây ảnh hưởng lên sức kéo động cơ, lên tiêu hao nhiên liệu tốc độ hoạt động máy móc Để bảo tồn sức kéo nhiệt độ điều kiện khí tượng thay đổi cần phải làm giảm tăng vòng quay động Khi nhiệt độ khơng khí thay đổi từ -40oC đến 40oC, tiêu hao xăng giảm 20 - 30% Xăng bị tiêu hao vào mùa đông thường lớn vào mùa hè cần nhiên liệu để làm nóng động bị lạnh Độ nhớt mỡ bôi trơn chịu ảnh hưởng lớn nhiệt độ khơng khí Chúng xác định khả mỡ xâm nhập vào 75 động độ nhớt để máy móc hoạt động Khi nhiệt độ thấp, độ nhớt mỡ động độ bôi trơn chúng giảm Độ ẩm không khí: độ ẩm khơng khí tăng gây ảnh hưởng xấu cho bảo quản máy móc nơng cụ, định khả hoạt động máy móc xử lý phần đất bề mặt đồng ruộng Máy gặt cỏ, máy gặt máy liên hợp nhạy cảm với độ ẩm khơng khí Để tính hiệu suất hoạt động máy liên hợp, người ta dùng phương trình: W = 1,27.d + 7,5 (6.1) W- hiệu suất hoạt động máy liên hợp, tấn/ngày; d - độ hụt ẩm khơng khí, hPa Nhiệt độ đất ảnh hưởng lên hoạt động máy nông nghiệp Khi cày, bừa, xới đất đào bới đất làm cho tỷ khối lớp đất bề mặt thay đổi Do tỷ khối đất xác định đặc tính lý nhiệt đất nên cày cuốc đất ảnh hưởng lên chế độ nhiệt đất Độ ẩm đất: độ ẩm lớp đất bề mặt xác định điều kiện di chuyển móc nối phần dẫn động máy nơng cụ, độ ẩm lớp đất sâu ảnh hưởng lên khả liên kết riêng đất Hệ số liên kết phụ thuộc vào thành phần học độ ẩm đất Khi tăng lượng nước đất, lực liên kết phần tử đất với thay đổi Trạng thái lỏng đất trồng thường có độ ẩm lớn, khả chứa nước mao quản lớn Trong trạng thái này, máy móc nông cụ bị ngập bị đất lỏng bám vào, thực tế chúng khơng hoạt động đất ln trạng thái nhơm nhớp dính vào bánh xe phần khác nông cụ Khi đất chuyển sang trạng thái mềm dẻo, tức khe hở lịng đất chứa nước máy móc bắt đầu hoạt động Verigơ S.A Radumơva L.A giới hạn trạng thái đất mềm dẻo liên quan đến độ hụt ẩm tối đa sau: (6.2) Wm = 1,28.Wa + 9,9 Wm - giới hạn trạng thái mềm dẻo, %; Wa - độ hụt ẩm tối đa, % đất khô tuyệt đối Đất tiếp tục làm khô, lúc mà nước chứa mao dẫn mỏng nơi tiếp giáp phần tử đất, liên kết 76 phần tử đất tăng, đất chuyển sang trạng thái rắn Trong trạng thái máy móc nơng cụ hoạt động tốt Độ ẩm đất mà độ mềm dẻo giảm liên quan đến độ hụt ẩm tối đa sau: (6.3) Wr = 0,72.Wa + 2,1 Wr - giới hạn thấp trạng thái rắn, % Như vậy, để hiệu suất hoạt động tốt máy móc nơng cụ chỉnh lý bề mặt đất độ ẩm đất phải dao động khoảng giá trị đó: từ độ ẩm nhỏ (khả chứa nước lớn tầng đất mà khơng tính đến ảnh hưởng nước ngầm) đến độ hụt ẩm tối đa Khi độ ẩm đất vượt khoảng giá trị chất lượng hiệu suất hoạt động máy móc nơng