農(nóng)田小氣候理論探索

李明桃

（上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，上海 201702）

農(nóng)田小氣候理論探索

李明桃

（上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，上海 201702）

從介紹農(nóng)田小氣候的概念和農(nóng)田小氣候形成的機理出發(fā)，闡述了農(nóng)田小氣候的一般特征，分析了農(nóng)田技術(shù)措施小氣候效應，并論述了基于農(nóng)田小氣候的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施在園藝植物上的應用。

農(nóng)田小氣候；小氣候效應；形成機理

農(nóng)田小氣候是指農(nóng)田中作物層里形成的特殊氣候。農(nóng)田小氣候?qū)r(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量以及病蟲害都有很大的影響。由于各種作物群體結(jié)構(gòu)不同，植株間的光能分布、空氣溫濕度、風速、二氧化碳濃度和土壤溫濕度的特征均不同于裸露地，不同農(nóng)作物，不同植株密度、株距、行距、行向、不同生育期和葉面積大小等都能形成特定的小氣候。農(nóng)田小氣候既具有固有的自然特征，又是一種人工小氣候，人類可以通過其先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施（在間作套種、耕耙、灌溉、地膜覆蓋、增溫保墑劑等方面已取得明顯的效果）在一定程度上改變農(nóng)田小氣候。筆者探索農(nóng)田小氣候的目的是通過對農(nóng)田小氣候光能分布、空氣溫濕度、風速、二氧化碳等各農(nóng)業(yè)氣象要素的分布和變化特征的分析，尋找改善作物生長生態(tài)環(huán)境條件（即農(nóng)田小氣候條件）的措施，從而使這些小氣候條件有利于作物（包括園藝植物）的生長發(fā)育，來提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，及延長果樹、草坪禾草的生長與使用年限，旨在幫助人們認識農(nóng)田小氣候的氣象效應對作物（園藝植物）生長發(fā)育的影響。

1 農(nóng)田小氣候的概念和農(nóng)田小氣候形成的機理

1.1 農(nóng)田小氣候的概念

農(nóng)田小氣候是指農(nóng)田貼地氣層、土層與作物群體間的生物過程和物理過程相互作用所形成的一種局部氣候。這種局部氣候由土壤溫度和濕度、田間空氣溫度和濕度、貼地層與作物層的輻射、光照、風速和二氧化碳濃度等農(nóng)業(yè)氣象要素組成。這些農(nóng)業(yè)氣象要素存在差異，則會導致農(nóng)田小氣候出現(xiàn)差異。

1.2 農(nóng)田小氣候形成的機理

農(nóng)田小氣候是由農(nóng)田土壤-植物-大氣所構(gòu)成的連續(xù)體中各組部分之間物質(zhì)輸送和能量轉(zhuǎn)換的最終體現(xiàn)。在這個系統(tǒng)中，只有在適宜的小氣候條件下作物的生長發(fā)育才能良好，農(nóng)業(yè)技術(shù)措施作用才能充分發(fā)揮；而這些農(nóng)田小氣候也不是單方面作用的，農(nóng)田小氣候也受到作物的生長發(fā)育狀況和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的影響。農(nóng)田小氣候與作物的生長發(fā)育狀況和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施互為條件、互相制約，導致農(nóng)田小氣候形成和變化有其本身特有的物理學和生物學基礎(chǔ)。

1.2.1 物理學基礎(chǔ)。農(nóng)田輻射輸送和湍流交換并不是恒定不變的。隨著地點、時間、天氣條件及大氣物理狀況的不同，這兩者也會發(fā)生變化。農(nóng)田輻射輸送和湍流交換是導致農(nóng)田熱量平衡各分量相應改變，從而引起農(nóng)田小氣候變化的基本原因。農(nóng)田輻射輸送中有太陽輻射和大氣輻射等，這些輻射在輸送過程中形成的輻射收支差額，構(gòu)成農(nóng)田輻射的平衡，決定著農(nóng)田熱量平衡，并影響到農(nóng)田中多種農(nóng)業(yè)氣象要素的量值，包括空氣溫度與濕度，土壤溫度與濕度，以及二氧化碳濃度等。熱力和動力共同作用引起農(nóng)田湍流交換。熱力因素與動力因素共同存在，它們在小氣候形成過程中及植物生長過程中時刻交互作用，影響著小氣候效應及植物生長。但這2個因素作用的主導時期不同，一般在晴天的白晝，是熱力因素起主導作用，而在夜間和冷季有大風的陰天，則動力因素的作用占首位。農(nóng)田中的湍流交換不僅與大氣湍流有密切關(guān)系，更受到作物層中溫度和風的分布影響，而作物群體結(jié)構(gòu)還決定著湍流渦旋體的大小、形狀、強度。它對作物層中熱量、水汽、二氧化碳等的輸送起決定性作用。因為湍流的存在，其不同的結(jié)構(gòu)，導致作物層中的溫度、濕度、二氧化碳等分布存在特殊性。因為這些湍流存在動力，對農(nóng)田中的微粒如花粉、孢子和污染物質(zhì)等的輸送起到一定的作用。湍流動力的大小、方向等直接影響這些物質(zhì)的輸送。

