农业小气候

第七节　农业小气候

一、农田小气候

1.农田小气候的概念

人们有这样的经验，在同一个乡，甲村的桃花正含苞待放，乙村的桃花却已盛开，隆冬季节，北国风光，千里冰封，万里雪飘，但走进温室、暖房，瓜果累累，青翠欲滴，一派盎然生机：夏日炎炎，娇阳似火，酷暑难当，但一踏进凉棚、冷库，便觉凉爽宜人，甚至寒冷刺骨。这些事实说明，在一个范围不大的地区内，存在着气候的差异，在特殊的人工设施内，可以人为地创造一种特殊气候环境。

一个地区的气候主要是由太阳辐射、地理条件、大气环流三个主要因素互相制约、互相影响而形成的，这种气候人们称为大气候。如中国气候，四川盆地气候，它的水平范围可达数百、乃至数千公里，垂直范围可达对流层顶。

在一个小范围内，由于局部地区受地形、河川、湖泊、森林、不同作物、不同果园、菜园及人工设施等特性所决定的气候，越接近下垫面的空气和土壤层，受下垫面的影响就越干，局地气候差异也越显著。它的水平范围不过几百米到几公里，甚至更小；垂直范围仅几米到1000米以内。因此，我们把在局地范围内，因下垫面特性或设施的影响而形成的与大气候炯然不同的贴地气层和土壤上层或人工设施内独特的气候，称为小气候。

大气候是小气候的背景，小气候是大气候的基础，它们是共性与个性，一般和特殊的关系。

研究小气候，对于农业生产有着重要的意义：各种各样的生物，特别是农作物、果树、蔬菜、家禽、家畜都生长在贴地气候环境中，时时刻刻都受到小气候的影响；人们主要在贴地气层内从事农业生产，必须考虑小气候的特点，才能收到事半功倍的效果；下垫面的状况包括一些人工设施，是比较容易按照人们的需要加以改造和利用的。在高级设施的气候环境中，可进行全面的调控，使人类在严寒的冬季吃上喜温的新鲜蔬菜；而在炎热的夏季吃上喜凉的蔬菜、瓜果。

2.农田小气候形成的物理基础

根据地表面热量平衡的原理，在裸地上白天地面吸收太阳辐射能，一部分用以增热近地面空气层，一部分用于增热土壤，另一部分用于水分的蒸发，夜间地面失去辐射能，一部分由近地面空气层降冷来补充，一部分由土壤降冷来补充，另一部分由水汽凝结放热来补充，这就是说：对裸地而言，是通过地面的辐射能收支，来调节邻近空气层和土壤层的水热状况的。地面的方位不同，地面的性质不同，却会影响到辐射能的收支，从而使邻近空气和土壤层的水热状况也不同，即小气候也不同，所以对裸地来说，地形、坡度、坡向（方位）和地表性质是形成小气候差别的主要原因。农田和裸地不同，除了上面几个因素外，还要考虑作物的生长状况，因为作物生长状况不同，其枝叶繁茂的程度也不同，对土壤的遮盖程度不同，例如棉花的叶子很宽，它遮留土壤的程度比窄叶的小麦、水稻大；作物处在幼苗时期，遮盖土壤的面积很小，到了封垅以后，土壤几乎全部被遮盖了。总之，农田中由于农作物的存在，下垫面的状况就发生了改变，这时作物覆盖层，尤其是枝叶最茂密的那一层，是辐射能收支最活跃的层次，并通过它来调节邻近空气层的水热状况。

在小气候学中将地表面或作物枝叶最密集的那一层称为作用面或作用层。所以作用面或作用层就是不断吸收太阳辐射，同时又与周围进行长波辐射交换，从而引起邻近空气和土壤层水热状况变化的面或层。对小麦、水稻等禾谷类作物，这一层大约在植株高度的三分之二的地方。作用面或作用层有时也称为活动面，活动层。

