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農田小氣候是農田貼地氣層、土層與作物群體之間的物理過程和生物過程相互作用所形成的小範圍氣候環境。

1 農田小氣候 -農田小氣候

 

2 農田小氣候 -正文

  農田貼地氣層、土層與作物群體之間的物理過程和生物過程相互作用所形成的小範圍氣候環境。常以農田貼地氣層中的輻射、空氣溫度和濕度、風、二氧化碳以及土壤溫度和濕度等農業氣象要素的量值表示。是影響農作物生長發育和產量形成的重要環境條件。研究農田小氣候的理論及其應用,對作物的氣象鑒定,農業氣候資源的調查、分析和開發,農田技術措施效應的評定,病蟲害發生滋長的預測和防治,農業氣象災害的防禦以及農田環境的監測和改良等,均有重要意義。
      

研究概況


  早在20世紀初期,就有人結合生產實際測定農田和森林中的小氣候,取得一些零散資料。1927年R.蓋格爾所著《近地氣候》一書出版。以後,農田小氣候研究取得了多方面的進展。蘇聯學者Ю.K.羅斯所著《輻射狀況與植被結構》一書和A.C.杜波夫等人所著《植被中的湍流》一書,在農田輻射狀況和農田湍流的研究上具有代表意義。同時在農田輻射平衡、農田熱量平衡和農田邊界層等方面也取得不少理論成果。英國人J.L.蒙蒂思主編的《植被與大氣》一書從植物生態學角度進行探討,對農田小氣候問題的闡述尤為全面。50年代以後,各種測試手段日益進步,測試的精度和解析度不斷提高,電子計算機的應用,又為模擬農田小氣候和作物反應提供了新的可能性,推動了研究工作的拓寬和深入。農田小氣候作為一門獨立學科雖然尚待進一步發展完善,但它的理論和方法已愈益被人們所關注,並在農業生產中發揮越來越大的作用。
        

機理


  農田小氣候是農田土壤-植物-大氣所構成的連續體(或稱 SPA系統)中各組成部分之間物質輸送和能量轉換的最終體現。在這個連續體(或系統)中,作物的生長發育和農業技術措施作用的充分發揮,需要有適宜的農田小氣候條件;同時,作物的生長發育狀況和農業技術措施也反過來影響農田小氣候。它們互為條件、互相制約。這就決定了農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。
  物理學基礎 農田輻射輸送和湍流交換兩者因地、因時、因天氣條件和大氣物理狀況而發生的變化,是導致農田熱量平衡各分量相應改變,從而引起農田小氣候變化的基本原因。參與農田輻射輸送的有太陽輻射和大氣輻射的各種輻射形式,在輸送過程中不同形式的輻射收支差額,構成農田輻射平衡,相應地決定了農田熱量平衡,並影響到農田中的空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度,以及二氧化碳濃度等多種農業氣象要素的量值。農田湍流交換的起因是熱力和動力共同作用的結果。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。農田中的湍流交換,不僅與大氣湍流有密切關係,更與作物層中的溫度和風的分佈息息相關,而其中渦旋體的大小、形狀、強度還決定於作物群體結構的特點。它對作物層中熱量、水汽、二氧化碳等的輸送,起決定性作用。不同的湍流結構,可形成作物層中溫度、濕度(見空氣濕度、土壤濕度)、二氧化碳(見二氧化碳與農業)等分佈的特殊性。此外,湍流交換對農田微粒如花粉、孢子和污染物質等的輸送也有重要影響。
  生物學基礎 主要指作物葉片空間散布的形式,它的變化對作物群體結構中太陽光和輻射的透入量、空氣溫度和濕度等農業氣象要素的鉛直分佈(又稱鉛直廓線)有很大影響。作物的種類、品種、生長發育時期和生長狀況各異,所構成的作物層葉面積密度和空間排列狀況不同,葉面積的空間散布形式也就不一。歸納起來可分3種:①隨機型。葉片在作物群體中均勻隨機地散布,其透光率與累計葉面積指數的關係,完全服從指數衰減率。凡葉片個體面積小而植株佔地面積大的群體,往往接近隨機型散布,如苜蓿、三葉草等。②叢生型。葉片在作物群體內成叢成條地分佈,重疊較多。對一定數量的葉面積而言,重疊越多則群體中空隙比例越大,透光率也就相應增加,陽光損失較多。許多農作物生長前期的葉片分佈多屬此種類型。例如寬壟條播的蔬菜就呈叢生型散布特徵。③規則型,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,對於一定數量的葉面積而言,重疊少,空隙比例就小。因而透光率比前兩者都小。自然界中有些葉面積指數終生都很小的植物群體,往往具規則型散布特徵,以便充分利用太陽光能。西瓜、草莓等的葉片分佈即屬此類。
  同一作物群體的葉片空間散布形式往往隨著生長發育時期而有所變化。如大田作物在苗期,一般呈叢生型散布,而到了生育後期就可能變為隨機型或規則型散布。在同一生育期內,葉片在作物群體的上、中、下層的散布特徵也不盡相同,尤其是不同的種植方式和栽培措施,對作物群體空間散布的影響很大。
      

