全 文 ：被动式夜间增温设施设计及其增温效果*
陈摇 金1 摇 杨摇 飞1 摇 张摇 彬1 摇 田云录1 摇 董文军1 摇 张卫建1,2**
( 1 南京农业大学应用生态研究所, 南京 210095; 2 中国农业科学院作物科学研究所农业部作物生理生态与栽培重点开放实
验室, 北京 100081)
摘摇 要摇 为了建立一套简便节能的野外夜间增温设施,参照国际上夜间被动式增温系统
(passive nighttime warming, PNW),在江苏丹阳设计了稻麦系统夜间被动式增温设施.结果表
明:该系统可以保证 15郾 75 m2 的有效采样区域,温度增幅均匀,水稻冠层全生育期夜间平均
温度升高 1郾 1 益,冬小麦冠层和 5 cm土层全生育期夜间平均温度分别提高 1郾 3 益和 0郾 8 益;
该增温系统在运行期间,水稻和冬小麦全生育期的冠层和土壤温度的日变化趋势与非增温对
照区基本一致.该系统使麦田土壤含水量略微降低,但对小麦生长的影响不明显.将该系统在
我国水稻和冬小麦主要产区应用时发现,该夜间增温系统可以使水稻和冬小麦始花期分别平
均提前 3 d和 5 d.该系统的增温效果在不同区域和季节存在一定的差异,但综合考虑该系统
的增温均匀性和增温区域有效性,及其对稻麦生育期的影响效果,该设施不仅节能,而且可以
满足野外增温试验研究的基本要求.
关键词摇 气候变暖摇 被动式增温摇 系统设计摇 红外线反射摇 稻麦系统
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2288-07摇 中图分类号摇 S314摇 文献标识码摇 A
Passive nighttime warming ( PNW) system, its design and warming effect. CHEN Jin1,
YANG Fei1, ZHANG Bin1, TIAN Yun鄄lu1, DONG Wen鄄jun1, ZHANG Wei鄄jian1,2 ( 1 Institute of
Applied Ecology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2Ministry of Agriculture
Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology & Production, Institute of Crop Science, Chinese Acade鄄
my of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2288 -
2294.
Abstract: Based on the technique of passive nighttime warming (PNW), a convenient and energy鄄
saving PNW facility was designed for a rice鄄wheat cropping system in Danyang, Jiangsu Province.
The facility could guarantee 15郾 75 m2 effective sampling area, with a homogeneous amplitude of in鄄
creased temperature, and making the nighttime canopy temperature during whole rice growth season
increased averagely by 1郾 1 益 and the nighttime canopy temperature and 5 cm soil temperature dur鄄
ing whole winter wheat growth period increased averagely by 1郾 3 益 and 0. 8 益, respectively. Dur鄄
ing the operation period of the facility, the variation trends of the canopy temperature and 5 cm soil
temperature during the whole growth periods of rice and winter wheat in the warming plots were sim鄄
ilar to those of the control. Though the facility slightly decreased the soil moisture content during
winter wheat growth period, wheat growth was less impacted. The application of this facility in our
main production areas of rice and winter wheat showed that the facility could advance the initial
blossoming stages of rice and winter wheat averagely by 3 d and 5 d, respectively. In despite of the
discrepancy in the warming effect among different regions and seasons, this energy鄄saving facility
was reliable for the field research on crop responses to climate warming, when the homogeneity of
increased temperature, the effective area, and the effects on crop growth period were taken into
comprehensive consideration.
Key words: climate warming; passive nighttime warming; system design; infrared reflection; rice鄄
wheat cropping system.
