作物地小气候zuowudi xiaoqihoumicroclimate in the crop fields

在种植作物的农田上，形成的一类农田小气候。按作物种类可细分为水稻田小气候、麦田小气候、棉田小气候、玉米地小气候等；按作物特点可分为高秆作物地小气候、矮秆作物地小气候等；按作物叶型特点可分为禾谷类作物地小气候、阔叶类作物地小气候等。
形成 农作物生长在贴地气层和土壤上层，作物所受的气候条件不同于裸地上的小气候条件，造成这种差异的根本原因：一方面由于有了农作物，使到达作物地的太阳辐射以及热量、水汽、动量的交换过程都具有自身的特殊性；另一方面由于作物是具有生命活动的有机体，小气候条件制约着农作物的生长发育，使之形成一定的群体结构。反过来，农作物的群体结构又影响作物地小气候条件的形成。他们之间存在着相互依赖、相互制约的关系。了解和研究这种关系，对于充分利用以及改善和调节作物地小气候条件，提高作物单位面积产量是有实际意义的。
分布 作物地小气候条件，一般指作物层内的辐射、风速、温度、湿度、CO₂等和作物生长发育有关的小气候要素的时空分布和变化的规律、特征以及土壤上层的温、湿度状况。同一块农田，由于作物种类、种植密度、种植方式、作物生育期和耕作措施的不同，都可造成作物地小气候条件的差异。在作物生育初期，因个体较小，对其下的下垫面影响不大，作物地小气候条件主要受原下垫面条件——土壤表面性质的影响，其小气候特征与裸地小气候相仿。随着作物生育期的进展，单位面积上作物生长量的增加，逐渐形成作物层，即新下垫面的形成，作物地小气候特征与裸露地的差异就愈来愈大，形成作物地特有的小气候特征。
辐射 太阳辐射到达地物上表面时，作物各器官对太阳辐射都有反射、吸收和透射作用，这些作用的强弱与作物本身的特征(作物种类、生育期、种植方式等)有关，同时又反过来影响作物本身的生育。不同作物或同一作物不同生育期，对太阳辐射的反射、吸收和透射能力是不同的。各种作物地的反射率变化的幅度各有一定范围(表1)。

表1 各种作物生育期内的反射率

同一作物，同一生育期，由于太阳的周日变化，作物地的反射率也具有明显的日变化，变化幅度也因作物不同而有差异(图1)。

地方时间/h

图1 作物地反射率日变化

太阳辐射进入植被层后，受到茎叶的层层吸收、反射而被削弱，形成固有的垂直分布曲线，各种作物层内，太阳辐射垂直分布曲线趋势基本相似，都是从植株顶部向下递减，即在开始时递减缓慢（曲线垂直向下），然后在中间层迅速削弱（曲线明显倾斜），再往下，递减速度又缓慢下来(图2)，而且随着作物叶面积指数的增大，递减愈迅速。水平叶作物比直立叶作物递减快（见作物群体结构）。因此，过分密植的作物，特别是水平叶作物，不利于下层透光， 自然也不利于作物更有效地利用光能。采用间套作和培育适当的株型，对有效利用太阳光能是很重要的。

图 2 小麦田中各时刻总照度的垂直分布

作物层内各个高度上的光照度日变化形式是一致的，都是中午最大，早、晚趋于零。但各高度上变化幅度不同， 上层日变幅大， 下层日变幅小(图3)。
作物地就整体而言， 是一个由地面至作物上表面的活动层， 但由于各种农作物具有不同的群体结构， 使得各种作物地的辐射平衡状况也不一致。表2数据反映了棉花、冬小麦、水稻三种作物地辐射平衡的差异。造成这种差异的原因， 主要是与作物地反射条件和活动面温度有关。

图 3 晴天小麦地中各高度
光照度的平均日变化
(株高95厘米 山西交城1978年6月3～12日平均)

表2 晴天三种作物地辐射平衡日变化(J·cm-²·min-1)

(1978年6月11日～20日平均 山西交城)