一般特徵


  錯綜複雜的農田小氣候常通過農田中不同作物群體結構內輻射、溫度、濕度、風和二氧化碳等農業氣象要素的變化反映其主要特徵。在作物生長發育的盛期(如穀類作物的抽穗期),這種特徵的反映往往更為典型。這是因為作物群體結構、農田活動層及其邊界層到這時才得到充分發展,因而由蒸騰作用、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、二氧化碳等物質交換,以及作物層輻射能、熱能的能量轉化等物理學過程,最為旺盛和突出。
  光和輻射  太陽光進入農田作物層中,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層之後又被反射和吸收,部分則經過從莖葉空隙直達地面。作物莖葉對太陽光能進行多次反射和吸收。透射的強弱程度與作物本身的生育狀況和群體結構有關,後者也反過來影響作物的生長發育。

  在作物生長發育的盛期,不同高度上單位體積內的莖葉表面積數量表現為上層多、下層少;上層莖葉密集,遮擋了大量的直射光透入下層。莖葉對光能的削弱作用,也是上層顯著,下層較差。總輻射、直接輻射和漫射輻射的鉛直分佈趨勢基本相似,都是從上往下遞減,並且都在開始時遞減緩慢,通過枝葉密集的作物群體上層時遞減迅速,到了下層遞減速度又減慢。晴天農田各個高度上太陽輻射的日變化基本一致,均為早晚弱而中午強;但是量值變化白天在各個高度上卻存在差異;高度越高光照強度越大,反之則越小。
  溫度 農田作物層中的空氣溫度,主要決定於作物群體結構內不同莖葉層透入太陽輻射和湍流交換(影響水汽和熱量輸送)強弱的對比關係。在作物群體密度大的情況下,由於作物群體內輻射被削弱,作物層內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,則在其對湍流的削弱作用大於對輻射的削弱作用情況下,作物層中的溫度在夜間就可能相對高些。由於不同作物和不同生育期農田小氣候的物理學和生物學基礎不一,農田上溫度的鉛直分佈情況有相當的差異。

