全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(4): 620−628 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30771278), 江苏省自然科学基金项目(BK2007159)和教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-050492)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 张卫建, E-mail: zhangweij@caas.net.cn
Received(收稿日期): 2010-01-07; Accepted(接受日期): 2010-01-20.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00620
农田开放式夜间增温系统的设计及其在稻麦上的试验效果
张 彬 1 郑建初 3 田云录 1 董文军 1 陈 金 1 杨 飞 1 张卫建 1,2,*
1 南京农业大学应用生态研究所, 江苏南京 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; 3 江苏省农业科学院, 江苏南京 210014
摘 要: 气候变暖存在明显的昼夜不对称性, 夜间增温显著高于白天。设计可靠的田间增温设施, 研究作物系统对夜
间增温的响应与适应意义显著。参考国际相关增温系统, 于 2006—2009年在江苏南京设计并运行了我国首个农田开
放式夜间增温系统(FATI, Free Air Temperature Increased), 对稻麦进行夜间主动增温试验, 监测系统温度、麦田土壤水
分和作物生育进程和产量, 以评价该系统的可行性和对稻麦的增温效果。结果表明, 该系统有效且均匀的增温范围为
4 m2, 增温效果明显。在测试用人工草坪上, 晴天、阴天和雨天 3种天气情况下, 该系统 4 m2有效增温范围内地表的
夜温平均升高 2.4℃、2.3℃和 2.1℃。在草坪的垂直层面上, 该系统可以使距地下 5 cm、地表、地上 40 cm和 90 cm 4
个层次的夜温平均分别升高 1.2℃、2.2℃、0.7℃和 2.3℃。在稻麦两熟农田中, 稻季全生育期地下 5 cm、地表、植株
中部和冠层的夜温平均分别升高 0.7℃、0.6℃、1.0℃和 1.6 , ℃ 麦季相应层次可升高 1.2℃、1.5℃、1.8℃和 1.9℃。
在稻麦全生育期内, 增温小区各层温度的变化动态与未增温区的一致。另外, 该系统未改变麦田耕层土壤水分分布特
征, 尽管耕层土壤含水量略有降低, 0~25 cm内各层土壤含水量的降幅均在 0.99~1.62个百分点以内, 与未增温区差异
不显著。夜间增温可以显著缩短作物前期生育期, 使稻麦始穗期分别提早 2.5 d和 11.5 d; 同时, 夜间增温使水稻平
均减产 4.51%, 但小麦增产 18.30%。尽管在作物的不同生育期, 该设施的增温幅度有所差异, 但这与田间实际情况下
不同季节气候变暖幅度不同之特征一致。因此, 该开放式夜间增温系统符合气候变暖的温度变化特征, 可以满足水稻
和小麦所代表的典型作物系统对夜间增温的响应与适应的试验要求。
关键词: 气候变暖; 开放式增温系统; 夜间增温; 稻麦两熟系统; 远红外增温
System Design of Free Air Temperature Increased (FATI) for Field Nighttime
Warming Experiment and Its Effects on Rice-Wheat Cropping System
ZHANG Bin1, ZHENG Jian-Chu3, TIAN Yun-Lu1, DONG Wen-Jun1, CHEN Jin1, YANG Fei1, and ZHANG
Wei-Jian1,2,*
1 Institute of Applied Ecology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural
Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology & Production, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 3 Jiangsu Academy of Agri-
cultural Sciences, Nanjing 210014, China
Abstract: There is evident asymmetry in climate warming between daytime and nighttime with the highest warming rate occur-
ring at nighttime. Since there are high uncertainties in the projecting of climate warming effects on crop production using crop