那么作用面或活动层究竟通过那些物理过程来影响农田小气候呢？

首先是辐射过程，例如不同的作用面对太阳光的反射不同，深颜色的反射率小，浅颜色的反射率大，由于作用面得到的太阳能不同，自然分配给其他方面的能量也不同了。另外在夜间放射辐射能的过程中，温度高的，颜色深的表面因放射辐射而丢失的能量也多，所以邻近空气层和土壤层降温迅速。第二是作用面上水分蒸发和凝结的过程。潮湿的表面，白天用于蒸发消耗的能量（蒸发一克水消耗2508焦耳热量）比干燥的表面多，因而用于增热邻近空气层和土壤层的热量就少了，当然它们的温度也低一些了。夜间如果作用面附近的空气层中，水汽含量丰富，在作用面上凝结放出的热量也多，弥补了作用面的辐射失热，可以缓和邻近空气层和土壤层降温的速度。第三是作用面的热容量能和导热性能。如沙土地热容量小，导热性差，白天吸收的辐射能传入土壤深层的少，自然用于增热邻近空气层的热量就多了，夜间作用面辐射失热，深层土壤对作用面热量的补充也少，势必更多的消耗邻近空气层的热量。第四是作用面周围通风，透气的状况，作用面附近如通风良好，作用面上的热量，白天可以更多的传给邻近空气层，因而用于增热土壤深层和表面蒸发的热量就少了，夜间则有更多的热量传给作用面，可以缓解土壤层的降温速度。综上所述作用面上辐射、热量和水分状况是形成农田小气候的物理基础。了解作用面的状况和性质对掌握小气候的形成规律是十分重要的，因此我们可以改变作用面的某些性质，达到改造农田小气候的目的。

二、护田林带小气候

1.护田林带的防风效应

在多风地区的农田四周营造防护林，首先是为了减轻风沙对农作物的危害。当风向护田林带吹时，气流受到林带的阻挡，一部分穿过林带，另一部分从林带顶部翻越过去，穿过林带的部分，受到枝、叶的阻挡，风力大大减弱；从林带上方翻越的气流，在翻越林冠时，也会受到摩擦作用，使风力减弱。穿过林带和翻越林带的两部分气流，在林带背风面一定距离外汇合，风力又逐渐增大。所以林带的防风作用是有一定范围的。根据研究，一般在通风面，离林带高5倍远的地方，风速就大大减小。例如林带高为10米，那么距离林带50米的地方，风速只有原来的一半，林带附近风速更小。在林带的背风面一侧，防风距离为林带高度的25～30倍。如果林带高10米，那么距林带250～300米处风速为原来的90%，离林带越近风速越小。

林带的防风作用与林带结构、走向、宽度和高度有关。林带结构可以分成透风结构、紧密结构和疏透结构三种。透风结构的林带，树木稀；紧密结构的林带，是一种树干、树枝、树叶部很浓密的林带：疏透结构的林带，是上部树枝叶较稠密，下部树干较稀疏的林带。这三种林带中以上密下疏的疏透结构防风效应最好。紧密结构的林带，穿过林带的气流很少，大量气流越过林带，会迅速到达地面，防风效应不大。越是高的林带，防风的绝对距离范围越大。林带走向，最好与当地关键季节（北方冬季寒潮大风，春夏季干热风，南方台风等）的盛行风向垂直，当风向与林带平行时，防风效应只有风向垂直时的一半。不过当主风向与林带偏离45°角以内时，防风效应不会有明显降低，林带越宽其防风作用当然越好，但占据耕地也越多，所以一般在5～8米范围内。如果在一个较大的地区范围内，由纵横许多条林带形成林网，防风能力更显著。