cụ xấu nhiều đất bị chuyển sang trạng thái nhơm nhớp lỏng Khi độ ẩm đất nhỏ khoảng giá trị - đất bị chuyển sang trạng thái rắn Giáng thủy: mưa, máy móc nơng cụ hoạt động vơ khó khăn Khi đó, đất, trồng bề mặt máy móc bị ướt, làm giảm điều kiện hoạt động chất lượng làm việc Zubarep N.A mưa 15 - 45 phút, mà lượng mưa nhỏ 5mm khơng ảnh hưởng đến máy móc nơng cụ Nếu mưa - lượng mưa - 5mm, hoạt động máy móc khó khăn Khi mưa mạnh lâu hơn, công việc nhà nông phức tạp phải dừng lại Gió: gió làm nguội bề mặt nóng máy móc Khi vận tốc gió 15m/giây, lượng nhiệt làm nguội máy móc tỏa mơi trường ngồi tăng - lần Khi chúng khơng gây làm nguội máy móc mà cịn gây cản hoạt động theo chiều ngược gió 6.2 Cán cân nhiệt động vật Điều kiện nhiệt môi trường ảnh hưởng trực tiếp lên khả sống động vật Tất trình sinh lý động vật chịu tác động điều kiện nhiệt Chúng ảnh hưởng rõ lên trao đổi chất, nhu cầu ăn uống, hoạt động sinh sản Sự trao đổi chất trình sống động vật trùng với trao đổi nhiệt thể với môi trường xung quanh Phương trình cán cân nhiệt gần động vật viết sau 77 (theo Iarosepsky B.A ,1968): (6.4) W = TL + BHD + Q + LEP + LED + C đó: W - nhiệt sinh thái; TL - dòng nhiệt qua bề mặt lông; BHD - xạ hiệu dụng (mất nhiệt xạ ); Q - dòng nhiệt rối bề mặt thể lớp khơng khí gần mặt đất; LEP - nhiệt lượng bốc từ bề mặt quan hô hấp động vật (L - nhiệt hóa hơi; EP - bốc từ bề mặt quan hô hấp); LED - nhiệt lượng bốc từ bề mặt thể động vật (ED - bốc từ bề mặt động vật ); C - nhiệt lượng để làm nóng khơng khí thở Ở đây, C Q tổng nhiệt chu kỳ thời gian Khi đó, W thường dương, tất đại lượng lại dương chúng lượng nhiệt tiêu hao Dòng nhiệt lớp lông phủ xác định hai yếu tố: gradient nhiệt độ độ dẫn nhiệt lông trạng thái tự nhiên Hiệu nhiệt độ bề mặt lông bề mặt da lớn, lớp lông phủ mỏng lượng nhiệt mà bề mặt da nhận nhiều Ban đêm vào mùa hè, nhiệt độ bề mặt lơng khác so với nhiệt độ khơng khí xung quanh thường xuyên nhỏ nhiều so với nhiệt bề mặt da, lớp lơng phủ dịng nhiệt có hướng từ bề mặt da tới bề mặt lông tỏa nhiệt mơi trường xung quanh Ban ngày, lượng xạ bề mặt hoạt động lông hấp thụ, chuyển thành nhiệt làm tăng nhiệt độ bề mặt lên tới 60 -70oC Trong điều kiện này, dòng nhiệt lớp lơng phủ hướng từ bề mặt nóng lơng đến bề mặt da, tạo thành nhiệt ngoại sinh Cường độ dịng nhiệt lớp lơng phủ tính sau: T 'L = λ θL − θD h (6.5) đó, θL - nhiệt độ bề mặt lông; 78 θD - nhiệt độ bề mặt da; λ - hệ số tỷ lệ; h - độ dài sợi lông Bức xạ hiệu dụng (BHD ) trao đổi nhiệt rối (Q) khác phần riêng biệt bề mặt thể cừu, mà lớp lơng phủ khơng gây cản trở dòng xạ dòng rối từ bề mặt da (tai, hàm phần đuôi) Bề mặt khơng có lơng phủ đóng vai trị quan trọng trình trao đổi nhiệt thể với mơi trường ngồi Bức xạ hiệu dụng trao đổi nhiệt rối yếu tố quan trọng tham gia vào thay đổi trạng thái nhiệt bề mặt tác động Bức xạ hiệu dụng từ bề mặt da khơng có lơng phủ mơ tả sau: BHD = BoHD + (k.