models, it is essential to design a reliable field warming system to study the responses of crop production system to nighttime
warming in field. Therefore, based on existing field warming facilities in the world, we designed a rice-wheat warming system in
Nanjing, Jiangsu province, the first facility of Free Air Temperature Increased (FATI) for crop production in China, to study the
effects of nighttime warming on crop growing duration and yields during 2006–2009. The results showed that the warming effect
of this facility was significant and well-distributed within 2 m × 2 m area. In sunny, rainy and cloudy days, the night temperatures
on the field surface within the 4 m2 warming area were increased by 2.4 , 2.3 , and 2.1 on average on the tested turfgrass ℃ ℃ ℃
land. At the vertical dimension, the night temperatures of 5 cm underground, ground surface, 40 cm aboveground, and 90 cm
aboveground were enhanced by 1.2 , 2.℃ 2 , 0.7 , and 2.℃ ℃ 3 on average. In the rice g℃ rowing period, the night temperatures of
5 cm underground, field surface, the middle part of crop community and the canopy were 0.7℃, 0.6℃, 1.0℃, and 1.6 higher ℃
第 4期 张 彬等: 农田开放式夜间增温系统的设计及其在稻麦上的试验效果 621


compared to the un-warming plots, respectively. In the winter-wheat growing period, the increments were 1.2 , 1.5 , 1.8 , and ℃ ℃ ℃
1.9 , respectively. During the whole crop growing period, the trends of diurnal change of the above temperatures in warming ℃
plots were all similar with those in the un-warming plots. The distributed characteristics of soil moisture in wheat field were not
significantly changed under this warming facility but with a slightly decreasing trend. The decrements of soil moisture in the 0–25
cm soil layers were all within the scale of 0.99–1.62 percentage points with no significant difference compared to the un-warming
control. Under this warming facility, rice and wheat growing stages were significantly changed, and the durations of rice and
wheat from the sowing date to the initial heading date were shortened by 2.5 d and 11.5 d respectively. Nighttime warming re-
duced rice yield by 4.51%, but increased wheat yield by 18.30% on average. Although, there existed significant differences in the