*国家自然科学基金项目(30771278)、江苏省自然科学基金项目(BK2007159)、教育部新世纪优秀人才计划项目(NCET鄄05鄄0492)和中国农业
科学院院所长基金资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangweij@ caas. net. cn
2010鄄01鄄08 收稿,2010鄄07鄄06 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2288-2294
摇 摇 全球气候变暖毋庸置疑,并仍将呈快速递增趋
势.在过去的 100 年内,全球地表气温平均升高了
0郾 56 益 ~ 0郾 92 益,据预测,到 2100 年仍将升高
0郾 6 益 ~ 4郾 0 益 [1] . 近 50 年,我国地表平均气温上
升了 1郾 1 益,高于全球同期平均增温幅度[2],并预
计到 2050 年升温 1郾 2 益 ~2郾 0 益,2100 年增幅达到
2郾 2 益 ~ 4郾 2 益 [3] .大量观察和模型分析发现,气候
变暖呈现明显的昼夜差异,夜温升幅显著高于白
天[4-6] .据 1995 年 IPCC报告,全球最低温度的增幅
是最高温度的 2 倍[7],我国三江平原地区 1978—
2000 年的最低温度升幅也比最高温度升幅高
0郾 7 益 [5] .气候变暖尤其是夜温升高,将对作物产量
和品质产生显著影响. 水稻和小麦是我国最主要的
粮食作物,未来气候变暖对稻麦生产的影响受到政
府和学术界的广泛关注.
目前,关于夜间升温对作物生产的影响研究还
存在较大的不确定性.大多数模型分析表明,夜温升
高将导致作物减产[8-10] .通过对长期的气象数据与
单产的关系分析表明,夜温每升高 1 益,菲律宾地区
水稻产量将下降 10% [8],美国不同地区小麦产量将
下降 1% ~20% [9] .但是最新的模型分析发现,气温
升高下中国的大多数作物呈现增产趋势[11] . 另外,
大多数模型预测的减产趋势与世界作物生产中单产
持续提高的现实也不一致. 为了充分反映作物系统
对气候变暖的实际响应,降低模型预测的不确定性,
国内外纷纷开展了气候变暖的试验研究.同时,鉴于
生长箱和人工气候箱试验的不足[12-14],以及原位监
测作物系统响应的重要性,国外的增温试验也开始
采用敞开式田间增温设施( free air temperature in鄄
creased,FATI) [15-17] .但这类增温设施往往运行成本
高,电能消耗大,对田间基础条件要求也比较高. 为
了克服这些不利因素,国际上出现了夜间被动式增
温设施(passive nighttime warming,PNW),并成功用
于自然生态系统对全球气候变暖的响应研究[18-21] .
但这套设施仍属于自动控制,建设和维护成本高,且
对试验地的基础设施要求较高.
鉴于我国幅员辽阔,农田基本设施较差,本研究
参考国际上已有的夜间被动式增温系统,进行我国
农田系统简便节能的被动式增温系统设计与试验.
同时,在我国稻麦主产区进行验证,以期为我国全面
开展作物生产对气候变暖的响应研究提供试验方法
和增温系统设计参考.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
本研究包括两个试验,即系统设计与测试试验
和稻麦主产区的系统应用试验.
试验 1:系统设计与测试.本研究于 2007—2008
年在江苏省丹阳市延陵镇(21毅54忆 N, 119毅29忆 E,海
拔 6 m)进行增温系统设计与测试. 试验地为水稻
土,总氮含量为 3郾 11 g · kg-1,土壤有机质为
28郾 29 g·kg-1 .丹阳为稻麦两熟地区,处于亚热带与
南温带的过渡性气候带中. 年平均气温 15 益,无霜
期 230 d,平均降水量 1058郾 4 mm.春季(3—5 月)平
均气温 14郾 6 益,夏季(6—8 月)平均气温 24郾 6 益,
秋季(9—11 月)平均气温 17郾 7 益,冬季(12 月至翌
年 2 月)平均气温 5郾 6 益 .根据生产需要,水稻施肥
总量为 N 22郾 5 g · m-2、 P2O5 4郾 5 g · m-2、 K2O
9郾 0 g·m-2,冬小麦施肥总量为 N 22郾 5 g·m-2、
P2O5 9郾 0 g·m-2、K2O 11郾 2 g·m-2 .