2.护田林带对田间温湿度的调节

除了防风作用以外，由于林带风力减弱，对带内农田上方近地面空气层的温、湿度有一定的调节作用。在一般的天气条件下，白天林带内气温稍高，夜间稍低。在有强冷空气侵入时，林带内气温始终高于空旷地上，日平均气温和最高气温可高出1℃左右，最低气温可高出2℃左右。在干热风发生的天气里，林带内的温度不论日平均气温、最高或最低气温都要比空旷地上低0.5～1℃。林带内虽然土壤蒸发比空旷地上少25%，但由于风小，蒸发出来的水汽不易被风吹走，所以林带内空气湿度既较大。在干旱天气下，这种效应更明显。在多雪的地方，冬季林带内积雪比空旷地上厚，加上蒸发少，所以春季土壤墒情也好，由此可见，林带具有调节温、湿的功能。

三、保护地气候

覆盖、风障、温室、温床、塑料大棚等保护地栽培措施，有着防寒、增温效应，满足花卉或蔬菜对热量条件的要求，达到逆季节生产的目的。

1.覆盖的气象效应

覆盖物很多，有砂子、秸草和各种性能的塑料薄膜等。目前，农业上广泛采用的塑料薄膜覆盖，效果很好。

塑料薄膜有良好的透光性，太阳辐射能透射到保护地而同时又能阻挡地面有效辐射的逸出，具有增温效应。封闭好的地膜覆盖，阻止湍流，减少蒸发耗热，因而使保护地土温增高，湿度增大。一般说，北方春季有地膜覆盖与无覆盖相比，5～10cm地温能提高2～4℃，清晨高2℃左右；近地层气温可提高4～8℃，清晨提高1℃左右。

由于地膜覆盖有保温、保湿作用，因而有促进出苗、幼苗生长以及苗期后作物的根系生长等作用，有早熟增产的效果。但要防止土壤过湿，遭致病害。有人认为，地膜覆盖后某些作物品质有所下降，这一点在使用推广时，要加以注意。

近来有人在农田施用增温剂，以提高地温。其实质是由增温剂在水面、土面以及植物表面形成一层单分子或多分子薄膜，从而抑制蒸发、蒸腾，减少水分汽化耗热，达到增温的效果，与地膜增温的原理是一致的。

2.风障的气象效应

在寒冷季节，许多地方用风障防御冷空气，进行蔬菜或经济作物栽培，效果很好。风障高度一般以2m左右为宜，东西排列，障壁向南倾斜的角度约为60～70。

风障的气象效应主要是减弱障内湍流，增加障内辐射平衡。风障可以阻挡或减弱冷空气进入障内，使障内的平流降温显著减小。同时，由于障壁的反射，白天使障内太阳辐射收入增加；夜间，由于风障的遮掩，地面有效辐射减小。障壁与地面交角愈小，防寒保温效应愈显著。但交角不宜过小，否则影响障内太阳辐射的收入。

风障的防风和保温作用是一致的，在风障有效防风距离内（一般为风障高度的5～8倍），障内风速一般为障外的10%～50%。由于风速减小，湍流减弱，蒸发减少，其耗热减少，相应的用于空气增温的热量增多，因而风障的保温效应增大。但在静风或微风的晴夜，由于强烈辐射，障内温度甚至比障外还低。由此可见，风障主要是防风寒（冷平流），风速降低越多，防寒保温效应也越大。

3.温室和塑料大棚

（1）温室和塑料大棚的气象效应

同塑料薄膜覆盖一样，它们都是冷季防寒增温的有效措施，所利用的是玻璃或塑料薄膜为顶面的温室或塑料大棚，它们对太阳辐射的可透性，对地面有效辐射的阻挡性，使白天温度升高，夜间降温缓和，与地膜覆盖道理完全相同。

在设置温室和大棚时，除考虑构架材料外，主要考虑它的方位和屋顶的倾角。一般以朝向东南方为宜，这样清晨早受阳光，使温度及早回升，最低温度不致下降太低；而中午太阳辐射最强时，光线稍有斜射，最高温度又不致升得太高，使室内或棚内温度变化缓和，形成对作物比较有利的小气候条件。

