农田小气候

拼音：nóng tián xiǎo qì hòu

 农田贴地气层、土层与作物群体之间的物理过程和生物过程相互作用所形成的小范围气候环境。常以农田贴地气层中的辐射、空气温度和湿度、风、二氧化碳以及土壤温度和湿度等农业气象要素的量值表示。是影响农作物生长发育和产量形成的重要环境条件。研究农田小气候的理论及其应用，对作物的气象鉴定，农业气候资源的调查、分析和开发,农田技术措施效应的评定,病虫害发生滋长的预测和防治，农业气象灾害的防御以及农田环境的监测和改良等，均有重要意义。

 研究概况

早在20世纪初期，就有人结合生产实际测定农田和森林中的小气候，取得一些零散资料。1927年R.盖格尔所著《近地气候》一书出版。以后，农田小气候研究取得了多方面的进展。苏联学者Ю.K.罗斯所著《辐射状况与植被结构》一书和A.C.杜波夫等人所著《植被中的湍流》一书，在农田辐射状况和农田湍流的研究上具有代表意义。同时在农田辐射平衡、农田热量平衡和农田边界层等方面也取得不少理论成果。英国人J.L.蒙蒂思主编的《植被与大气》一书从植物生态学角度进行探讨，对农田小气候问题的阐述尤为全面。50年代以后，各种测试手段日益进步，测试的精度和分辨率不断提高，电子计算机的应用，又为模拟农田小气候和作物反应提供了新的可能性，推动了研究工作的拓宽和深入。农田小气候作为一门独立学科虽然尚待进一步发展完善，但它的理论和方法已愈益被人们所关注，并在农业生产中发挥越来越大的作用。

机理

农田小气候是农田土壤-植物-大气所构成的连续体(或称 SPA系统)中各组成部分之间物质输送和能量转换的最终体现。在这个连续体(或系统)中，作物的生长发育和农业技术措施作用的充分发挥，需要有适宜的农田小气候条件;同时，作物的生长发育状况和农业技术措施也反过来影响农田小气候。它们互为条件、互相制约。这就决定了农田小气候形成和变化有其本身特有的物理学和生物学基础。

物理学基础 农田辐射输送和湍流交换两者因地、因时、因天气条件和大气物理状况而发生的变化，是导致农田热量平衡各分量相应改变，从而引起农田小气候变化的基本原因。参与农田辐射输送的有太阳辐射和大气辐射的各种辐射形式，在输送过程中不同形式的辐射收支差额,构成农田辐射平衡,相应地决定了农田热量平衡，并影响到农田中的空气温度与湿度、土壤温度与湿度，以及二氧化碳浓度等多种农业气象要素的量值。农田湍流交换的起因是热力和动力共同作用的结果。一般在晴天的白昼，是热力因素起主导作用，而在夜间和冷季有大风的阴天，则动力因素的作用占首位。农田中的湍流交换，不仅与大气湍流有密切关系，更与作物层中的温度和风的分布息息相关，而其中涡旋体的大小、形状、强度还决定于作物群体结构的特点。它对作物层中热量、水汽、二氧化碳等的输送，起决定性作用。不同的湍流结构，可形成作物层中温度、湿度(见空气湿度、土壤湿度)、二氧化碳(见二氧化碳与农业)等分布的特殊性。此外，湍流交换对农田微粒如花粉、孢子和污染物质等的输送也有重要影响。

生物学基础 主要指作物叶片空间散布的形式，它的变化对作物群体结构中太阳光和辐射的透入量、空气温度和湿度等农业气象要素的铅直分布(又称铅直廓线)有很大影响。作物的种类、品种、生长发育时期和生长状况各异，所构成的作物层叶面积密度和空间排列状况不同，叶面积的空间散布形式也就不一。归纳起来可分3种：①随机型。叶片在作物群体中均匀随机地散布,其透光率与累计叶面积指数的关系，完全服从指数衰减率。凡叶片个体面积小而植株占地面积大的群体，往往接近随机型散布，如苜蓿、三叶草等。②丛生型。叶片在作物群体内成丛成条地分布，重叠较多。对一定数量的叶面积而言，重叠越多则群体中空隙比例越大，透光率也就相应增加，阳光损失较多。许多农作物生长前期的叶片分布多属此种类型。例如宽垄条播的蔬菜就呈丛生型散布特征。③规则型，又称镶嵌型。其特点是作物群体中的叶片相互插空生长，重叠程度减少，对于一定数量的叶面积而言，重叠少，空隙比例就小。因而透光率比前两者都小。自然界中有些叶面积指数终生都很小的植物群体，往往具规则型散布特征，以便充分利用太阳光能。西瓜、草莓等的叶片分布即属此类。