  生長發育初期和後期  在初期,作物莖矮葉小,植株覆蓋面積少且分佈稀疏,白天和夜間空氣溫度的鉛直分佈幾乎與裸地一樣,即白天呈溫度由地面向上遞減的日射型分佈,夜間呈溫度隨高度增加而相應上升的輻射型分佈。到作物成熟的生長發育後期,禾穀類作物莖葉枯黃,陽光透達地面,植株蒸騰減弱,農田空氣溫度的鉛直分佈又幾乎回復到生長發育初期的狀況。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佈廓線的最高點並不出現在地面,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。
  生長發育盛期  這一時期,作物封行,枝繁葉茂,形成小氣候的因子變化頻繁,溫度鉛直分佈情況也較為複雜,白天和夜間溫度的分佈曲線正好相反。在作物莖葉密集層的上部,亦即鄰近外活動面之外,白天獲得太陽輻射熱量較多,而湍流較弱,蒸騰也較小,溫度鉛直廓線上的最高值就出現在這一部位。到了夜間,農田冷空氣既不能停滯在作物頂部,也不會下沉到作物保護下的地面,而是積聚在作物層中某一高度上。這一高度既是作物層上表面下沉的冷空氣彙集之處,又是株間空氣受作物本身輻射最顯著的地方。其溫度是鉛直廓線上的最低值,其向上、向下的溫度都是遞增的。白天農田內溫度廓線上的最低值大多出現在莖葉密集層內,這是因為這個部位所得到的熱量本來就不如上層多,且大量也消耗在作物蒸騰上,用於提高空氣溫度的熱量相對較少。出現最高值和最低值的部位,一般都有位移現象,即隨著植株高度和密度兩者的增加相應抬升。

  溫度在水田上的分佈情況和旱地有異。這種差別在貼近水面的氣層內,表現得最為明顯。在水田中,白天鉛直分佈的特點同旱地一樣,也有一個溫度鉛直分佈的最高點處在某高度上。在此高度以上,溫度鉛直分佈趨勢同旱地基本相似,也呈日射型分佈,但在此高度以下,由於水體蒸發耗熱和對太陽輻射的減弱作用,溫度呈輻射型分佈,類似裸地夜間溫度分佈情況。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,溫度鉛直分佈的形式恰與白天相反,即下部呈日射型,上部略呈輻射型。
  濕度 農田中的空氣濕度狀況主要取決於農田蒸散(即土壤蒸發和植物蒸騰之和)和大氣濕度兩個因素。農田作物層內土壤蒸發和植物蒸騰的水汽,往往因為株間湍流交換的減弱而不易散逸,故與裸地比較農田中的空氣濕度一般相對較高。
  絕對濕度  絕對濕度鉛直分佈情況同溫度近似。在植物蒸騰面不大、土壤或水面蒸發為農田蒸散主要組成部分的情況下,農田中絕對濕度的鉛直分佈,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。在作物生長發育的盛期,作物莖葉密集,植物蒸騰在農田蒸散中佔主導地位,絕對濕度的鉛直分佈就有變化。鄰近外活動面的部位,在白天是主要蒸騰面,因而中午時分絕對濕度高;到了夜間,這一部位常有大量的露和霜出現,絕對濕度就低。
  相對濕度  農田中相對濕度的鉛直分佈比較複雜,它取決於絕對濕度和溫度。一般在作物生長發育初期,不論白天和夜間,相對濕度都是隨高度的升高而降低。到生長發育盛期,白天在莖葉密集的外活動面附近,相對濕度最高,地面附近次之;夜間外活動面和內活動面的氣溫都較低,作物層中各高度上的相對濕度都很接近。生長發育後期白天的情況和盛期相近,但夜間由於地面氣溫低,最大相對濕度又出現在這裡。
  水田中濕度鉛直分佈相對比較簡單,不論白天和夜間絕對濕度都隨高度增加而降低;相對濕度在白天和絕對濕度的分佈一致,夜間則相反。
  風 農田中的風速與作物群體結構的植株密度關係很大。由於植株阻擋,摩擦作用使農田中的風速相對較小。從風速的水平分佈看,風速由農田邊行向農田中部不斷減弱,最初減弱很快,以後減慢,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;頂部和下部莖葉稀少,風速較大;離邊行較遠的地方的作物層下部風速較小。