系统设两个处理:常温对照 ( CK)、夜间增温
(W,增温时间为 19: 00 至次日 6: 00). 重复 3 次,
小区面积 4 m伊5 m.为防止增温影响接纳降水,在雨
天或雪天不进行增温处理.同时,为避免增温设施被
破坏,风速大于 10 m·s-1时也不进行增温处理.
试验 2:系统验证.为验证被动式夜间增温系统
在不同地区的增温效果,本试验同时于 2007—2008
年在我国水稻主要产区(海南万宁、贵州瓮安、江西
南昌、江苏南京、吉林公主岭)及冬小麦主要产区
(河南南阳、江苏徐州、河北鹿泉)进行.全部试验点
的品种、施肥和灌溉皆采用当地高产栽培管理措施.
1郾 2摇 仪器
ZDR鄄41 温度记录仪购买于杭州泽大仪器有限
公司,记录仪感温探头为该公司从加拿大进口,传感
器线长 6 m,可存储 7382 组数据.温度监测前,按仪
器说明书进行校正,确保温度变幅为依0郾 1 益 . 田间
监测温度时数据记录时间间隔为 20 min. 地表有效
增温范围监测的热成像采用 Therma CAMTM p25 红
外热像仪(瑞士 FLIR SYSTEMS Inc. )摄制.
1郾 3摇 麦田土壤水分测定
试验于小麦主要生育时期:抽穗期、灌浆期和成
熟期,按“S冶形 6 点法取耕层(0 ~ 25 cm)土样,立即
装入自封袋中,混匀,捡除土壤中枯叶、石块等杂物
后称取 25 g土样,于 80 益烘箱中烘干至恒量(质量
变化<2% ).土壤含水量(% )= 鲜土含水量 /烘干土
质量.上述土样于雨后 4 d以上的晴朗天气进行.
1郾 4摇 数据处理
统计分析采用 Excel 2003 和 SPSS 11郾 5 软件进
行,采用两尾试验进行统计显著性检验(P<0郾 05);热
成像图片使用 FLIR Quickreport 1郾 2软件分析处理.
98229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈摇 金等: 被动式夜间增温设施设计及其增温效果摇 摇 摇 摇 摇 摇
2摇 结果与分析
2郾 1摇 被动式增温系统结构
被动式红外线反射增温的原理:由于地面和空
气在夜间存在温差,物体放出热能,该能量以红外线
的方式向外辐射.反射膜的作用是将该红外线反射
回地面,减少热量的损失,达到升温的目的.
野外夜间被动式增温装置由支架、红外线反射
膜、温度记录仪组成.将 8 根 2郾 5 m 长的木桩(或钢
管)打入地下 0郾 4 m,构成一个 4 m伊5 m 的小区,四
周用木条(或钢丝)加固,以防支架变形. 在小区四
周拉起尼龙绳,为钢管和反光膜提供支撑.红外线反
射膜面积为 4 m伊5 m,由江苏省江阴市中昌玻纤复
合材料有限公司生产的铝箔玻纤布 (反射率为
95% )加工而成(图 1). 除雨雪和大风天气之外,每
天于日落时覆盖反射膜,日出时揭开反射膜.使用时
由两名工人通过固定在反光膜两端的镀锌钢管将其
拉成一个平面,并根据作物生长进程对膜的高度进
行调整,使反射膜与作物冠层间的高度保持在
0郾 3 m左右,收、盖膜都借助于镀锌钢管完成. 用温
度记录仪监测作物冠层和 5 cm土壤温度(水稻生长
季节仅监测冠层温度). 温度数据采集和记录间隔
时间为 20 min,以 19: 00 至次日 06: 00 的温度来比
较夜间增温处理与常温对照处理的差异,该时段温
度的平均值为当日夜间均温. 该装置每套造价约
450元人民币,温度记录仪每台2000元,系统维护的
图 1摇 稻麦系统被动式夜间增温设施
Fig. 1摇 The passive nighttime warming (PNW) facility.
a)稻田 Paddy field; b)麦田 Winter wheat field.