为了使室（棚）内获得最多的太阳辐射，温室（棚）的玻璃或塑料顶必须向南倾斜，其倾斜角度的大小，以玻璃或屋顶与正午时的太阳投射光线成垂直时为最佳。但是太阳高度角是随纬度和季节变化的，所以各地温室（棚）的玻璃或塑料屋顶向南倾斜角度也应不同。该倾斜角从理论上计算的结果，在冬至日应等于cp＋23.5，而春秋分时应等于（当地纬度）。但实际上，上述倾斜角偏大，因为单纯符合计算的倾斜角，会加大室内空间，使原有的设备不能达到预计的保温效果。一般来说，只要屋顶与太阳光线的交角超过50°，即可保证玻璃或塑料薄膜的反射率小于9%。

温室（棚）的方位问题，曾有许多人研究过，一致认为，冬季和早春，东西走向比南北走向的室内光照好，直射透射率可提高10%，但是此时太阳高度角较小，温室（棚）的水平构架，常形成一天内移动不大的阴影区，于是在栽培床面上某些部位，出现一个弱光带，影响作物生长。这在保护地生产上叫死影子。所以，生产上若设置双屋面玻璃温室或塑料大棚时，多采用南北走向。

（2）温度调节和CO₂施肥

温室或塑料棚内，冬季寒冷季节需要保温，夏季炎热季节又需要降温。

冬季寒冷季节为了保温，可在室（棚）顶及四周覆盖草帘，夜间覆盖，白天去掉。也可采用室内（棚内）再设小弓研，即多层覆盖等措施。据观测，采用覆盖措施，可使室（硼）内气温提高2～5℃。

为了提高室（棚）内地温，减少土壤横向导热，生产上多采用在温室或塑料棚周围挖防寒沟的办法。防寒沟宽约30cm，深约50cm，沟内填入稻草、麦秸等导热率低的材料。沟可设在室内，也可设在室外。据有人观测，设置防寒沟的温室其5cm处地温比未设的高4℃。

目前农用塑料薄膜有滴膜和无滴膜两种。其中无滴膜能使凝结于膜下的水珠沿膜而下，保持薄膜的固有透光率，增加室（棚）内辐射平衡，提高了土壤温度和空气温度，也使几乎处于饱和状态的空气湿度有所降低，有利于作物的光合作用。

此外，在土壤上铺马粪、有机物等酿热物，对提高地温、近地层气温效果都很显著。这是一种利用生物改善温室（棚）地温、气温的措施。同时还可增加室（棚）内CO₂含量，提高作物的光合作用。

在降温措施方面，主要是通风，目前生产上常采用的是自然通风。通风除了注意侧窗通风，室（棚）内有过堂风外，还要有天窗通风。温室尤其是塑料大棚，热空气都集中于棚顶，形成“热盖”，如有天窗则热空气容易流出。除通风外，覆盖遮光，也是降温有效措施；棚内灌水、喷水，增加蒸发耗热，也可降温。

由于温室或塑料大棚处于密闭状态，隔绝了大气中CO₂的供给，致使室（棚）内作物因CO₂缺乏而使光合强度下降，常常处于饥饿状态，所以应注意CO₂气肥的增施。

【注释】

[1]当土壤度干到一定程度时，不但土壤里的水份不易移动，而且土壤颗粒对水分的吸附力已大于作物根细胞的吸收力，作物不能从土壤中吸取水分而凋萎，在夜间蒸腾作用最小的时候也不能恢复生机（但未死亡），这时的土壤湿度称为凋萎湿度。

[2]作物有机体每合成1克干物质所蒸腾的水分克数，称为蒸腾系数。

[3]作物有机体每消耗1公斤水所制造的干物质克数，称为蒸腾效率。

[4]生理需水，就是根据作物根系吸收，体内运转，叶面蒸腾的水份数量。

[5]生态需水，是指株间蒸发量和田间渗漏量，这两者未参与作物的新陈代谢过程，只是作为作物需水的生态条件而已。作物的灌水量，是以每亩地上作物叶面蒸腾量、株间蒸发量和田间渗漏量来计算。