  二氧化碳  農田二氧化碳的狀況,決定於農田湍流交換強度、大氣中二氧化碳含量和土壤釋放二氧化碳數量 3方面的因素。作物層內二氧化碳濃度在葉面積密度最大層次附近為最低。在白天,農田二氧化碳由作物層上部向下和由地面向上輸送。
    

農田技術措施小氣候效應


  在自然條件下,小氣候適合植物生長發育要求時植物長勢良好,枝葉茂盛;但群體結構鬱閉度也隨之增大,達到一定限度后,通風透光和溫濕度條件急劇惡化,植物生長發育受到抑制,病蟲害隨之滋生流行,常造成群體衰退、死亡。這種現象完全依賴 SPA系統的內部調節和適應過程。農田中作物群體的生育狀況則除自然條件外,同時還受農業技術措施的影響,通過調節農田SPA系統中的某些環節,可以促進或延緩其中的物質交換和能量轉化,從而改變由一定的大氣候條件和作物群體所形成的農田小氣候,改善作物生育環境。農田技術措施多種多樣,所產生的小氣候效應也因之而異。
  耕作效應 耕作措施包括翻耕、鎮壓和壟作等,主要是通過改變土壤表面和根分佈層的土壤狀況使土壤熱特性和水文特性發生變化,影響土壤熱量和水分交換,從而調節土壤溫度和濕度。
  翻耕  翻耕使表土疏鬆,反射率降低,吸收輻射量增加,土壤孔隙度增大,空氣含量增多,土壤熱容量和導熱率趨小,從而使土壤和近地面層空氣溫度變化劇烈。其對溫度的影響,隨季節和晝夜的變化而有不同。一般是白天溫度高而夜間低,日較差大。白天或溫暖季節,熱量積集表層,因而翻耕影響的那一層溫度相對較高,下層則較低。夜間或寒冷季節,由於翻耕地土壤深層向表層傳遞的熱量相對較少,因而表層溫度也較低,而深層則較高。這表明翻耕所引起的效應,在低溫時間裡是表層降溫,深層增溫;在高溫時間裡則是表層增溫,深層降溫。翻耕影響的土層厚度,常因土壤種類、土壤含水量、翻耕深度和土壤疏鬆程度等的差別而異。一般是溫暖季節的白天增溫層厚度比寒冷季節的大,而寒冷季節的夜間降溫層厚度比溫暖季節的大。
  翻耕的濕度效應,在較乾旱的情況下,主要是通過切斷或減弱土層內的毛管聯繫,使下層土壤水分向上輸送減少,減弱土表蒸發,從而使土表形成干土層,抑制土壤水分消耗,土壤下層濕度相對增大。在濕潤狀態下,翻耕影響層的土壤濕度比其下層大,透水性和持水能力都強;與未翻耕地相比,在一定的時間內翻耕層的土壤濕度相對較高。
  鎮壓  鎮壓的小氣候效應恰與翻耕相反。它使土壤緊密,土壤容重和毛管持水量增加,土壤的熱容量、導熱率都隨之增大,因而土壤熱交換的日總量相對較高,土壤溫度變幅減少。這樣在低溫時期能保溫,在高溫時期則能降溫,並可使土壤表層水分增加,從而有利於作物生長。
  壟作  由於壟上土壤疏鬆,土壤水分不易上升,土壤表層變干,蒸發量減少,熱容量減小,輻射增熱和冷卻都更加劇烈,因而土壤溫度的日較差變大。一般在高溫時段可起增溫作用,在低溫時段起降溫作用。壟上疏鬆的土壤表層在降水多的時期對排泄田間徑流、降低土壤濕度也有較大作用。土壤表層的土壤濕度雖相對較低,下層卻保持了較多的水分,濕度相對較高。壟向、壟高和壟面傾角的溫度效應隨日照時數、太陽輻射總量以及緯度和季節的不同而有相應的變化。在白天,一般南北壟的溫度高於東西壟;南北壟的東側和西側溫度無甚差別,而東西壟的南側溫度高於北側。此外,壟作還可改善光照和通風條件。