人工费用每季 3000 元.
2郾 2摇 增温系统的有效增温范围和幅度
为了测试系统增温的均匀性和有效增温范围,
于 2007 年 12 月 5 日 5:03:13,在距离小区 14 m 处
搭建高 3郾 4 m 的脚手架,在距地面 4郾 9 m 处用 P25
PAL热像仪拍摄小区热成像图(图 2). 图中 a 为木
桩,b 为排水沟,由于材质和水分的影响,其成像也
呈现高温显示.图中 Sp1 温度为 0郾 4 益,Sp2 温度为
-1郾 2 益,显示增温区与非增温区温度相差 1郾 6 益 .
从热成像来看,夜间被动式增温设施使整个小区地
表温度升高,除去边际效应(0郾 5 m),可以获得 3郾 5
m伊4郾 5 m的有效采样区域.该区域范围能够满足试
验研究中的植株和土壤取样以及对系统进行实地监
测的需要.
表 1 为被动式夜间增温设施下丹阳稻麦不同生
育期的增温效果.此装置可使丹阳水稻全生育期冠
层夜间温度升高 1郾 1 益,分蘖期、拔节孕穗期和灌浆
期分别升高 0郾 6 益、1郾 3 益和 1郾 4 益 .夜间增温使冬
小麦全生育期冠层夜间温度升高 1郾 3 益,不同生育
期增温幅度基本一致,保持在 1郾 3 益 ~ 1郾 4 益;冬小
麦全生育期使土壤(5 cm)的夜间温度升高 0郾 8 益,
其中越冬期、分蘖期、拔节孕穗期和灌浆期分别升高
0郾 9 益、0郾 9 益、0郾 9 益和 0郾 6 益 .
2郾 3摇 夜间增温下田间温度日变化动态
田间温度监测结果表明,被动式夜间增温设施
在不同季节都可稳定地提高作物冠层和土层夜间温
度,尽管在不同季节其增温幅度存在差异,但其昼夜
变化动态与环境温度的日变化基本一致(图 3、图
4).在 2008 年 8 月 1 日和 10 月 3 日两个时期,水稻
增温区与非增温区的白天温度几乎一致,但增温设
图 2摇 被动式夜间增温下夜间冬小麦地表热成像图
Fig. 2摇 Thermal image at nighttime of winter wheat field surface
under passive nighttime warming (PNW) facility.
a)木条 Batten; b)排水沟 Drainage ditch. Sp1: 0郾 4 益; Sp2: -1郾 2 益.
0922 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
施可使水稻夜间(19: 00 至次日 6: 00)冠层温度显
著提高,两个时期分别升高 0郾 5 益和 1郾 1 益(图 3).
增温处理白天温度与对照基本吻合,表明反射膜揭
开后,夜间增温处理冠层温度迅速降低,与对照冠层
温度保持一致.
摇 摇 无论是冬小麦冠层温度还是 5 cm土层温度,其
日变化基本与对照一致(图 4).与对照相比,增温区
小麦冠层夜间温度在 2008 年 1 月 13 日和 5 月 21
日两个时期比对照分别升高了 1郾 6 益和 1郾 5 益 .越
冬期的5 cm土层增温效果比灌浆期明显,2008年
表 1摇 被动式夜间增温设施在丹阳稻麦不同生育期的增温
效果
Tab. 1摇 Effects of passive nighttime warming on the canopy
and soil temperature of rice and winter wheat at different
growing stages in Danyang
生育期
Growing
stage
水稻 Rice
冠层
Canopy
(益)
冬小麦 Winter wheat
冠层
Canopy
(益)
5 cm土层
5 cm soil
depth
(益)
越冬期
Wintering
- 1郾 3 0郾 9
分蘖期
Tillering
0郾 6 1郾 3 0郾 9
拔节孕穗期
Jointing鄄booting
1郾 3 1郾 4 0郾 9
灌浆期
Grain filling
1郾 4 1郾 3 0郾 6
图 3摇 被动式夜间增温下丹阳水稻冠层温度日变化
Fig. 3摇 Diurnal temperature changes of the rice canopy in Dan鄄
yang under passive nighttime warming facility.