1.2.2 生物學基礎(chǔ)。生物學基礎(chǔ)主要是指作物葉片空間散布的形成，它的變化對作物群體結(jié)構(gòu)中太陽光和輻射的透入量、空氣溫度和濕度等農(nóng)業(yè)氣象要素的鉛直分布（又稱鉛直廓線）有很大的影響。因為植物葉片空間散布不同，導致空間結(jié)構(gòu)存在差異，而不同種類的作物、不同的品種及不同的生長發(fā)育時期，植物的葉片面積、密度、空間排列等均不同，導致構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)有別，從而形成農(nóng)田小氣候的生物基礎(chǔ)。歸納起來可分隨機型、叢生型及規(guī)則型3種：①隨機型。葉片在作物群體均為隨機散布，其透光率與累計葉面積指數(shù)的關(guān)系完全服從指數(shù)衰減率。②叢生型。葉片在作物群體內(nèi)成叢、成條地分布，重疊較多。因為在葉面積恒定的情況下，重疊的葉片越多，群體中空隙比例越大，在空隙比例增大的情況下，陽光透過得越多，透光率增加，照射到地表的陽光增多，陽光損失較多。③規(guī)則型。又稱鑲嵌型。其特點是作物群體中的葉片相互插空生長，重疊程度減少。葉面積數(shù)量一定的情況下，重疊減少，葉片之間的空隙減少，陽光在被葉片層層吸收后，照射到地面的越少，即透過率降低，因此，陽光的利用率高。同一作物群體的葉片空間散布形成或往往隨著生長發(fā)育時期而有所變化。如大田作物苗期，因為作物葉片處于生長初期，葉片重疊較多，導致該期小氣候一般呈叢生型散布，而到了生育后期，隨著植物的生長，葉片分布發(fā)生變化，就可能變?yōu)殡S機型或規(guī)則型散布。在同一生育期內(nèi)，葉片在作物群體的上、中、下層的散布特征也不盡相同，尤其是不同的種植方式和栽培措施，在很大程度上影響到作物的對作物群體空間散布，最終對農(nóng)田小氣候的類型也影響很大。

2 農(nóng)田小氣候的一般特征

因農(nóng)田中作物不同，其形成的群體結(jié)構(gòu)及空間布局不同，導致農(nóng)田群體結(jié)構(gòu)中輻射、溫度、濕度、風和二氧化碳等農(nóng)業(yè)氣象要素存在差異，這些因素的變化反映了農(nóng)田小氣候的特征。在作物生長發(fā)育的盛期（如禾谷類作物小麥品種的抽穗期），因植株生長發(fā)育良好，葉片茂密，形成的結(jié)構(gòu)更為復雜，在這種情況下，由蒸騰作用、光合作用、呼吸作用等生物學過程所引起的作物與土壤，空氣之間的水汽、二氧化碳等物質(zhì)交換，以及作物層輻射能、熱能的能量轉(zhuǎn)化等物理學過程最為旺盛和突出，這種特征的反映往往更為典型。

2.1 農(nóng)田作物層中光和輻射

太陽光進入農(nóng)田作物層中，受到莖葉層層削弱，有些被吸收，有些被反射，部分透過第1層葉片，進入第2層之后又被反射和吸收，則導致作物莖葉對太陽光進行了多次反射和吸收，部分則經(jīng)過莖葉空隙直達地面。因為作物葉片密度有別，群體結(jié)構(gòu)也存在差異，導致透射的陽光強弱程度存在差異，而透射陽光的強弱又反過來影響作物的生長發(fā)育。