  種植方式效應 種植方式包括種植行向和密度、間作套種等。不同的種植方式主要通過不同的作物群體結構,改變農田輻射輸送和湍流交換,從而產生不同的小氣候效應。
  行向  作物種植行向不同,植株間的日照時數、狀況也有差異。從春分到夏至,日出和日沒的太陽方位角,隨緯度增高而愈偏北,日照時間愈長,東西行向的日照時數相對多於南北行向;而從秋分到冬至,太陽日出和日沒的方位角隨緯度增高而愈偏南,日照時間愈短,沿南北行向的日照時數相對多於東西行向。種植行向的熱效應,高緯度地區比低緯度地區要顯著得多。行向還影響通風條件。為改善株間的農田溫、濕度和二氧化碳等的分佈,宜使行向與作物生長發育關鍵時期的盛行風向接近。
  密度  種植密度影響輻射平衡、湍流交換和蒸發耗熱。隨著種植密度的增加,株間輻照度降低,風速減小,二氧化碳供應趨少;溫度在白天或暖季隨密度增加而降低,在夜間或冷季則升高。密度增加,農田消耗水分就多,土壤水分減少;而株間空氣濕度則因農田蒸散增強、湍流交換減弱而增加。同一密度下的株行距變化,也可產生小氣候效應。如寬窄行可改善株間透光通風條件,使空氣溫度提高,空氣濕度降低等。
  間作套種  間作套種的農田中,不同作物的株高、株型、葉型均不相同,形成高低搭配、疏密相間的群體結構,擴大了光合面積。矮稈作物生長的行間,也就是高稈作物透光的通道,光線可直射到高稈作物的中、下部。矮稈作物的葉面反射,還可增加作物群體中的漫射輻射。太陽斜射時,側邊葉片受光面積大,株行間的漏光和反射光減少,使上、下層受光均勻,減少了上「飽」下「飢」的矛盾。同時,高稈作物對矮稈作物有遮蔭作用,使後者受光相對欠缺;但在中午時分光照度過強時,高稈作物的光合作用減弱,矮稈作物卻可獲得十分有利的光合作用條件。在高緯度地區,套種對於延長作物生長季節,提高光能和耕地利用率更具實際意義。合理的間作套種,能增加邊行效應,加強株間的湍流交換,從而改善通風條件,保證二氧化碳的供應。春季麥田套種棉花時,上茬作物(麥株)可為下茬作物(棉苗)擋風防寒。起一定的保護作用。間作套種也會引起農田溫度和濕度的改變。當高稈作物對矮稈作物產生顯著的遮蔭作用時,矮稈作物帶、行中的溫度偏低而濕度偏高,並會隨帶、行間距的縮小而加劇(見套作)。
  灌溉效應 灌溉后地面反射率降低,太陽輻射收入增多,土壤表面蒸發耗熱劇烈,從而使貼地氣層和土層中的溫度梯度和湍流交換減弱。同時,土壤水分的增加,使土壤的熱容量和導熱率增大,而土壤熱通量顯著減小,溫度的日較差也隨之變小。因而,在白天和溫暖季節灌溉,可產生降溫作用;而在夜間和寒冷季節,則可產生增溫效應。灌溉的溫度效應,溫暖季節在白天較明顯,寒冷季節在夜間較明顯。經灌溉的農田在白天也可能出現逆溫現象。灌溉效應除受地區、季節、晝夜、天氣條件影響外,還與灌溉方法、灌溉面積、灌溉量和土壤狀況有很大關係。一般灌溉面積越大、土壤越疏鬆、土色越淺、天氣條件越是持續晴朗乾燥,則效應越顯著。灌溉的溫度效應也受灌溉水溫的制約,生產上可根據需要,利用水源溫度的變化來調節農田溫度。

 

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