CK:对照 Control; W:增温 Warming. 下同 The same below. a) 2008鄄
08鄄01; b) 2008鄄10鄄03.
1 月 13 日和 5 月 21 日两个时期增温处理分别比对
照升高了 1郾 7 益和 0郾 6 益 .
2郾 4摇 夜间增温下麦田土壤含水量变化
由于稻田水分管理的限制,本试验只监测了夜
间增温对麦田土壤水分含量的影响(图 5). 监测结
果表明,该增温设施可以使冬小麦不同生育时期的
土壤水分略微下降. 在开花期(2008 年 4 月 4 日)、
灌浆期 (2008 年 5 月 2 日)和成熟期 (2008 年 5
月31日)增温处理的土壤含水量比对照分别下降
图 4摇 被动式夜间增温下丹阳冬小麦 5 cm 土层和冠层温度
日变化
Fig. 4摇 Diurnal temperature changes at 5 cm soil depth and can鄄
opy of winter wheat in Danyang under passive nighttime warming
(PNW) facility.
S:土壤 Soil; C:冠层 Canopy. a) 2008鄄01鄄13; b) 2008鄄05鄄21.
图 5摇 被动式夜间增温下麦田耕层土壤(0 ~ 25 cm)含水量
的变化
Fig. 5摇 Changes of soil water content at 0-25 cm soil layer un鄄
der passive nighttime warming facility in winter wheat field.
19229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈摇 金等: 被动式夜间增温设施设计及其增温效果摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 不同地区被动式夜间增温对稻麦生育期的影响
Tab. 2摇 Effects of passive nighttime warming on the rice and wheat growing stages at different experimental sites
地点
Site
水摇 稻 Rice
处理
Treatment
移栽时间
Transplanting
date
(m鄄d)
始花期
Initial
flowing
(m鄄d)
提前天数
Advancing
days
(d)
地点
Site
冬小麦 Winter wheat
处理
Treatment
播种期
Seeding
date
(m鄄d)
始花期
Initial
flowing
(m鄄d)
提前天数
Advancing
days
(d)
万宁 CK 07鄄07 09鄄03 0 丹阳 CK 11鄄18 04鄄20 2
Wanning W 09鄄03 Danyang W 04鄄18
瓮安 CK 05鄄25 08鄄21 3 南阳 CK 10鄄03 04鄄20 4
Weng爷an W 08鄄18 Nanyang W 04鄄16
南昌 CK 05鄄02 06鄄21 2 徐州 CK 10鄄05 04鄄29 7
Nanchang W (早稻) 06鄄19 Xuzhou W 04鄄22
南昌 CK 07鄄28 09-16 3 鹿泉 CK 10鄄06 04鄄30 7
Nanchang W (晚稻) 09鄄13 Luquan W 04鄄23
丹阳 CK 06鄄30 08鄄28 7
Danyang W 08鄄21
南京 CK 06鄄10 08鄄25 3
Nanjing W 08鄄22
公主岭 CK 05鄄20 07鄄27 3
Gongzhuling W 07鄄24
平均天数
Average days
3 5
0郾 59% 、0郾 64%和 0郾 31% ,但差异不显著.
2郾 5摇 被动式夜间增温设施的应用
在江苏丹阳进行系统设计和测试的同时,在我
国水稻和冬小麦主要产区进行了系统应用试验. 不
同区域的试验结果显示,夜间被动式增温设施可使
水稻和冬小麦的始花期提前,且存在明显的区域差
异(表 2).夜间增温处理对万宁水稻生育期的影响
不明显,但可使瓮安、南昌晚稻、南京、公主岭水稻的
始花期提前 3 d,南昌早稻始花期提前 2 d,丹阳始花
期提前 7 d.夜间增温处理同样能使冬小麦始花期提
前,其中丹阳、南阳、徐州和鹿泉的冬小麦始花期可
分别提前 2、4、7 和 7 d. 可见在水稻和冬小麦主产
区,夜间增温 1郾 0益左右,可使水稻和冬小麦的始花
期分别平均提前 3 d 和 5 d.