作物生長發(fā)育時期不同，其葉片分布、密度、面積等指標均存在差異。在作物生長發(fā)育的盛期，不同高度單位體積內(nèi)的莖葉表面積數(shù)量表現(xiàn)為上層多、下層少；上層莖葉密集，遮擋了大量直射光，阻止其透入下層。因為莖葉上層往往比下層密集，所以，莖葉對光能的削弱作用也是上層顯著，下層較差?？傒椛?、直輻射、漫射輻射的鉛直分布趨勢基本相似，都是從上往下遞減，并且都在開始時遞減緩慢，因為上層枝葉密集，對光的吸收明顯，所以該層光照遞減迅速，到了下層，因為葉片稀疏，對光照吸收減弱，所以導致該層光照遞減速度又減慢。太陽輻射又受到天氣、時間及地面高度等各種因素的影響，但晴天農(nóng)田各高度上太陽輻射的日變化基本一致，均為早晚弱、中午強；然而量值變化白天在各個高度都存在差異；高度越高，光照強度越大，反之則越小。

2.2 農(nóng)田作物層中的空氣溫度

空氣溫度不僅受到陽光輻射、湍流交換等的影響，作物群體結(jié)構(gòu)內(nèi)不同莖葉層透入太陽光輻射和湍流交換強弱對農(nóng)田作物層中空氣溫度的影響很大。在作物群體密度大的情況下，陽光照射到作物葉片上，葉片層層吸收，削弱了作物群體內(nèi)輻射，導致作物層內(nèi)白天的空氣溫度與裸地比較相對較低，夜間則相對較高。如作物密度不大或一般時，則在其對湍流的削弱作用大于對輻射的削弱情況下，作物層中的溫度在夜間就可能相對高一些。

2.2.1 作物生長發(fā)育初期和后期空氣溫度。作物生長發(fā)育初期和后期因作物莖葉生長情況、葉片密度、植株高度等指標均不同，導致空氣溫度在這2個時期均有獨特的特點。①在初期，作物莖矮、葉小，植株覆蓋面積少且分布稀疏，白天和夜間空氣溫度的鉛直分布幾乎與裸地一樣，即白天呈溫度由地面向上遞減的日射型分布，夜間呈溫度隨高度增加而相應上升的輻射型分布。②到作物成熟的生長發(fā)育后期，禾谷類（小麥、水稻等）作物莖葉枯黃，不僅莖葉密度降低，而且因為植物葉片老化，新生葉片減少，導致植物對陽光的吸收能力降低，同時植株蒸騰減弱，陽光透達地面，農(nóng)田空氣溫度的鉛直分布又幾乎恢復到生長初期的狀況。水平闊葉作物（如棉花地）的情況有所不同，白天空氣溫度鉛直分布廓線的最高點并不出現(xiàn)在地面，而是在植株頂部的葉面附近，夜間溫度廓線的最低點卻仍在地面。

2.2.2 作物生長發(fā)育盛期空氣溫度。作物生長發(fā)育盛期已封行，枝繁葉茂，對陽光的吸收能力很強，而且蒸騰作用也很強，形成小氣候的因子作用頻繁，溫度鉛直分布情況也較為復雜，白天和夜間溫度的分布曲線正好相反。在作物莖葉密集層的上部，即鄰近外活動面之外，因為白天陽光直接照射到密集的葉片上，獲得太陽輻射較多，而湍流較弱，蒸騰也較小，溫度鉛直廓線上的最高值就出現(xiàn)在這一部位。到了夜間，農(nóng)田冷空氣因沉降作用，不會停滯在作物頂部，而是往下沉降，但因為作物下部空氣受到作物的保護，導致冷空氣無法沉降到地面，而是積聚在作物層中某一高度上。