σ.θ4HĐ - k.σ.θ4) B đó, BHD - xạ hiệu dụng; BoHD - xạ hiệu dụng trời quang mây, khơng tính đến hiệu nhiệt độ bề mặt hoạt động khơng khí ; k - hệ số đặc trưng cho chênh lệch xạ từ bề xét từ bề mặt vật đen tuyệt đối; (6.6) mặt σ - số Stephan-Boshman; θHĐ - nhiệt độ bề mặt hoạt động; θ - nhiệt độ khơng khí Nhiệt độ bề mặt hoạt động thể cừu khác nhiều so với nhiệt độ khơng khí xung quanh, đặc biệt vào ban đêm Có nghĩa bề mặt có dịng trao đổi nhiệt mạnh phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ bề mặt hoạt động khơng khí, phụ thuộc vào tốc độ gió Để tính cường độ dịng nhiệt Buđưcơ M.I (1956) đưa phương trình biểu diễn mối liên quan trao đổi nhiệt với hiệu nhiệt độ bề mặt thể nóng (hoặc lạnh) khơng khí: Q = ρ.Cp.D0-200.(θhđ - θ) (6.7) đó, ρ - tỷ khối khơng khí bề mặt đất; Cp - nhiệt dung riêng không khí; 79 D0-200 - hệ số khuyếch tán bên ngồi ( phụ thuộc vào đặc tính chuyển động rối thẳng đứng bề mặt hoạt động khí ); θhđ - nhiệt độ bề mặt hoạt động; θ - nhiệt độ khơng khí Lượng nước tiêu hao động vật thở (sự bốc từ bề mặt quan hơ hấp) tính theo biểu thức sau: Ep = Δq.Vm (6.8) Δq - chênh lệch nước khơng khí thở hít vào Vm - khối lượng khơng khí qua quan hô hấp sau đơn vị thời gian Vận tốc bốc từ bề mặt da tính theo phương trình sau: Ed = ρ.D’(qd - qo) (6.9) đây, D’ - hệ số khuyếch tán lớp lông phủ; mặt qd, qo - nước bề mặt da thú lớp khơng khí gần đất Cùng với dòng nhiệt sống từ thể bốc từ bề mặt quan hô hấp, khơng khí thở cần lượng nhiệt để nóng lên ượng nhiệt C tỷ lệ thuận với khối lượng khơng khí thở Vm hiệu nhiệt độ khơng khí bên ngồi khơng khí qua quan hô hấp động vật Δθ sau đơn vị thời gian sau: C = Cp.Δθ.Vm (6.10) Vai trị lớp lơng phủ trao đổi nhiệt bề mặt lông thú da thú bảng 6.1 Ban đêm, nhiệt tiêu hao qua lớp lông phủ 22% tổng lượng nhiệt thể động vật Nhiệt độ bề mặt da thú thay đổi giới hạn không lớn (mùa hè, giữ da nhiệt độ 39oC, cịn bề mặt lớp lông phủ thường chịu dao động lớn, ban đêm mùa hè nhiệt độ tương đương nhiệt độ khơng khí, ban ngày vào ngày mặt trời chiếu sáng rõ đạt tới 60 73oC chí tới 78-85oC Khi nhiệt độ mơi trường ngồi cao, dịng nhiệt hướng từ bề mặt lông tới thể động vật Kết xuất dòng nhiệt ngoại sinh (tỷ lệ nghịch với độ mây