3摇 讨摇 摇 论
本研究设计的被动式夜间增温系统可稳定、均
匀地升高稻麦系统的温度(图 2 和图 3),其中,稻田
全生育期冠层夜间温度可升高 1郾 1 益,麦田全生育
期冠层夜间温度和 5 cm 土层温度可分别升高 1郾 3
益和 0郾 8 益,与 Beier 等[19]设计的欧洲 CLIMOOR
(climate鄄driven changes in the functioning of heathland
and moorland ecosystems)研究平台在灌木系统的研
究结果一致.在不同的季节,作物冠层温度与土壤温
度对增温的响应存在差异. 在背景气温比较高的夏
天,稻麦冠层温度增幅较小;在背景气温比较低的冬
天,冠层温度增幅较大.而土壤温度则受生育期的影
响较大,在作物生长前期土壤对增温响应快且增幅
高,在作物生长后期因群体遮蔽,土壤温度对增温响
应慢且增幅小.总体来看,夜间增温设施能在水稻和
小麦的全生育期达到较高的增温幅度. 田间热成像
监测结果表明(图 2),整个小区地表都有增温效果,
考虑到背景环境的影响,有效采样区域为 3郾 5 m伊
4郾 5 m,且其温度日变化趋势与未增温处理基本一
致,能够满足取样和实际监测的需要.尽管该系统在
不同季节的增温幅度存在一定的差异,但这也与气
候的季节性差异特征相符.因此,采用此夜间增温设
施可以满足作物生产对夜间增温试验的研究需要,
且运行成本较低.
在一些增温方式下,增温对水分输入和输出的
影响较大,如温室和人工气候室[12-14,22] . 本试验所
设计的被动式夜间增温装置对水分的影响不显著,
尽管略微降低了冬小麦的土壤水分含量,但降幅仅
为 0郾 31% ~0郾 64% ,结果与前人的研究相似[15] . 根
据陈全胜等[23]的研究结果,本试验的土壤水分变化
对作物生长的影响不显著.因此,本研究设计的增温
系统及其运行方式,不仅增温效果明显,而且基本满
足了夜间增温单一因子的试验要求,不会导致因土
壤水分变化而产生的多因子效应.
温度升高使作物生长速率提高,生育进程加快.
2922 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
本研究表明,夜间增温加快了稻麦生育进程,且在高
纬度地区更明显. Tao 等[10]研究发现,由于气候变
暖,长沙早稻成熟期每 10 年提前 3郾 6 d;Batts 等[24]
的研究表明,在平均气温 14 益基础上升高 2 益 ~
4 益,可使冬小麦生殖生长期缩短 16 ~ 29 d;蒲金涌
等[25]和廖建雄等[26]的研究都表明,气温升高会使
冬小麦生育期缩短. 这表明本试验设计的增温系统
对作物生长产生的增温效应是可信的.
根据 Kimball[15]研究结果,采用夜间被动式红
外线反射增温方式,覆盖反射膜带来的空气湿度、风
速、露水的差异对植物生长没有明显影响.与其他增
温方式(温室和开顶箱、土壤加热管道和电缆、红外
线辐射器)相比,夜间被动式红外线反射增温方式
对光照、土壤动物和微生物的活动、风速及水分输入
的影响更小[27];而且,由于夜间被动式增温设施面
积较大,边际效应有限,有足够的有效区域开展试
验,又不受电力制约,成本低廉[15-17],值得在研究中
推广应用.
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作者简介摇 陈摇 金,男,1984 年生,硕士.主要从事全球气候
变化和农田生态研究. E鄄mail: chenjin2004777@ gmail. com
责任编辑摇 张凤丽
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