农田小气候理论探索

李明桃

（上海市青浦区徐泾镇农业综合服务中心，上海 201702）

农田小气候理论探索

李明桃

（上海市青浦区徐泾镇农业综合服务中心，上海 201702）

从介绍农田小气候的概念和农田小气候形成的机理出发，阐述了农田小气候的一般特征，分析了农田技术措施小气候效应，并论述了基于农田小气候的农业技术措施在园艺植物上的应用。

农田小气候；小气候效应；形成机理

农田小气候是指农田中作物层里形成的特殊气候。农田小气候对农作物的生长发育和产量以及病虫害都有很大的影响。由于各种作物群体结构不同，植株间的光能分布、空气温湿度、风速、二氧化碳浓度和土壤温湿度的特征均不同于裸露地，不同农作物，不同植株密度、株距、行距、行向、不同生育期和叶面积大小等都能形成特定的小气候。农田小气候既具有固有的自然特征，又是一种人工小气候，人类可以通过其先进的农业技术措施（在间作套种、耕耙、灌溉、地膜覆盖、增温保墒剂等方面已取得明显的效果）在一定程度上改变农田小气候。笔者探索农田小气候的目的是通过对农田小气候光能分布、空气温湿度、风速、二氧化碳等各农业气象要素的分布和变化特征的分析，寻找改善作物生长生态环境条件（即农田小气候条件）的措施，从而使这些小气候条件有利于作物（包括园艺植物）的生长发育，来提高作物的产量和质量，及延长果树、草坪禾草的生长与使用年限，旨在帮助人们认识农田小气候的气象效应对作物（园艺植物）生长发育的影响。

1 农田小气候的概念和农田小气候形成的机理

1.1 农田小气候的概念

农田小气候是指农田贴地气层、土层与作物群体间的生物过程和物理过程相互作用所形成的一种局部气候。这种局部气候由土壤温度和湿度、田间空气温度和湿度、贴地层与作物层的辐射、光照、风速和二氧化碳浓度等农业气象要素组成。这些农业气象要素存在差异，则会导致农田小气候出现差异。

1.2 农田小气候形成的机理

农田小气候是由农田土壤-植物-大气所构成的连续体中各组部分之间物质输送和能量转换的最终体现。在这个系统中，只有在适宜的小气候条件下作物的生长发育才能良好，农业技术措施作用才能充分发挥；而这些农田小气候也不是单方面作用的，农田小气候也受到作物的生长发育状况和农业技术措施的影响。农田小气候与作物的生长发育状况和农业技术措施互为条件、互相制约，导致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。

1.2.1 物理学基础。农田辐射输送和湍流交换并不是恒定不变的。随着地点、时间、天气条件及大气物理状况的不同，这两者也会发生变化。农田辐射输送和湍流交换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。农田辐射输送中有太阳辐射和大气辐射等，这些辐射在输送过程中形成的辐射收支差额，构成农田辐射的平衡，决定着农田热量平衡，并影响到农田中多种农业气象要素的量值，包括空气温度与湿度，土壤温度与湿度，以及二氧化碳浓度等。热力和动力共同作用引起农田湍流交换。热力因素与动力因素共同存在，它们在小气候形成过程中及植物生长过程中时刻交互作用，影响着小气候效应及植物生长。但这2个因素作用的主导时期不同，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，更受到作物层中温度和风的分布影响，而作物群体结构还决定着湍流涡旋体的大小、形状、强度。它对作物层中热量、水汽、二氧化碳等的输送起决定性作用。因为湍流的存在，其不同的结构，导致作物层中的温度、湿度、二氧化碳等分布存在特殊性。因为这些湍流存在动力，对农田中的微粒如花粉、孢子和污染物质等的输送起到一定的作用。湍流动力的大小、方向等直接影响这些物质的输送。

1.2.2 生物学基础。生物学基础主要是指作物叶片空间散布的形成，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）有很大的影响。因为植物叶片空间散布不同，导致空间结构存在差异，而不同种类的作物、不同的品种及不同的生长发育时期，植物的叶片面积、密度、空间排列等均不同，导致构成的空间结构有别，从而形成农田小气候的生物基础。归纳起来可分随机型、丛生型及规则型3种：①随机型。叶片在作物群体均为随机散布，其透光率与累计叶面积指数的关系完全服从指数衰减率。②丛生型。叶片在作物群体内成丛、成条地分布，重叠较多。因为在叶面积恒定的情况下，重叠的叶片越多，群体中空隙比例越大，在空隙比例增大的情况下，阳光透过得越多，透光率增加，照射到地表的阳光增多，阳光损失较多。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。叶面积数量一定的情况下，重叠减少，叶片之间的空隙减少，阳光在被叶片层层吸收后，照射到地面的越少，即透过率降低，因此，阳光的利用率高。同一作物群体的叶片空间散布形成或往往随着生长发育时期而有所变化。如大田作物苗期，因为作物叶片处于生长初期，叶片重叠较多，导致该期小气候一般呈丛生型散布，而到了生育后期，随着植物的生长，叶片分布发生变化，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，在很大程度上影响到作物的对作物群体空间散布，最终对农田小气候的类型也影响很大。