时 作物	6	8	10	12	14	16	18	20	22
棉 花 小 麦 水 稻	0.040 0.045 0.050	0.385 0.430 0.472	0.654 0.831 0.895	0.755 0.986 1.061	0.616 0.832 0.885	0.290 0.473 0.445	-0.030 0.030 0.010	-0.115 -0.091 -0.120	-0.110 -0.088 -0.107

各种作物地中辐射平衡的垂直分布与太阳辐射垂直分布有某些相似 (图4), 白天， 辐射平衡都由作物上层向下递减， 到达地面辐射平衡比较少， 其中尤以叶片呈水平状排列的棉花地中递减最迅速。夜间， 整个农田辐射平衡反过来由作物上表面向下递增， 而且不论何种作物， 只要覆被茂密， 作物下层的辐射平衡都接近于零。
热量平衡 在农作物整个生长发育过程中， 各项热量消耗是有变化的。在作物枝叶繁茂的生育盛期，由于作物大量蒸散， 作物地所得的辐射热量(R)大部分都消耗在蒸散(LE)上，湍流热交换(P)比较少，土壤热交换(Qs)更少。由此可见热平衡各分量的分配情况、作物地与裸地是有明显区别的， 见表3。

图 4 晴天各种农田辐射平衡的垂直分布(交城 1978)

作物层中显热通量、蒸散耗热量和辐射平衡一样随高度也有变化， 白天变化大， 夜间变化小。旱地作物显热通量为正值，随高度增加而增大；水稻田白天上层显热通量为正值，下层为负，而且绝对值小(图5)。

表3 棉花各生育期热量平衡各分量的平均值(J·cm-2·min^-1)

生育期 项目	4叶-孕蕾	孕蕾-开花	开花-裂铃	裂铃-收获
R P LE Qs	294 174 110 10	283 145 135 2	377 69 246 2	153 72 84 -3

图5 作物地中显热通量的垂直分布和时间变化

蒸发耗热量（与水汽通量成正比）不论水稻田还是旱地作物都呈随高度增加而增大(图6)。

图6 作物地中潜热通量的垂直分布

温度 旱地作物的温度分布主要取决于太阳辐射和乱流热交换情况。在作物生长初期，作物密度较小，对气温分布影响不大，午间气温垂直分布与裸地一致，即由地面向上递减，夜间出现递增。随着作物密度和高度的增加，太阳辐射进入作物表面开始受到削弱，到达地面的辐射量很小，此时温度分布特点是中间层高，上下层低。在作物进入成熟期以后，因茎叶枯黄密度减小，气温廓线上最高点出现部位下降。作物生育盛期，夜间其最低点出现的部位也可发生移动，即随作物高度和密度的增加相应抬升(图7)。

图7 冬大麦地温度的垂直分布

图上序号1、2、3、4、6分别代表4月1～30日、5月1～10日、5月11～20日、5月21～31日、7月26日～8月12日；(a)5代表6月1～30日；(b)5代表6月1日～7月10日

作物地和裸地的气温有很大不同，一般情况白天作物层内由于太阳辐射被削弱，作物层气温要比裸地同高度气温低，夜间则相反(表4)。对于过分密植的作物地，可能全天都是裸地气温高，而对于比较稀疏的作物地，还可观测到作物地气温比裸地高的情况。因为在很密的作物地中，太阳辐射削弱很多，作物地温度自然升不高；在比较稀疏的作物地中，太阳辐射削弱不多，而乱流发展不强，热量不易扩散出去，就有可能使作物地气温反而比裸地气温高。上述情况也符合作物地内外地面温度的对比特点，但对土壤各深度的温度，一般是裸地比作物地高，因为裸地获得的太阳辐射比作物地多，输送到土壤下层的热量也相应多些。