同一作物群体的叶片空间散布形式往往随着生长发育时期而有所变化。如大田作物在苗期，一般呈丛生型散布，而到了生育后期就可能变为随机型或规则型散布。在同一生育期内，叶片在作物群体的上、中、下层的散布特征也不尽相同，尤其是不同的种植方式和栽培措施，对作物群体空间散布的影响很大。

一般特征

错综复杂的农田小气候常通过农田中不同作物群体结构内辐射、温度、湿度、风和二氧化碳等农业气象要素的变化反映其主要特征。在作物生长发育的盛期(如谷类作物的抽穗期)，这种特征的反映往往更为典型。这是因为作物群体结构、农田活动层及其边界层到这时才得到充分发展，因而由蒸腾作用、光合作用、呼吸作用等生物学过程所引起的作物与土壤、空气之间的水汽、二氧化碳等物质交换，以及作物层辐射能、热能的能量转化等物理学过程，最为旺盛和突出。

光和辐射 太阳光进入农田作物层中，受到茎叶层层削弱,有些被吸收，有些被反射，部分透过第1层叶片，进入第 2层之后又被反射和吸收，部分则经过从茎叶空隙直达地面。作物茎叶对太阳光能进行多次反射和吸收。透射的强弱程度与作物本身的生育状况和群体结构有关，后者也反过来影响作物的生长发育。

在作物生长发育的盛期，不同高度上单位体积内的茎叶表面积数量表现为上层多、下层少;上层茎叶密集，遮挡了大量的直射光透入下层。茎叶对光能的削弱作用，也是上层显著，下层较差。总辐射、直接辐射和漫射辐射的铅直分布趋势基本相似，都是从上往下递减，并且都在开始时递减缓慢，通过枝叶密集的作物群体上层时递减迅速，到了下层递减速度又减慢。晴天农田各个高度上太阳辐射的日变化基本一致，均为早晚弱而中午强;但是量值变化白天在各个高度上却存在差异;高度越高光照强度越大，反之则越小。

温度 农田作物层中的空气温度，主要决定于作物群体结构内不同茎叶层透入太阳辐射和湍流交换(影响水汽和热量输送)强弱的对比关系。在作物群体密度大的情况下，由于作物群体内辐射被削弱，作物层内白天的空气温度与裸地比较相对较低，夜间则相对较高。如作物密度不大，则在其对湍流的削弱作用大于对辐射的削弱作用情况下，作物层中的温度在夜间就可能相对高些。由于不同作物和不同生育期农田小气候的物理学和生物学基础不一，农田上温度的铅直分布情况有相当的差异。

生长发育初期和后期 在初期，作物茎矮叶小，植株覆盖面积少且分布稀疏，白天和夜间空气温度的铅直分布几乎与裸地一样，即白天呈温度由地面向上递减的日射型分布，夜间呈温度随高度增加而相应上升的辐射型分布。到作物成熟的生长发育后期，禾谷类作物茎叶枯黄，阳光透达地面，植株蒸腾减弱，农田空气温度的铅直分布又几乎回复到生长发育初期的状况。水平阔叶作物(如棉花地)的情况有所不同，白天空气温度铅直分布廓线的最高点并不出现在地面，而是在植株顶部的叶面附近，夜间温度廓线的最低点却仍在地面。

生长发育盛期 这一时期,作物封行,枝繁叶茂，形成小气候的因子变化频繁，温度铅直分布情况也较为复杂，白天和夜间温度的分布曲线正好相反。在作物茎叶密集层的上部，亦即邻近外活动面之外，白天获得太阳辐射热量较多,而湍流较弱，蒸腾也较小,温度铅直廓线上的最高值就出现在这一部位。到了夜间，农田冷空气既不能停滞在作物顶部，也不会下沉到作物保护下的地面，而是积聚在作物层中某一高度上。这一高度既是作物层上表面下沉的冷空气汇集之处，又是株间空气受作物本身辐射最显著的地方。其温度是铅直廓线上的最低值，其向上、向下的温度都是递增的。白天农田内温度廓线上的最低值大多出现在茎叶密集层内，这是因为这个部位所得到的热量本来就不如上层多，且大量也消耗在作物蒸腾上，用于提高空气温度的热量相对较少。出现最高值和最低值的部位，一般都有位移现象，即随着植株高度和密度两者的增加相应抬升。

温度在水田上的分布情况和旱地有异。这种差别在贴近水面的气层内，表现得最为明显。在水田中，白天铅直分布的特点同旱地一样，也有一个温度铅直分布的最高点处在某高度上。在此高度以上，温度铅直分布趋势同旱地基本相似，也呈日射型分布，但在此高度以下，由于水体蒸发耗热和对太阳辐射的减弱作用，温度呈辐射型分布，类似裸地夜间温度分布情况。夜间，植株上层空气虽然较冷，而贴近水面的空气温度仍较高，温度铅直分布的形式恰与白天相反，即下部呈日射型，上部略呈辐射型。