2 农田小气候的一般特征

因农田中作物不同，其形成的群体结构及空间布局不同，导致农田群体结构中辐射、温度、湿度、风和二氧化碳等农业气象要素存在差异，这些因素的变化反映了农田小气候的特征。在作物生长发育的盛期（如禾谷类作物小麦品种的抽穗期），因植株生长发育良好，叶片茂密，形成的结构更为复杂，在这种情况下，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，这种特征的反映往往更为典型。

2.1 农田作物层中光和辐射

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，则导致作物茎叶对太阳光进行了多次反射和吸收，部分则经过茎叶空隙直达地面。因为作物叶片密度有别，群体结构也存在差异，导致透射的阳光强弱程度存在差异，而透射阳光的强弱又反过来影响作物的生长发育。

作物生长发育时期不同，其叶片分布、密度、面积等指标均存在差异。在作物生长发育的盛期，不同高度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，遮挡了大量直射光，阻止其透入下层。因为茎叶上层往往比下层密集，所以，茎叶对光能的削弱作用也是上层显著，下层较差。总辐射、直辐射、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，因为上层枝叶密集，对光的吸收明显，所以该层光照递减迅速，到了下层，因为叶片稀疏，对光照吸收减弱，所以导致该层光照递减速度又减慢。太阳辐射又受到天气、时间及地面高度等各种因素的影响，但晴天农田各高度上太阳辐射的日变化基本一致，均为早晚弱、中午强；然而量值变化白天在各个高度都存在差异；高度越高，光照强度越大，反之则越小。

2.2 农田作物层中的空气温度

空气温度不仅受到阳光辐射、湍流交换等的影响，作物群体结构内不同茎叶层透入太阳光辐射和湍流交换强弱对农田作物层中空气温度的影响很大。在作物群体密度大的情况下，阳光照射到作物叶片上，叶片层层吸收，削弱了作物群体内辐射，导致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。如作物密度不大或一般时，则在其对湍流的削弱作用大于对辐射的削弱情况下，作物层中的温度在夜间就可能相对高一些。

2.2.1 作物生长发育初期和后期空气温度。作物生长发育初期和后期因作物茎叶生长情况、叶片密度、植株高度等指标均不同，导致空气温度在这2个时期均有独特的特点。①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。②到作物成熟的生长发育后期，禾谷类（小麦、水稻等）作物茎叶枯黄，不仅茎叶密度降低，而且因为植物叶片老化，新生叶片减少，导致植物对阳光的吸收能力降低，同时植株蒸腾减弱，阳光透达地面，农田空气温度的铅直分布又几乎恢复到生长初期的状况。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。

2.2.2 作物生长发育盛期空气温度。作物生长发育盛期已封行，枝繁叶茂，对阳光的吸收能力很强，而且蒸腾作用也很强，形成小气候的因子作用频繁，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，即邻近外活动面之外，因为白天阳光直接照射到密集的叶片上，获得太阳辐射较多，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，农田冷空气因沉降作用，不会停滞在作物顶部，而是往下沉降，但因为作物下部空气受到作物的保护，导致冷空气无法沉降到地面，而是积聚在作物层中某一高度上。

2.2.3 水田和旱地温度差异。水田与旱地因为介质不同，导致其表面温度也存在差异。在水田中，白天铅直分布也有一个温度铅直分布的最高点处在某高度上。这与旱地的分布特点一样。在温度铅直分布最高点的高度以上，温度铅直分布趋势呈日射型分布，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。

2.3 农田中的空气湿度

农田蒸散和大气湿度是影响农田中空气湿度状况的2个因素。农田蒸散包括土壤蒸发和植物蒸腾，土壤蒸发和植物蒸腾均受到温度、空气湿度等因子的影响。农田作物层内土壤蒸发和植物蒸腾的水分，往往因为植株间湍流交换的减弱而不易散逸，所以裸空气湿度一般高于田中。

2.3.1 绝对湿度。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。在作物生长盛期，因为作物茎叶茂密，在这种情况下，植物叶片蒸腾作用旺盛，所以改期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。邻近外活动面的部分，在白天主要蒸腾面，因而中午时分绝对湿度高；到了夜间，这一部位常有大量露和霜的出现，绝对湿度就低。