phủ vận tốc gió) Nhiệt từ bề mặt 80 da khơng có lơng phủ chủ yếu phát tán hữu hiệu truyền nhiệt rối Khoảng 6-7% lượng nhiệt thể toả dùng cho phát tán hữu hiệu, cán cân nhiệt khơng có vai trị lớn Sự trao đổi nhiệt rối phụ thuộc vào vận tốc gió vận tốc gió 1,4m/giây, khoảng 3-6% lượng nhiệt tổng cộng toả Cường độ trao đổi nhiệt cán cân nhiệt tăng lên nhiệt độ khơng khí giảm tốc độ gió tăng Lượng nhiệt cần thiết dùng làm nóng khơng khí khơng lớnvà dao động khoảng 3-6% Đặc biệt vào ngày nóng lượng nhiệt khơng đáng kể Bảng 6.1 Cán cân nhiệt thể cừu lông tơ mỏng điều kiện lưu thông nhiệt tốt (Iarôplepsky, 1964) Các thành phần cán cân Ban đêm Ban ngày W/m2 % W/m2 % 108,7.104 100 108,7.104 88 - 15,5.104 12 108,7.104 100 124,2.104 100 Lượng nhiệt tiêu hao qua lớp lông phủ 24,2.104 22 - - Bức xạ hiệu dụng 7,8.104 6,9.104 Trao đổi nhiệt rối 6,3.104 2,9.104 Bốc từ bề mặt quan hô hấp 18,5.104 17 27,5.104 23 Làm nóng khơng khí thở 6,5.104 2,7.104 Sự bốc từ thể 45,1.104 42 77,6.104 66 nhiệt Nhiệt hấp thụ Phần nhiệt đo Nhiệt ngoại sinh Toàn nhiệt hấp thụ - Nhiệt tiêu hao 81 Điều kiện khí tượng Cán cân xạ, W/m2 -41,8 515,8 Nhiệt độ khơng khí, oC 21,2 32,6 Vận tốc gió, m/s 1,2 1,4 Trong cán cân nhiệt thể cừu, nhiệt lượng tiêu hao để bốc từ bề mặt thể lớn, điều kiện nhiệt độ mơi trường ngồi cao nhiệt lượng dành cho bốc từ bề mặt thể chiếm 42-46% lượng nhiệt tiêu hao; bốc từ bề mặt quan hô hấp khoảng 17-23% 6.3 Nhu cầu lượng động vật Nhu cầu động vật thức ăn phải đảm bảo yếu tố sau (theo Khanin M.A., Dorman N.L., 1978): Nhu cầu lượng cho tiêu thụ nhiệt môi trường xung quanh; Nhu cầu lượng dành cho thể hoạt động; Nhu cầu lượng gắn với bảo tồn hoạt tính tối thiểu quan động vật trạng thái nghỉ ngơi; Nhu cầu chất gắn với sinh trưởng thể nuôi dưỡng hệ sau; Nhu cầu chất gắn với trì tế bào Chúng ta xét nhu cầu lượng dành cho tỏa nhiệt môi trường, nhu cầu lượng động vật trạng thái nghỉ ngơi đói: (6.11) W = Ko.s.(TS - Te) Trong đó, W - công suất nhiệt thể; S - diện tích bề mặt thể động vật; TS - nhiệt độ trung bình bề mặt thể động vật; Te - nhiệt độ mơi trường ngồi; Ko - hệ số tỏa nhiệt 6.4 Mơ hình hố ảnh hưởng môi trường lên sản lượng động vật Chúng ta khảo sát ảnh hưởng điều kiện tự nhiên vào mùa hè lên sản lượng cừu Trên sở mơ hình động lực sản lượng cừu (Gringơp I.G., 82 Đanhielơp C.A.,1988) đưa phương trình cân lượng sinh học, phương trình biểu diễn thơng qua chuyển hóa nhu cầu lượng tổng cộng động vật trình phát triển từ nhu cầu thức ăn: P.Cp.