warming rates among different stages of crop growing by using the warming facility, evident seasonal discrepancy of warming
rates also often occurred in the real fields under climate warming situation. Therefore, the above results suggest that this night
warming facility meets with the temperature characteristics of climate warming and can be used for studies on the responses of
crop production system to nighttime warming.
Keywords: Climate warming; Free Air Temperature Increased (FATI); Nighttime warming; Rice-wheat cropping system;
Far-infrared warming
中长期内全球变暖不可逆转 , ICPP (Interna-
tional Conference on Parallel Processing)预测 1990—
2100年全球气温将上升 1.4~5.8℃[1], 我国相关预测认
为从 2000—2050年中国平均气温将升高 2.3~3.3℃[2]。
大量模型分析和试验研究表明全球变暖将对世界作
物生产构成深远影响, 尤其是对世界上大部分人口
以其为主食的水稻和小麦两大粮食作物[3]。
全球变暖呈现明显的不对称性, 夜间增幅显著
高于白天[1-2, 4-5]。在北半球, 大部分陆地日最低气温
上升的幅度是日最高气温升幅的 3 倍[6]。夜间增温
将导致气温日较差减小, 闫敏华等 [7]研究也发现我
国三江平原气候多年平均年气温日较差减小了
0.7℃。夜间增温和气温日较差下降, 对作物产量和
品质形成影响显著。目前, 国内外大多数模型预测
表明, 增温将导致作物显著减产[8-10]。如 Peng 等[11]
预测在旱季, 夜温增加 1℃水稻将减产约 10%, 但
Lin 等[12]的模型预测在人口快速增长、经济发展和技
术进步缓慢情景下我国水稻和小麦将增产。赵平等[13]
试验研究发现夜间增温 2℃可显著提高荫香的光合
能力, 魏金连等[14]进行的夜间增温试验也提高了水
稻的生物量和有效穗数, 但产量有所下降。这些研究
多来自模型分析和人工控制环境下的试验结果[15-16],
所得结论存在较大的不确定性。
为了克服模型预测分析和人工控制环境研究的
不足, 国际上非常重视田间的实际增温试验。启动
了一系列的开放式增温项目, 开展作物系统对气候
变暖的实际响应与适应研究。至今, 开放式增温系
统主要有开顶箱、土壤加热管道或电缆、红外线反
射或辐射器等[17-19], 这些系统的设计都存在一定的
不足, 如土壤加热管道对植物冠层加热不均匀且对
地下部分及其过程会产生较大的影响, 红外线反射
又在一定程度上影响环境小气候[20-21]。因此, 能模
拟气候变暖机制进行系统水平研究的田间敞开式增
温试验(FATI, Free Air Temperature Increased)逐步得
到了学界的认可, 以从系统水平上来研究植物对气
温升高的实际响应与适应。万师强等[22]在内蒙古建
立了我国首个草地 FATI试验平台, 就草地系统对昼
夜不同增温的响应与适应进行了创新性研究。而国
内在田间条件下, 至今未见报道从农田生态系统的
水平来探讨作物生产对夜间增温的响应与适应的增
温系统设计及相关研究。为此, 笔者在参照国内外
现有的敞开式增温系统设计基础上, 在我国设计首
个农田开放式远红外增温系统, 对水稻和小麦进行
夜间增温试验, 拟为我国全面开展作物生产应对气
候变化的研究提供方法参考。
1 材料与方法
1.1 材料
试验 I：在草坪草地上, 进行增温系统设计和测
试。试验 II 在系统测试的同时, 于田间条件下对稻
麦系统进行夜间增温处理, 验证系统的可行性。
试验 I：于 2006年 12月在南京农业大学校园草
坪内进行, 草坪草以狗牙根为主, 主要进行系统的
设计、增温范围和可靠性测定。
试验 II：于江苏省农业科学院试验田进行
(32°02′ N, 118°52′ E, 海拔 11 m)。2007年 6月 16日
~10月 20日和 2008年 6月 16日至 10月 14日种植
水稻品种南粳 44, 5月 13日育秧, 6月 16日移栽, 株
行距 16.7 cm×20 cm。移栽整地前施复合肥(含总养
分 45%, N∶P∶K=1∶1∶1) 1 245 kg hm−2, 并在分
蘖期和始穗期分别施纯氮 93.7 kg hm−2。2007年 11
月 16 日至 2009 年 6 月 1 日、2008 年 11 月 2 日至
2009 年 5 月 20 日种植小麦品种扬麦 11, 分别施纯
氮、磷、钾 450、105和 120 kg hm−2。其中磷和钾肥
622 作 物 学 报 第 36卷

作底肥一次施用 , 氮肥按基肥∶分蘖肥∶孕穗肥=
2∶1∶1 的比例分别施用, 其他田间管理措施与当