2.3.2 相对湿度。相对湿度既受到绝对湿度的影响，又受到温度的影响。这两者共同作用，使农田中的相对湿度存在一定的变化规律。农田中相对湿度的铅直分布同样受到这2个因素的影响。一般在作物生长发育初期，不论白天或黑夜，相对湿度都是随着高度的升高而降低。到生长发育盛期，白天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，作物层中各高度相对湿度都接近。生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。

2.4 农田中的风速

作物群体结构域植株密度是2个影响农田风速的主要因子。群体茂盛、密度大，当风经过农田时，因植物群体对风的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，因为这部分茎叶对风的阻挡最大。顶部和下部茎叶稀少，形成的屏障相对较弱，对风的阻力不像茎叶稠密部位那样强，所以风速较大；离边行较远地方的作物层下部风速较小。

2.5 农田中的二氧化碳

农田中的二氧化碳也受到多种因素的影响，农田湍流交换强度、大气中二氧化碳含量和土壤中释放二氧化碳数量对农田中的二氧化碳浓度都存在很大的影响。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。因植物在光合作用下，吸收二氧化碳，产生氧气，叶片面积密度较大的层次，说明叶片接收阳光面积较大，光合作用面积较大，对二氧化碳的吸收较多，使该层次二氧化碳浓度降低。在白天，农田中二氧化碳由作物层上部向下和由地面向上输送。

3 农田技术措施小气候效应

在自然条件下，要植物生长良好，需要适宜的小气候环境，在适宜的小气候条件下，各因子均有利于植物生长，在有利的生长环境中，植物枝叶茂盛；随着叶片密度逐渐增加，导致群体结构郁闭度增大，郁闭度只有在一定的限值下，才不会对植物产生不利影响，因为随着郁闭度达到一定限度后，植物群体通风透光和温湿度条件急剧变化，最终形成不利于植物生长的环境条件，导致植物生长发育受到抑制，降低植株的抗病虫害能力，最终导致病虫害滋生流行，而造成群体生长衰退、死亡。这种现象完全依赖农田小气候系统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，通过调节农田小气候系统的某些环节，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造成的农田小气候，改善作物生育的生态环境条件。农田（农业）技术措施多种多样，因而所产生的小气候效应也因之而有差异。

图1 上海郊区园艺场梨树

4 基于农田小气候的农业技术措施在园艺植物上的应用

对于梨树，在冬季休眠季节进行深翻，秋、冬季节给竹子小园林覆土施肥和草坪禾草在生育期（3—10月）的修剪工作等。这些农业技术措施在园艺植物上应用的主要目的是可以延长园林植物生长与使用年限，或延长满足人们生活与休闲需要的时期（图1～2）。①梨树在冬季休眠季节的深翻改土一般在果实采收后至落叶前（每年12月上旬）进行，方法有扩穴、全园深翻及隔行或株间深翻等，深度一般以30～ 35 cm为宜。深翻改土后，利用冬季的冰冻风化，0～ 30 cm的土层十分疏松，在翌年3—10月的生育期可以减轻梨轮纹病、蚜虫等病虫害的发生，有利于提高梨果的产量和品质。②新栽的竹子种苗，为了实现大园林中的小园林目标，在每年的秋、冬季节（11月至12月底前），竹林必须覆盖新鲜的黄泥土。覆盖前，使用复合肥300 kg/hm2，可以增厚松土层，这样方可在翌年春季3月下旬至5月上旬多发笋。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，经过了修剪、践踏或滚压以后，草坪禾草营养器官的再生长能力很强。通过修剪或刈割，可以促进草坪禾草分蘖，增加草坪的密集度、平整度和弹性，并能延长草坪的使用寿命。④种植在土壤宽垄（作）上的茄子、豇豆、大白菜等大宗蔬菜品种（图3）。垄上

图2 上海郊区园艺场枇杷树

图3 上海郊区蔬菜基地

疏松的土壤表土在降水多时（如盛夏季节的7月至9月上旬的台风暴雨时）的时期对排泄田间径流，降低土壤湿度有较大作用。在天气（气候）相对干旱时期，土壤表层的土壤湿度相对较低，下层却保持较多的水分，且湿度较高。前者可以减轻茄子黄萎病、豇豆炭疽病及大白菜软腐病等主要病害的发生，后者则有利于这些蔬菜品种的生长，上述二者均可以较大幅度地提高产量和品质。

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（责任编辑 张杨林）

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，农艺师，从事农作物种子引进与推广、农业科技入户示范工程及测土配方施肥研究。

2014-12-10