湿度 农田中的空气湿度状况主要取决于农田蒸散(即土壤蒸发和植物蒸腾之和)和大气湿度两个因素。农田作物层内土壤蒸发和植物蒸腾的水汽，往往因为株间湍流交换的减弱而不易散逸，故与裸地比较农田中的空气湿度一般相对较高。

绝对湿度 绝对湿度铅直分布情况同温度近似。在植物蒸腾面不大、土壤或水面蒸发为农田蒸散主要组成部分的情况下，农田中绝对湿度的铅直分布，均呈白天随离地面高度的增加而减少，夜间则随高度而递增的趋势。在作物生长发育的盛期，作物茎叶密集，植物蒸腾在农田蒸散中占主导地位，绝对湿度的铅直分布就有变化。邻近外活动面的部位，在白天是主要蒸腾面，因而中午时分绝对湿度高;到了夜间，这一部位常有大量的露和霜出现，绝对湿度就低。

相对湿度 农田中相对湿度的铅直分布比较复杂，它取决于绝对湿度和温度。一般在作物生长发育初期，不论白天和夜间，相对湿度都是随高度的升高而降低。到生长发育盛期，白天在茎叶密集的外活动面附近，相对湿度最高，地面附近次之;夜间外活动面和内活动面的气温都较低，作物层中各高度上的相对湿度都很接近。生长发育后期白天的情况和盛期相近，但夜间由于地面气温低，最大相对湿度又出现在这里。

水田中湿度铅直分布相对比较简单，不论白天和夜间绝对湿度都随高度增加而降低;相对湿度在白天和绝对湿度的分布一致，夜间则相反。

风 农田中的风速与作物群体结构的植株密度关系很大。由于植株阻挡，摩擦作用使农田中的风速相对较小。从风速的水平分布看，风速由农田边行向农田中部不断减弱，最初减弱很快，以后减慢，到达一定距离后不再变化。从铅直方向看，风速在作物层中茎叶稠密部位受到较大削弱;顶部和下部茎叶稀少，风速较大;离边行较远的地方的作物层下部风速较小。

二氧化碳 农田二氧化碳的状况，决定于农田湍流交换强度、大气中二氧化碳含量和土壤释放二氧化碳数量 3方面的因素。作物层内二氧化碳浓度在叶面积密度最大层次附近为最低。在白天，农田二氧化碳由作物层上部向下和由地面向上输送。

农田技术措施小气候效应

在自然条件下，小气候适合植物生长发育要求时植物长势良好，枝叶茂盛;但群体结构郁闭度也随之增大，达到一定限度后，通风透光和温湿度条件急剧恶化，植物生长发育受到抑制，病虫害随之滋生流行，常造成群体衰退、死亡。这种现象完全依赖 SPA系统的内部调节和适应过程。农田中作物群体的生育状况则除自然条件外，同时还受农业技术措施的影响,通过调节农田SPA系统中的某些环节，可以促进或延缓其中的物质交换和能量转化，从而改变由一定的大气候条件和作物群体所形成的农田小气候，改善作物生育环境。农田技术措施多种多样，所产生的小气候效应也因之而异。

耕作效应 耕作措施包括翻耕、镇压和垄作等，主要是通过改变土壤表面和根分布层的土壤状况使土壤热特性和水文特性发生变化,影响土壤热量和水分交换,从而调节土壤温度和湿度。

翻耕 翻耕使表土疏松，反射率降低，吸收辐射量增加，土壤孔隙度增大，空气含量增多，土壤热容量和导热率趋小，从而使土壤和近地面层空气温度变化剧烈。其对温度的影响，随季节和昼夜的变化而有不同。一般是白天温度高而夜间低,日较差大。白天或温暖季节,热量积集表层，因而翻耕影响的那一层温度相对较高，下层则较低。夜间或寒冷季节，由于翻耕地土壤深层向表层传递的热量相对较少，因而表层温度也较低，而深层则较高。这表明翻耕所引起的效应，在低温时间里是表层降温，深层增温;在高温时间里则是表层增温，深层降温。翻耕影响的土层厚度，常因土壤种类、土壤含水量、翻耕深度和土壤疏松程度等的差别而异。一般是温暖季节的白天增温层厚度比寒冷季节的大，而寒冷季节的夜间降温层厚度比温暖季节的大。

翻耕的湿度效应，在较干旱的情况下，主要是通过切断或减弱土层内的毛管联系，使下层土壤水分向上输送减少，减弱土表蒸发，从而使土表形成干土层，抑制土壤水分消耗，土壤下层湿度相对增大。在湿润状态下，翻耕影响层的土壤湿度比其下层大，透水性和持水能力都强;与未翻耕地相比，在一定的时间内翻耕层的土壤湿度相对较高。