地稻麦大田生产相同。
1.2 试验处理
试验设置常温对照(CK, 放置开放式夜间主动
增温系统 , 但不供电 )和夜间增温 (NW, nighttime
warming; 放置开放式夜间主动增温系统, 供电增温)
2个水平, 小区长和宽为 4 m×5 m, 随机区组设计, 3
次重复。
试验 I: 在常温对照和夜间增温区安装开放式
夜间主动增温系统, 并以系统的远红外黑体管正下
方的中心为中点。在垂直层面上, 于中点地下 5 cm、
地表、地上 40 cm、地上 90 cm分别布置温度监测探
头; 同时, 在水平层面上, 于地表同一侧距中点 0、
20、30、50、70 和 100 cm安装温度探头。在 18:00
至次日 6:00 通电增温, 然后选择晴天、阴天、雨天
3 种典型天气, 不间断监测地表和不同高度的温度
(每种天气重复 3 次 )。另外 , 选择晴朗天气 , 于
24:00~次日 5:00 用 ThermaCAM P25 红外热像仪对
增温区的地面进行摄像, 检测该系统的增温有效面
积及在该区域内增温的均衡性。
试验 II: 在田间安装开放式夜间主动增温系统,
进行全生育期夜间增温(水稻：每日 19:00至次日 7:00;
小麦：18:00至次日 6:00), 并在增温有效区中点地下
5 cm、地表、植株中部和冠层 4个位置安装温度探
头, 监测并记录全生育期温度。同时, 调查并记载稻
麦关键生育期的日期。
1.3 ZDR-41温度记录仪与红外热像仪
ZDR-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±0.1℃。数据
采集和记录时间间隔分别为 2 s和 10 min。
地表增温效应的热成像采用 ThermaCAM P25
红外热像仪(FLIR SYSTEMS Inc.)摄制。摄制前按照
仪器说明书对摄像距离、环境温度和湿度等相关参
数进行设置。
1.4 开放式夜间主动增温系统的相关部件
450/750V绝缘控制电缆、微电脑时控开关、万
能角钢、60×6Q235角钢、配套螺母螺帽、铝板、直
径 5 cm的铝管均由南京五金店购买。远红外黑体管
是根据作者设计要求由浙江余姚市生产, 远红外黑体
管长 180 cm, 直径 1.8 cm, 额定功率为 1 500 W h−1。
1.5 麦田土壤水分
于小麦苗期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟
期, 按“S”形 6点法取耕层(0~25和 0~5、5~10、10~15、
15~20、20~25 cm)土样后立即带回试验室, 拈除土壤
枯叶、石块等杂物, 仔细混匀后称取约 25 g土样, 于
烘箱中 80℃烘干至恒重, 土壤含水量(%)= (鲜土−干
土)/干土×100%。上述取样时期都为雨后至少 4 d的
晴朗天气。
1.6 数据处理与分析
采用 Microsoft Excel 进行初步分析, 绘制相关
图表。试验结果的 F 统计检验采用 SPSS12.0 软件,
并利用最小二乘法进行多重比较。并采取两尾试验
进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 系统设计及组装
开放式夜间主动增温系统由三角架、微电脑时
控开关和增温系统 3 个部分组成。三角架为 2 根长
2.2 m的铝管, 离一端 10 cm处交叉焊接后与另一根
长 2.1 cm铝管的一顶端焊接而成, 铝管间夹角约为
15°, 且三角架未焊接的另一端 3根铝管构成的 3个
点在同一平面上。增温系统由铝板、2根万能角钢、
2个悬挂架、2根远红外黑体管组装而成。其中, 铝
板长 2 m, 宽 20 cm, 离铝板两端 40 cm的中央各加
工 2个固定孔(直径 0.6 cm, 孔距 12 cm); 2根万能角
钢在离两端 40 cm处也各加工一孔径为 0.5 cm的固定
孔; 悬挂架为 60×6Q235角钢加工而成, 长 20 cm, 在
两直角面上分别有2个远红外加热黑体管安置孔(直径
1.9 cm)和 2个螺母固定孔(直径 0.6 cm, 孔距 12 cm)。
开放式夜间主动增温系统的组装：①在铝板两
侧, 把 2 个悬挂架和 2 根万能角钢和铝板相应的螺
母固定孔对齐, 用螺帽螺母把三者固定并拧紧; ②
把 2根远红外黑体管平行安装在 2个悬挂架上; ③在
试验小区中央, 把 1 对三角架固定于土壤中, 确保
支撑架间距为 2 m, 三角架埋入土壤约 30 cm, 然后
用 2.3 m铝管把增温系统悬挂于支撑架上(增温系统
离地面 1.5 m); ④请专业电工进行电源供电线路布
局和牵引, 微电脑时控开关安装; ⑤设定控时开关
供电时段(草地和麦地：每日 18:00 至次日 6:00; 稻
田：每日 17:00至次日 7:00); ⑥打开电源启动开放式
夜间主动增温系统(图 1-A和 1-B)。
2.2 系统的有效增温范围及可靠性
图 1-C和表 1显示, 在测试用的草坪上, 该开放
第 4期 张 彬等: 农田开放式夜间增温系统的设计及其在稻麦上的试验效果 623


式夜间主动增温系统正下方长和宽约 2 m×2 m的区
域内增温效果明显且增幅均匀。在阴天、雨天、晴
天 3 种典型天气情况下, 增温系统对地面有效区域