ϕp = W0+W1+W2+W3+W4=ΣWi (6.12) đây, P - khối lượng thức ăn động vật địi hỏi; Cp - dung lượng calo riêng trung bình thức ăn; ϕp - hệ số hấp thụ thức ăn; Wo - trao đổi cá thể; W1 - lượng dùng để giữ nhiệt độ động vật không đổi thay đổi nhiệt độ môi trường ; nạp W2 - công suất nhiệt động vật dùng để hoạt động học thức ăn vào thể ; W3 - lượng dùng cho hiệu ứng calo; thể W4 - công suất nhiệt dành cho trình sinh trưởng cá Trong trình sinh trưởng phát triển động vật, phần lượng khác sử dụng (như lượng dùng để phát triển lông) so sánh với dạng lượng W0,W1,W2,W3 W4 khơng đáng kể tính tốn bị loại trừ W4 tính sau: W4 = Co dm η dτ (6.13) dm/dτ - thay đổi khối lượng cá thể sau thời gian τ; Co - dung lượng calo riêng trung bình cá thể; η - hệ số giảm lượng sinh trưởng tế bào Cho Co = const, đại lượng η hàm vận tốc sinh trưởng xác định thực nghiệm Lúc đó: Co dm = p.C p ϕ p − (W0 + W1 + W2 + W3 ) η dτ dm η = pC p ϕ p − (W0 + W1 + W2 + W3 dτ Co [ (6.14) ] (6.15) Dựa vào phương trình (6.15) xác định động lực thay đổi khối lượng thể động vật q trình sống Wo chi phí lượng cừu trạng thái nghỉ ngơi sau đơn vị thời gian 83 chuyển thành khối lượng thể động vật Do Wo cơng suất nhiệt động vật tạo điều kiện khơng có tác động calo đồ ăn tác động ngoại sinh Wo xác định theo phương trình: Wo=χ(P)0,75 (6.16) đây, χ - số đặc trưng cho loài động vật; P - khối lượng động vật W1 - lượng chi phí cho động vật để điều tiết nhiệt Tính học điều tiết nhiệt để trì nhiệt độ thể động vật không thay đổi đảm bảo cho toả nhiệt thể bốc từ quan hô hấp; để phân chia nguồn nhiệt từ bề mặt thể động vật; để trì khả dẫn nhiệt lớp lông phủ tán xạ hữu hiệu; trao đổi nhiệt rối da, lớp lông phủ khơng khí Iaropsep V.A (1968) đưa số phương pháp đánh giá tác động điều kiện khí tượng lên trao đổi nhiệt dùng phương trình cán cân xạ cán cân nhiệt Sự trao đổi nhiệt cừu gồm thành phần sau: (6.17) W1 = TL + EHH + Q + LEdv + LEth + C TL - dòng nhiệt lớp lông phủ; EHH - tán xạ hữu hiệu; Q - trao đổi rối; L - nhiệt hoá hơi; Edv - lượng nước bốc từ bề mặt thể động vật; Eth - lượng nước bốc từ bề mặt quan hơ hấp; C - nhiệt làm nóng khơng khí thở động vật Ngồi đảm bảo trao đổi nhiệt công suất nhiệt cần cho bảo toàn nhiệt độ thể động vật không thay đổi, động vật tỏa lượng lượng để vận động ăn uống Công suất nhiệt cần thiết để cừu vận động hấp thụ đồ ăn W2 tính theo cơng thức sau (theo Germogenop M.I., PolevôI A.N., Gringôp I.G., 1987): W2 = dv.Ψw.P.l.Kp.