镇压 镇压的小气候效应恰与翻耕相反。它使土壤紧密，土壤容重和毛管持水量增加，土壤的热容量、导热率都随之增大,因而土壤热交换的日总量相对较高,土壤温度变幅减少。这样在低温时期能保温，在高温时期则能降温，并可使土壤表层水分增加，从而有利于作物生长。

垄作 由于垄上土壤疏松，土壤水分不易上升，土壤表层变干，蒸发量减少，热容量减小，辐射增热和冷却都更加剧烈，因而土壤温度的日较差变大。一般在高温时段可起增温作用，在低温时段起降温作用。垄上疏松的土壤表层在降水多的时期对排泄田间径流、降低土壤湿度也有较大作用。土壤表层的土壤湿度虽相对较低，下层却保持了较多的水分，湿度相对较高。垄向、垄高和垄面倾角的温度效应随日照时数、太阳辐射总量以及纬度和季节的不同而有相应的变化。在白天，一般南北垄的温度高于东西垄;南北垄的东侧和西侧温度无甚差别，而东西垄的南侧温度高于北侧。此外，垄作还可改善光照和通风条件。

种植方式效应 种植方式包括种植行向和密度、间作套种等。不同的种植方式主要通过不同的作物群体结构，改变农田辐射输送和湍流交换，从而产生不同的小气候效应。

行向 作物种植行向不同，植株间的日照时数、状况也有差异。从春分到夏至，日出和日没的太阳方位角，随纬度增高而愈偏北，日照时间愈长，东西行向的日照时数相对多于南北行向;而从秋分到冬至，太阳日出和日没的方位角随纬度增高而愈偏南，日照时间愈短，沿南北行向的日照时数相对多于东西行向。种植行向的热效应，高纬度地区比低纬度地区要显著得多。行向还影响通风条件。为改善株间的农田温、湿度和二氧化碳等的分布，宜使行向与作物生长发育关键时期的盛行风向接近。

密度 种植密度影响辐射平衡、湍流交换和蒸发耗热。随着种植密度的增加，株间辐照度降低，风速减小，二氧化碳供应趋少;温度在白天或暖季随密度增加而降低,在夜间或冷季则升高。密度增加,农田消耗水分就多，土壤水分减少;而株间空气湿度则因农田蒸散增强、湍流交换减弱而增加。同一密度下的株行距变化，也可产生小气候效应。如宽窄行可改善株间透光通风条件，使空气温度提高，空气湿度降低等。

间作套种 间作套种的农田中，不同作物的株高、株型、叶型均不相同，形成高低搭配、疏密相间的群体结构，扩大了光合面积。矮秆作物生长的行间，也就是高秆作物透光的通道，光线可直射到高秆作物的中、下部。矮秆作物的叶面反射，还可增加作物群体中的漫射辐射。太阳斜射时，侧边叶片受光面积大，株行间的漏光和反射光减少,使上、下层受光均匀,减少了上“饱”下“饥”的矛盾。同时，高秆作物对矮秆作物有遮荫作用，使后者受光相对欠缺;但在中午时分光照度过强时，高秆作物的光合作用减弱，矮秆作物却可获得十分有利的光合作用条件。在高纬度地区，套种对于延长作物生长季节，提高光能和耕地利用率更具实际意义。合理的间作套种，能增加边行效应，加强株间的湍流交换，从而改善通风条件，保证二氧化碳的供应。春季麦田套种棉花时，上茬作物(麦株)可为下茬作物(棉苗)挡风防寒。起一定的保护作用。间作套种也会引起农田温度和湿度的改变。当高秆作物对矮秆作物产生显著的遮荫作用时，矮秆作物带、行中的温度偏低而湿度偏高，并会随带、行间距的缩小而加剧(见套作)。

灌溉效应 灌溉后地面反射率降低，太阳辐射收入增多，土壤表面蒸发耗热剧烈，从而使贴地气层和土层中的温度梯度和湍流交换减弱。同时，土壤水分的增加，使土壤的热容量和导热率增大，而土壤热通量显著减小，温度的日较差也随之变小。因而，在白天和温暖季节灌溉，可产生降温作用;而在夜间和寒冷季节，则可产生增温效应。灌溉的温度效应,温暖季节在白天较明显,寒冷季节在夜间较明显。经灌溉的农田在白天也可能出现逆温现象。灌溉效应除受地区、季节、昼夜、天气条件影响外，还与灌溉方法、灌溉面积、灌溉量和土壤状况有很大关系。一般灌溉面积越大、土壤越疏松、土色越浅、天气条件越是持续晴朗干燥，则效应越显著。灌溉的温度效应也受灌溉水温的制约,生产上可根据需要,利用水源温度的变化来调节农田温度。