内的增温效应逐渐减小, 但差异较小, 夜温平均分
别提高 2.4℃、2.3℃和 2.1℃, 阴天和雨天比晴天仅
少提高 0.1℃和 0.3℃。在地表, 距增温有效区中点 0、
20、30、50、70和 100 cm的增温效应都表现为先增
加后减小。其中, 30 cm处温度最高, 夜温平均提高
2.6℃, 但 6 个位点增温效应的差异较小, 晴天、阴天
和雨天 3 种天气情况变异系数分别为 15.13%、
18.47%和 19.27%。另外, 数据还显示, 中点 4 个不同
层次的增温效果为地上 40 cm＜地下 5 cm＜地表＜
地上 90 cm, 晴天、阴天和雨天夜温平均分别提高
0.7℃、1.2℃、2.2℃和 2.3℃。
2.3 稻麦系统的增温效果
稻麦关键生育期夜温动态显示(图 2), 开放式夜
间主动增温与常规对照各个层次的夜温变化趋势一
致, 地下 5 cm表现为一直降低, 地表、植株中部和
冠层为先降低, 5:00后温度升高。夜间增温也显著提
高了稻麦生态系统各层次的夜间温度, 苗期、孕穗、
抽穗和成熟 4 个关键生育期增温效应, 稻季为地下
5 cm＜地表＜植株中部＜冠层, 麦季为地下 5 cm＜
地表＜植株中部＜冠层。同时, 小麦的夜间增温效
应显著高于水稻, 2个作物苗期和成熟期的增温幅度
均高于孕穗和抽穗期。相对于常温对照, 夜间增温
条件下, 水稻 4个生育期地下 5 cm、地表、植株中
部和冠层的夜温平均分别提高 0.7℃、0.6℃、1.0℃
和 1.6℃, 小麦分别提高 1.2℃、1.5℃、1.8℃和 1.9℃,
即田间环境情况下, 夜间增温对小麦的夜温提高幅
度比水稻高 0.6℃, 苗期和成熟期夜温升高幅度比孕
穗期和抽穗期高 0.5℃。
2.4 增温系统对麦田土壤水分的影响
连续两年监测小麦关键生育期耕层土壤水分发
现(表 2), 开放式夜间主动增温对小麦耕层土层水分
的分布特征没有影响, 随土层加深, 夜间增温和常
温对照小麦土壤的含水量都表现为先增加后减小。
其中, 5~10 cm 土层含水量最高, 两年平均分别为
26.11%和 27.25%。同时, 夜间增温略微降低了小麦
各个土层的含水量。相对于常规对照, 2007—2008
年和 2008—2009年夜间增温使小麦苗期、孕穗、抽
穗、灌浆和成熟期 0~25 cm的土壤含水量平均分别
仅降低 0.30、1.07、1.52、1.05、1.32和 1.37、1.55、



图 1 开放式夜间主动增温系统及其有效增温范围(A: 稻田; B: 麦田; C: 地面热成像图)
Fig. 1 System design of free air temperature increased in paddy field (A), wheat field (B), and the thermal picture of warmed field
surface (C)

表 1 3种典型天气下开放式夜间主动增温系统在测试草地上的增温特征
Table 1 Warming characteristics of three typical days under free air temperature increased at night on tested turf grass land (℃)
距中点距离 The vertical distance from center 地上 Aboveground 天气
Weather 0 cm 20 cm 30 cm 50 cm 70 cm 100 cm CV (%)
地下 5 cm
5 cm underground
地表
Ground surface 40 cm 90 cm
晴天 Sunny 2.5 2.5 2.6 2.6 2.6 1.7 15.13 1.4 2.6 0.9 2.5
阴天 Cloudy 2.4 2.5 2.7 2.6 2.3 1.5 18.47 1.2 1.9 0.6 2.3
雨天 Rainy 2.0 2.1 2.5 2.5 2.3 1.4 19.27 1.1 1.9 0.6 2.0
表中温度数据为夜间 18:00至次日 6:00增温与常温对照重复 3日均温的差值。
Data in the table are the differences between the average temperatures of nighttime (6:00 p.m.– 6:00 a.m.) warming and CK during
three days.
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图 2 夜间增温下稻麦关键生育期田间不同层次的夜温变化动态
Fig. 2 Night temperature dynamics of different layers at key growth stages of rice and wheat under nighttime warming and control
A: 冠层; B: 植株中部; C: 地表; D: 地下 5 cm。
A: canopy; B: middle part of crop community; C: ground surface; D: 5 cm underground.