2.2.3 水田和旱地溫度差異。水田與旱地因為介質(zhì)不同，導致其表面溫度也存在差異。在水田中，白天鉛直分布也有一個溫度鉛直分布的最高點處在某高度上。這與旱地的分布特點一樣。在溫度鉛直分布最高點的高度以上，溫度鉛直分布趨勢呈日射型分布，但在此高度以下，由于水體蒸發(fā)耗熱和對太陽輻射的減弱作用，溫度呈輻射型分布，類似裸地夜間溫度分布情況。夜間，植株上層空氣雖然較冷，而貼近水面的空氣溫度仍較高，溫度鉛直分布的形式恰與白天相反，即下部呈日射型，上部略呈輻射型。

2.3 農(nóng)田中的空氣濕度

農(nóng)田蒸散和大氣濕度是影響農(nóng)田中空氣濕度狀況的2個因素。農(nóng)田蒸散包括土壤蒸發(fā)和植物蒸騰，土壤蒸發(fā)和植物蒸騰均受到溫度、空氣濕度等因子的影響。農(nóng)田作物層內(nèi)土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的水分，往往因為植株間湍流交換的減弱而不易散逸，所以裸空氣濕度一般高于田中。

2.3.1 絕對濕度。在植物蒸騰面不大，土壤或水面蒸發(fā)為農(nóng)田蒸散主要組成部分的情況下，農(nóng)田中絕對濕度的鉛直分布均呈白天隨離地面高度的增加而減少，夜間則隨高度而遞增的趨勢。在作物生長盛期，因為作物莖葉茂密，在這種情況下，植物葉片蒸騰作用旺盛，所以改期植物蒸騰在農(nóng)田蒸散中占主導地位，絕對濕度的鉛直分布就有變化。鄰近外活動面的部分，在白天主要蒸騰面，因而中午時分絕對濕度高；到了夜間，這一部位常有大量露和霜的出現(xiàn)，絕對濕度就低。

2.3.2 相對濕度。相對濕度既受到絕對濕度的影響，又受到溫度的影響。這兩者共同作用，使農(nóng)田中的相對濕度存在一定的變化規(guī)律。農(nóng)田中相對濕度的鉛直分布同樣受到這2個因素的影響。一般在作物生長發(fā)育初期，不論白天或黑夜，相對濕度都是隨著高度的升高而降低。到生長發(fā)育盛期，白天莖葉密集的外活動面附近相對濕度最高，地面附近次之；夜間外活動面和內(nèi)活動面的氣溫都較低，作物層中各高度相對濕度都接近。生育后期白天的情況和盛期相近，但夜間由于地面氣溫低，最大相對濕度又出現(xiàn)在這里。

2.4 農(nóng)田中的風速

作物群體結(jié)構(gòu)域植株密度是2個影響農(nóng)田風速的主要因子。群體茂盛、密度大，當風經(jīng)過農(nóng)田時，因植物群體對風的摩擦作用使農(nóng)田中的風速相對較小。從風速的水平分布看，風速由農(nóng)田邊行向農(nóng)田中部不斷減弱，最初減弱很快，以后減慢，到達一定距離后不再變化。從鉛直方向看，風速在作物層中莖葉稠密部位受到較大削弱，因為這部分莖葉對風的阻擋最大。頂部和下部莖葉稀少，形成的屏障相對較弱，對風的阻力不像莖葉稠密部位那樣強，所以風速較大；離邊行較遠地方的作物層下部風速較小。

2.5 農(nóng)田中的二氧化碳

農(nóng)田中的二氧化碳也受到多種因素的影響，農(nóng)田湍流交換強度、大氣中二氧化碳含量和土壤中釋放二氧化碳數(shù)量對農(nóng)田中的二氧化碳濃度都存在很大的影響。作物層內(nèi)二氧化碳濃度在葉面積密度最大層次附近為最低。因植物在光合作用下，吸收二氧化碳，產(chǎn)生氧氣，葉片面積密度較大的層次，說明葉片接收陽光面積較大，光合作用面積較大，對二氧化碳的吸收較多，使該層次二氧化碳濃度降低。在白天，農(nóng)田中二氧化碳由作物層上部向下和由地面向上輸送。