表4 裸地与作物地20厘米高处气温差/℃

水稻田有一水层，其温度状况要特殊一些。在抽穗以前，田间的水面温度比气温高，且以中午差别最大；抽穗后， 由于作物高度增大，到达水面的太阳辐射减少，致使水面温度比气温低(图8)。稻田水层深浅对水温影响很大。白天升温时，浅水田水层的热容量小，增温剧烈，因此浅水田的水温要比深水田水温高；夜间冷却时，深水田因水的热容量大，冷却缓慢，因而温度比浅水田高。
湿度 在作物地中，通常由于总的蒸发增大，乱流扩散减弱，土壤和作物蒸散的水汽不易扩散出去，作物地空气湿度总是比裸地大些 (表5), 且随作物叶面积指数增大而差值增大。

图8 水稻田水温与气温差(△T)的变化

表5 玉米地和裸地上70厘米高处空气湿度差

时间/h	5	8	11	14	17	20
绝对湿度/hPa 相对湿度/%	0.7 6	2.3 9	2.6 9	2.7 20	5.9 20	2.6 18

作物地与裸地空气湿度最大差值发生在白天 （午后），因为此时作物地内、外辐射和乱流条件的差异最大。夜间， 作物地内、外辐射和乱流的差异减小， 因此， 湿度差异也相应减小。空气绝对湿度在作物株间的垂直分布一般是由地面向上递减的， 此种特征以水稻田最为显著。

表6 各种作物对不同风速的减弱效应/%

风速/(m/s)	小 麦	大 豆	马 铃薯
<1 1～2 2～3 >3	24 15 11 9	23 20 15 11	30 24 23 —

图 9 各种作物地中相对风速的垂直分布

风与乱流 作物地中的风速要比空旷裸地小得多， 这是因为风速受到植株阻挡，产生摩擦作用所致，作物对风速减弱程度有随风速增大而减小、随作物密度增大而增大的特点 (表6)。作物地中风速水平分布和垂直分布的规律， 是由作物地边行向里、由上表面向下不断减弱， 而且最初减弱快， 逐渐变慢， 两者作用结果形成特有的垂直分布形式 (图9)。这种分布形式纯系作物本身结构所造成。在作物中部， 茎、叶稠密， 水平动量输送与垂直动量输送受到较大的削弱，因此风速较小； 在作物上部和下部， 茎、叶相对稀疏，则风速较大。只有在作物地的中央部分， 因边行影响的消失， 风的分布又变成指数形式递减。凡是作物地中风速比较大的地点， 通风条件好， 乱流交换条件也较好； 反之， 在弱风地方， 乱流交换条件就差。作物地中乱流交换强弱与作物密度、离地高度等有关， 一般规律是作物密度愈小， 离地愈高， 交换就愈强， 反之则愈弱。
二氧化碳 农作物在生长发育过程中， 不断消耗CO₂制造干物质， 所以须不断从外界得到CO₂, 满足作物生长的需要。作物地中CO₂主要来自大气和土壤，并通过乱流输送到作物地。输送量的多少取决于乱流交换强弱和作物层与上层大气之间CO₂浓度的差值。由于农作物的光合作用和呼吸作用， 使作物地中CO₂浓度具有明显的日变化。白天作物地中CO2浓度比较低， 大气是CO2的源地， 作物地是CO2汇地。夜间则相反， 作物地CO₂浓度较高， 是CO₂源地， 大气则是汇地。由于作物地和大气在昼夜之间交替成为CO2的“源”和“汇”， 使得作物地中CO₂浓度的垂直分布具有某些特殊性， 在夜间由于作物的呼吸作用释放CO₂，垂直分布曲线由地面向上递减， 称为呼吸型分布； 昼间因作物吸收CO₂, 使CO₂浓度垂直分布曲线产生弯曲， CO₂浓度最低值在作物层某一高度上出现， 并由此向上、向下递增，称同化型分布(图10)。对水平叶较多的作物地，上述垂直变化不明显。天气条件和作物本身生长条件对作物地CO₂浓度变化有很大影响，阴天、风速大以及作物叶面积指数小时，作物地中的CO₂浓度的变化幅度就减小；反之，辐射强、风速小、叶面积指数大时，变化幅度增大。
了解作物层内CO₂的分布情况，对于分析作物地上CO₂通量，亦即作物吸收CO₂和释放CO₂强度的分布，具有重要作用。

图 10 玉米、小麦地各时刻CO2浓度垂直分布