η/lb Trong đó: dv - khoảng cách tâm khối lượng di chuyển theo chiều thẳng đứng (6.18) 84 bước; Ψw - tham số đặc trưng cho sức cản môi trường; l - khoảng cách mà động vật ngày; Kp - hệ số đặc trưng cho địa hình; lb - độ dài bước; η - hệ số tác động có ích bắp Khoảng cách mà cừu ngày hàm trạng thái sở thức ăn gia súc yếu tố thời tiết Chúng ta cho υmax - vận tốc chuyển động lớn cừu điều kiện thời tiết thuận lợi tỷ trọng thức ăn trung bình; ngày i bất kỳ, vận tốc chuyển dịch trung bình υi xác định sau: υi = k1.υmax (6.19) đây: k1 - hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng điều kiện thời tiết vận tốc dịch chuyển cừu Do vận tốc dịch chuyển cừu thời gian cho ăn lớn khác với vận tốc trung bình ngày mà thời gian cho ăn nhỏ nhất, tính k hàm số phụ thuộc vào tăn (tăn - thời gian ăn ban ngày) tăn thể đặc tính thời tiết ngày đó; tác động điều kiện thời tiết nóng, động vật vào ban ngày ăn chu kỳ thời gian ngắn chuyển sang ăn ban đêm υmax tính theo cơng thức: υmax = k2.Vmax (6.20) đây, Vmax - vận tốc dịch chuyển lớn động vật điều kiện thời tiết thuận lợi lượng thức ăn đầy đủ; k2 - hệ số tính đến phụ thuộc vào tỷ trọng đồ ăn Các hàm số k1(tăn) k2(y) xác định theo thực nghiệm Nếu đặt k1.k2 = kυ (6.19) có dạng: υi = kυ Vmax (6.21) Khi lượng thức ăn cần thiết là: P = υ’.y kυ Vmax tăn (6.22) đó, υ’ - hệ số sử dụng sở thức ăn gia súc; y - tỷ trọng thức ăn 85 Lượng lượng cần thiết cho hiệu ứng calo động vật tính sau: (6.23) W3 = kw.Wo đây, kw - tham số đặc trưng cho phần thay đổi chất sang tác động calo 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Đức Hạnh, Đoàn Văn Điếm, Nguyễn Văn Viết 1997 Lý thuyết khai thác hợp lý nguồn tài ngun Khí hậu nơng nghiệp Nhà xuất nơng nghiệp Hà nội Trần Đức Hạnh, Văn Tất Tuyên, Đồn Văn Điếm, Trần Quang Tộ 1997 Giáo trình Khí tượng nông nghiệp Nhà xuất nông nghiệp Hà nội Phạm Ngọc Tồn, Phan Tất Đắc 1975 Khí hậu Việt nam Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà nội Yêu Trẩm Sinh 1968 Nguyên lý khí tượng nơng nghiệp Nhà xuất Nha Khí tượng Khí hậu nhiệt đới ẩm Đông Nam Á 1982 FAO/UNESCO/WMO Interagency project on agroclimatology 87 ... đồ ăn Các hàm số k1(tăn) k2(y) xác định theo thực nghiệm Nếu đặt k1.k2 = kυ (6 .1 9) có dạng: υi = kυ Vmax (6 .2 1) Khi lượng thức ăn cần thiết là: P = υ’.y kυ Vmax tăn (6 .2 2) đó, υ’ - hệ số sử... (hoặc lạnh) khơng khí: Q = ρ.Cp.D 0-2 00 .(? ?hđ - ? ?) (6 . 7) đó, ρ - tỷ khối khơng khí bề mặt đất; Cp - nhiệt dung riêng khơng khí; 79 D 0-2 00 - hệ số khuyếch tán bên ngồi ( phụ thuộc vào đặc tính chuyển... nguồn tài ngun Khí hậu nơng nghiệp Nhà xuất nông nghiệp Hà nội Trần Đức Hạnh, Văn Tất Tun, Đồn Văn Điếm, Trần Quang Tộ 1997 Giáo trình Khí tượng nơng nghiệp Nhà xuất nơng nghiệp Hà nội Phạm Ngọc