3 農(nóng)田技術(shù)措施小氣候效應

在自然條件下，要植物生長良好，需要適宜的小氣候環(huán)境，在適宜的小氣候條件下，各因子均有利于植物生長，在有利的生長環(huán)境中，植物枝葉茂盛；隨著葉片密度逐漸增加，導致群體結(jié)構(gòu)郁閉度增大，郁閉度只有在一定的限值下，才不會對植物產(chǎn)生不利影響，因為隨著郁閉度達到一定限度后，植物群體通風透光和溫濕度條件急劇變化，最終形成不利于植物生長的環(huán)境條件，導致植物生長發(fā)育受到抑制，降低植株的抗病蟲害能力，最終導致病蟲害滋生流行，而造成群體生長衰退、死亡。這種現(xiàn)象完全依賴農(nóng)田小氣候系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)和適應過程。農(nóng)田中作物群體的生育狀況則除自然條件外，同時還受農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的影響，通過調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候系統(tǒng)的某些環(huán)節(jié)，可以促進或延緩其中的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)化，從而改變由一定的大氣候條件和作物群體所造成的農(nóng)田小氣候，改善作物生育的生態(tài)環(huán)境條件。農(nóng)田（農(nóng)業(yè)）技術(shù)措施多種多樣，因而所產(chǎn)生的小氣候效應也因之而有差異。

圖1 上海郊區(qū)園藝場梨樹

4 基于農(nóng)田小氣候的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施在園藝植物上的應用

對于梨樹，在冬季休眠季節(jié)進行深翻，秋、冬季節(jié)給竹子小園林覆土施肥和草坪禾草在生育期（3—10月）的修剪工作等。這些農(nóng)業(yè)技術(shù)措施在園藝植物上應用的主要目的是可以延長園林植物生長與使用年限，或延長滿足人們生活與休閑需要的時期（圖1～2）。①梨樹在冬季休眠季節(jié)的深翻改土一般在果實采收后至落葉前（每年12月上旬）進行，方法有擴穴、全園深翻及隔行或株間深翻等，深度一般以30～ 35 cm為宜。深翻改土后，利用冬季的冰凍風化，0～ 30 cm的土層十分疏松，在翌年3—10月的生育期可以減輕梨輪紋病、蚜蟲等病蟲害的發(fā)生，有利于提高梨果的產(chǎn)量和品質(zhì)。②新栽的竹子種苗，為了實現(xiàn)大園林中的小園林目標，在每年的秋、冬季節(jié)（11月至12月底前），竹林必須覆蓋新鮮的黃泥土。覆蓋前，使用復合肥300 kg/hm2，可以增厚松土層，這樣方可在翌年春季3月下旬至5月上旬多發(fā)筍。③草坪禾草在生育期的3月下旬至10月中旬，尤其在5月至10月上旬，經(jīng)過了修剪、踐踏或滾壓以后，草坪禾草營養(yǎng)器官的再生長能力很強。通過修剪或刈割，可以促進草坪禾草分蘗，增加草坪的密集度、平整度和彈性，并能延長草坪的使用壽命。④種植在土壤寬壟（作）上的茄子、豇豆、大白菜等大宗蔬菜品種（圖3）。壟上

圖2 上海郊區(qū)園藝場枇杷樹

圖3 上海郊區(qū)蔬菜基地

疏松的土壤表土在降水多時（如盛夏季節(jié)的7月至9月上旬的臺風暴雨時）的時期對排泄田間徑流，降低土壤濕度有較大作用。在天氣（氣候）相對干旱時期，土壤表層的土壤濕度相對較低，下層卻保持較多的水分，且濕度較高。前者可以減輕茄子黃萎病、豇豆炭疽病及大白菜軟腐病等主要病害的發(fā)生，后者則有利于這些蔬菜品種的生長，上述二者均可以較大幅度地提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

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（責任編輯 張楊林）

Theoretical Exploration on Field Microclimate

LI Ming-tao(Qingpu District Comprehensive Agricultural Service Center of Xujing Town in Shanghai City, Shanghai 201702)

Starting from introducing the concept and formation mechanism of farmland microclimate,the general characteristics of farmland microclimate were elaborated.The microclimate effects of farmland technical measures were analyzed.Moreover,the application of agricultural technology measures on horticultural plants based on the field microclimate was discussed.

Field microclimate;Microclimate effects;Formation mechanism

S162.4

A

2095-0896（2014）12-027-04

李明桃（1950-），男，上海人，農(nóng)藝師，從事農(nóng)作物種子引進與推廣、農(nóng)業(yè)科技入戶示范工程及測土配方施肥研究。

2014-12-10