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1.45、1.01、0.30 个百分点; 而 2007—2008 和 2008
—2009年 2个生长季小麦孕穗至成熟期 4个生育期
0~5、5~10、10~15、15~20和 20~25 cm 5个土层的
含水量平均分别降低 1.50、0.63、1.81、1.49、0.97
和 1.73、1.44、1.31、1.47、1.01个百分点。方差分
析发现, 除个别生育期个别土层外, 夜间增温对小
麦 0~25 cm及各个土层含水量的影响未达到显著水
平(P<0.05)。
2.5 夜间增温对稻麦生育进程和产量的影响
表 3 显示, 夜间主动增温缩短了稻麦的生育进
程。相对于常温对照, 2007—2008和 2008—2009两
年小麦的始穗出现日期分别提早了 9 d和 14 d, 从播
种至成熟平均缩短了 9.5 d。同时, 夜间增温也缩短
了水稻的生育进程 , 但其效应要小于小麦的效应 ,
且受影响主要时期为始穗期, 平均仅缩短 2.5 d, 对
移栽至成熟生育天数没有影响。数据还表明夜间增
温使水稻的产量降低了 4.51%, 小麦产量却平均提
高 18.30%, 且差异都达到了显著水平(P<0.05)。
3 讨论
为了深入了解自然生态系统对全球变暖的响应
特征, 国际上已进行了大量增温系统的设计和野外
试验研究[17-20]。目前, 能较好模拟全球变暖增温机
制的增温系统为红外反射或辐射增温系统[21,23], 前
者以 Beier 设计的欧洲 CLIMOOR (Climate-Driven
Changes in the Functioning of Heath and Moorland
Ecosystems)研究平台为代表, 其对空气和土壤夜间
增温效果平均分别仅 0.5℃和 0.8 , ℃ 且该系统在一

表 2 开放式夜间主动增温(NW)下小麦关键生育期不同土层的土壤含水量
Table 2 Effects of nighttime warming (NW) on soil water contents in wheat field (means ±SE, %)
土层深度 Depth of soil layer 生育期
Growth stage
处理
Treatment 0–25 cm 0–5 cm 5–10 cm 10–15 cm 15–20 cm 20–25 cm
2007–2008
CK 30.3±1.51 a — — — — — 苗期
Seedling NW 30.0±1.21 a — — — — —
CK 24.6±0.33 a 22.5±0.90 a 26.9±0.51 a 26.0±0.77 a 25.3±0.54 a 22.3±1.13 a孕穗
Booting NW 23.6±0.76 a 21.2±0.13 b 25.7±1.28 a 25.1±0.74 b 24.8±1.35 a 22.3±1.01 a
CK 25.0±0.82 a 24.9±0.73 a 26.6±0.26 a 25.3±0.67 a 23.8±2.93 a 21.3±1.28 a抽穗
Heading NW 23.5±0.88 a 24.1±0.44 a 25.9±1.09 a 24.3±0.58 b 21.2±1.28 a 19.9±0.38 a
CK 25.4±1.13 a 25.4±0.35 a 27.8±0.30 a 26.7±0.90 a 23.8±1.76 a 23.0±0.76 a灌浆
Grain filling NW 23.3±0.09 a 22.4±1.01 a 27.5±0.18 a 25.3±0.52 a 22.5±0.46 a 21.7±0.82 b
CK 22.0±1.12 a 21.3±2.51 a 24.4±0.54 a 23.8±0.96 a 21.2±1.91 a 18.2±2.04 a成熟
Maturity NW 20.7±1.01 a 20.5±1.72 a 23.2±1.58 a 22.8±1.25 a 19.9±1.64 a 17.1±1.95 a
2008–2009
CK 27.6±0.40 a — — — — — 苗期
Seedling NW 26.2±0.21 b — — — — —
CK 29.4±0.41 a 30.5±0.54 a 33.4±0.42 a 31.2±1.58 a 27.5±1.55 a 23.2±0.20 a孕穗
Booting NW 28.8±0.41 a 29.0±0.38 a 32.4±0.43 a 29.4±0.90 a 25.4±0.42 b 23.0±0.29 a
CK 24.8±0.72 a 24.6±0.25 a 26.8±0.14 a 25.7±0.32 a 22.4±1.35 a 19.7±0.44 a抽穗
Heading NW 23.3±0.83 a 23.3±1.14 a 26.8±0.12 a 25.2±0.47 a 21.9±0.57 a 19.5±0.31 a
CK 24.4±0.84 a 27.2±0.74 a 26.2±0.43 a 25.8±1.36 a 22.7±1.12 a 20.1±1.14 a灌浆
Grain filling NW 22.4±0.65 b 25.6±0.25 b 23.3±0.86 b 23.9±0.93 a 21.7±0.86 a 18.1±0.64 b
CK 22.7±1.10 a 25.7±0.56 a 25.9±2.12 a 25.0±1.62 a 21.6±1.03 a 19.6±0.98 a成熟
Maturity NW 22.4±0.66 a 23.3±1.08 b 24.1±2.30 a 23.9± 0.71 a 19.4±0.54 a 17.9±1.32 a
2007–2008和 2008–2009小麦苗期、孕穗、抽穗、灌浆和成熟期土壤取样时间分别为 3/27、4/28、5/13、5/30和 1/2、3/10、4/9、
4/27、5/22(月/日), 2007–2008 苗期未分土层取样; 表中某一生育期土层“含水量±SE”后的小写字母相同为差异不显著, 不同为差异达
到显著水平(P<0.05)。
Data of seeding, booting, earring, grain filling and maturity were respectively got on 3/27, 4/28, 5/13, 5/30 (month/day) in 2007–2008,
and 1/2, 3/10, 4/9, 4/27, 5/22 in 2008–2009, respectively. Values in the same column followed by different letters are significantly different at
0.05 probability level.
626 作 物 学 报 第 36卷

表 3 开放式夜间主动增温(NW)对稻麦生育进程和产量的影响
Table 3 Effects of nighttime warming (NW) on the growing stages and yields of rice and wheat
作物(品种)
Crop (cultivar)
年份
Year
处理
Treatment
播种日期
Sowing date
(month/day)
始穗日期
Initial heading date
(month/day)
成熟日期
Maturity date
(month/day)
产量
Yield
(kg hm−2)

CK 6/16 8/29 10/20 6887.04 a 2007
NW 6/16 8/26 10/20 6513.97 b
CK 6/16 8/30 10/14 6906.45 a
水稻(南粳 44)
Rice (Nanjing 44)
2008
NW 6/16 8/28 10/14 6657.98 b

CK 11/15 4/7 6/1 6353.00 b 2007–2008
NW 11/15 3/29 5/22 8029.53 a
CK 11/2 4/3 5/22 5886.14 b
小麦(扬麦 11)
Wheat (Yangmai 11)
2008–2009
NW 11/2 3/20 5/13 6487.16 a

定程度上会影响夜间小气候和动物行为[18,20]。反射
增温系统的应用相对较多, 且试验结果更有说服力,
如 Kimball 等[17]设计的红外增温系统使夜间和白天
分别增温 1.2℃和 1.7 , ℃ 其增温幅度比本试验设计
的开放式夜间主动增温系统对草地地表夜间增温平
均低 1.1℃。本文的增温系统还使地表 40 cm和 90 cm
处的夜温度平均提高 0.7℃和 2.3 , ℃ 增温有效面积
为 4 m2, 其面积大于 Nijs 等[23]和 Kimball[24]设计的
红外系统, 略小于 Kimball等[17]2008年设计的系统。
但根据作者连续 3年的试验, 该系统基本能满足地上
和地下生物学的相关研究。同时, 在该有效增温面积
内温度分布均匀, 地表 6 个位点夜温平均增加 2.3 ,℃
变异系数仅为 6.7%。尽管在晴天、阴天、雨天 3种
典型天气情况下 , 夜间增温效果表现为逐渐降低 ,
但地面不同位点和垂直空间的温度差异不显著, 夜
温平均分别增加 2.4℃、2.4℃、2.1℃和 1.8℃、1.5℃、
1.4 , ℃ 极差仅分别为 0.3℃和 0.4 , ℃ 其增温差异可
能是风速和雨水热容量大所致。
2007—2009年分别对稻麦进行 2年的田间试验
发现, 夜间增温使小麦地下 5 cm、地表、植株中部
和冠层的夜温平均分别增加 1.2℃、1.5℃、1.8℃和
1.9 , ℃ 其地下且地表增温效果显著高于水稻, 比水
稻分别高 1.6倍和 2.4倍, 其原因是稻田为水域环境,
其热容量大且水面吸热[25]。夜间增温也使水稻主要
生育期植株中部和冠层的夜温平均分别提高 1.0℃
和 1.6 , ℃ 其增温效果比小麦相应层次平均分别低
0.5℃和 0.3 , ℃ 但本系统在田间的夜间增温效应仍
是红外反射系统的 2 倍[18-19], 这表明本增温系统在
水田和旱地生态系统的有效性和广泛适用性。同时,
比较开放式夜间主动增温系统对稻麦不同层次不同
生育期的增温效果发现, 水稻苗期、孕穗、抽穗和
成熟期的夜温平均分别提高 1.0℃、0.7℃、0.8℃、
1.5 , ℃ 小麦也相应提高了 1.9℃、1.8℃、1.0℃、2.1 , ℃
2个作物苗期和成熟期的夜间增温效果平均比抽穗期
和孕穗期高 0.5 , ℃ 原因可能是田间孕穗期和抽穗期
稻麦的群体大于苗期和成熟期, 但其差异相对较小,
且这两个时期占整个全生育期天数比例小, 特别是
水稻(仅占约 16%), 对该系统模拟全球变暖下农田生
态系统的响应机制影响不大。同时, 在现实的农田
系统中, 田间的气候变暖幅度在不同的季节也是变
化的, 且存在明显的季节差异和日变化[2,5,7]。本系统
在作物不同生育期的增温幅度差异, 事实上也部分
来自实际气温的季节变化及每天的天气变化, 与田
间实际增温特征是相似的。所以, 以上数据表明本
系统对稻麦田间增温效果显著, 在 4 m2内温度分布
均匀, 其对植株中部和冠层夜间增温 1.3~1.9℃, 地
下 5 cm和地表增温 0.8~1.5℃。可见, 该系统基本达
到了研究气候变暖对农田生态系统影响的技术要求,
适合从系统水平探讨作物对气候变化的响应与适
应。田间监测还显示, 环境的风速＞4 m s−1时, 该系
统对作物群体冠层的增温效果会显著降低[24], 因此,
在常年风速长期较大的区域采用本系统进行开放式
增温, 其对作物群体冠层增温的稳定性上存在一定
的不足。同时, 本系统有效增温面积为 4 m2, 田间实
际生长条件下, 由于作物个体的差异比较大, 在破
坏性取样要求较多的情况下, 需要增加增温处理的
重复小区量 , 以保证取样的一致性和数据的可靠
性。另外, 应根据小区布局, 由专业的电工进行线路
设计、安装和日常管理, 确保用电和试验人员的安
全。尤其是在系统启动后, 尽量避免人为活动对增
温有效区的干扰, 减少不必要的田间操作。
对小麦关键生育期土壤含水量的监测发现, 夜
第 4期 张 彬等: 农田开放式夜间增温系统的设计及其在稻麦上的试验效果 627


间增温使土壤含水量略有下降, 但都未达到显著水
平, 其降幅度仅为 0.99~1.62 个百分点, 小于其他相
关增温系统对生态系统土壤含水量的影响[17-18,23-24]。
这确保了开放式夜间主动增温系统对 21 世纪中叶全
球气候变暖特征模拟的准确性, 减少了夜间增温对
土壤水分的影响, 基本满足了试验中温度变化的单
一因子处理要求。另外, 开放式夜间主动增温使稻
麦的始穗时间分别平均提前了 2.5 d和 11.5 d, 显示
出播种/移栽至始穗对夜间增温响应的敏感性, 特别
是小麦。播种/移栽至始穗是作物生长积温累积的主
要时期, 该期分别占稻麦整个生育进程的 60.9%和
72.7%。同时, 夜间增温也使小麦成熟平均提早 9.5 d,
体现生育前期积温对开花和灌浆期的重要作用, 但
还可能与灌浆期小麦温度较高及高温逼熟有关[26]。
该系统夜间增温下, 不仅对稻麦生育期产生了显著
影响, 而且也显著影响稻麦产量。其中, 水稻平均减
产 4.51%, 而小麦平均增产 18.30%, 稻麦系统周年
呈现增产趋势。因此, 在未来气候变暖的背景下, 是
否可以考虑适当早播, 以提前小麦抽穗来减轻后期
高温逼熟的风险, 值得今后在田间分期播种试验及
模型分析中进一步探讨。另外, 本研究的产量数据
表明稻麦生产力对夜间增温的响应还存在作物差异,
不同季节的作物对夜间增温的响应不同, 这为从种
植系统层面来考虑应对气候变暖提供了进一步的研
究思路。
4 结论
开放式夜间主动增温系统可以在 4 m2有效面积
内显著提高农田生态系统小环境条件下的温度, 但
不会影响田间夜温的变化趋势。夜间增温下对小麦
土壤水分略有下降, 但差异未达到显著水平。夜间
增温可显著缩短小麦播种至始穗和成熟的天数, 提
高水稻从播种至始穗这段营养生长期, 同时降低水
稻的产量, 提高小麦的产量。本试验设计的开放式
夜间主动增温系统符合气候变暖的机制, 基本能满
足水稻和小麦所代表的典型农田生态系统对夜间增
温响应与适应的试验研究要求。
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