智慧農業數字化：關於空氣溫度耕作指導及耕作改善說明

一、空氣溫度概念

空氣溫度也就是氣溫，是表示空氣冷熱程度的物理量。空氣中的熱量主要來源於太陽輻射，太陽輻射到達地面後，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面增熱；地面再透過輻射、傳導和對流把熱傳給空氣，這是空氣中熱量的主要來源。而太陽輻射直接被大氣吸收的部分使空氣增熱的作用極小，只能使氣溫升高0。015～0。02℃。

◆ 氣溫的變化反應空氣內能的變化，當空氣獲得熱量時，內能增加，溫度升高，當空氣失去熱量時，內能減少，溫度降低。

◆ 引起空氣內能變化的原因有兩種∶一種是沒有熱量交換。由外界對空氣做功或者空氣對外界做功引起的變化，稱為絕熱變化，另一種是空氣與外界發生熱交換引起的變化稱為非絕熱變化。

二、空氣絕熱變化與非絕熱變化

（一）空氣絕熱變化

（1）空氣幹絕熱變化

熱力學第一定律：熱力學過程中，傳遞和轉換前後能量的總量保持恆定。從外界吸收的熱量△E，等於該系統內能的變化dＵ和對外作功dＷ之和。

◆ 幹絕熱過程：空氣是幹空氣或未飽和的溼空氣（沒有水汽凝結），與外界之間無熱量交換時（△E=0）的狀態變化過程。

◆ 絕熱增溫：當空氣塊下降過程中，因外界氣壓增大，外界對氣塊作功，在絕熱的條件下，所作的功只能用於增加氣塊的內能，因而氣塊溫度升高。這種因氣塊下沉而使溫度上升的現象，稱為絕熱增溫。

◆ 絕熱冷卻：當空氣塊上升過程中，因外界氣壓減小，氣塊體積膨脹，對外作功，在絕熱的條件下，作功所需的能量，只能由其本身內能來負擔，因而氣塊溫度下降。這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現象，稱為絕熱冷卻。

◆ 幹絕熱直減率（γd ）：在大氣靜力平衡的條件下，幹空氣和未飽和的溼空氣因作幹絕熱升降運動而引起氣塊溫度隨高度的變化率，稱之為幹絕熱直減率。

（2）空氣溼絕熱變化

◆ 溼絕熱過程：飽和溼空氣在上升或下降的絕熱變化過程中，會產生水的相變，從而釋放或吸收熱量使空氣塊的內能發生變化，稱此過程為溼絕熱過程。

◆ 溼絕熱直減率（γm ）：溼絕熱過程中的溫度變化率。對γm變化的解釋，γm不是常數，它是氣壓和溫度的函式，隨著氣壓的減小、溫度的升高而減小。

（3）大氣靜力穩定度

定義：處在靜力平衡狀態中的大氣，空氣因受外力因子的擾動後，大氣層結（溫度和溼度的垂直分佈）有使其返回或遠離原來平衡位置的趨勢或程度，稱之為大氣靜力穩定度，大氣穩定度是表徵大氣層結穩定程度的物理量。

◆ 大氣靜力穩定度的判斷

通常用氣溫直減率（γ）與上升氣塊的幹絕熱直減率（γd）或溼絕熱直減率（γm）的對比來判斷。

◆ 判斷方法如下：

（二）空氣非絕熱變化

◆ 空氣與外界的熱量交換主要方式

（1）輻射（地面與大氣）：根據各自溫度的高低透過電磁波交換熱量的方式。

（2）分子傳導（薄層表面片流層）：分子熱運動將能量從一個分子傳遞給另一個分子。

（3）流體熱交換：流體透過相對位移進行熱交換，空氣熱交換分為對流（對流層大氣）、湍流（摩擦層大氣）和平流（水平方向大氣）三種。對流分自由對流和強迫對流；湍流是流體的不規則運動；平流是水平方向熱量傳遞的主要方式。

（4）潛熱交換（水汽）：水的相變過程中，即使沒有溫度變化，也伴隨能量的轉換，稱為潛熱交換，包括熔解潛熱、蒸發潛熱等。

三、氣溫的空間分佈

（一）水平分佈

（1）分佈特點：氣溫從低緯向高緯遞減；冬季同緯度陸地氣溫低於海洋，夏季相反；暖流增溫增溼；寒流降溫減溼；海拔高氣溫低；冬季風降溫；焚風升溫；

（2）氣溫的水平分佈與等溫線

◆ 等溫線：透過圖中氣溫相等的各點連線的平滑曲線。

◆ 等溫線特點：密集，溫差大；彎曲，影響因素多；東西分佈，受緯度影響；南北分佈，受海洋影響；

◆ 等溫線影響因素

（二）垂直分佈

（1）對流層的氣溫垂直變化

地面是對流層大氣的直接熱源；越向上空氣密度越小；水汽、CO2越少。

（2）逆溫層

在一定條件下，氣溫隨高度的增加而增加，氣溫直減率為負值的現象稱為逆溫，發生逆溫的氣層稱為逆溫層（又稱阻塞層）。逆溫按其形成的原因，可分為輻射逆溫、湍流逆溫、平流逆溫、下沉逆溫、地形逆溫、鋒面逆溫和融雪逆溫等。

◆ 輻射逆溫

夜間由地面、雪面或冰面、雲層頂部等輻射冷卻形成的逆溫。厚度，一般為200～300ｍ。高緯地區冬季有時可達2，000ｍ左右。出現時間，大陸上常年都可出現，以冬季最強，夏季最弱。

◆ 平流逆

溫暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上，會發生接觸冷卻，愈近地表面的空氣降溫愈多，而上層空氣受冷地面的影響小，降溫較少，於是產生了逆溫現象，這種逆溫稱為平流逆溫。日變化，夜間加強，白天減弱。

◆ 鋒面逆溫：由於鋒面的溫差所產生的逆溫。

◆ 下沉逆溫：由於下沉運動壓縮增溫而導致的逆溫。

◆ 地形逆溫：在盆地和谷地中，夜晚由於山坡散熱快，冷空氣循山坡下沉到谷底，谷底原來的較暖空氣被冷空氣抬擠上升，從而出現溫度的倒置現象。

四、氣溫的週期性變化

空氣溫度高低取決於空氣的熱量收支情況，低層空氣的熱量主要來源於下墊面，下墊面的熱源是太陽輻射，由於地面輻射平衡具有明顯日和年的週期性變化規律，氣溫也呈現週期性變化。

（一）表徵溫度變化的幾個物理量

較差：指一定週期內，溫度最高值與最低值之差。

日較差：一日內最高溫度與最低溫度之差。

年較差：一年中最熱月平均溫度與最冷月平均溫度之差。

絕對年較差：年極端最高氣溫與極端最低氣溫之差。

位相：最高溫度與最低溫度出現的時間差。

（二）氣溫的時間變化

（1）氣溫的日變化

氣溫日變化成因：晝夜交替和自轉；

氣溫日變化：日最低溫日出前後；日最高溫（晴天）14點；

◆ 氣溫日較差的影響因素

天氣（受大氣環流影響），晴天氣溫日較差＞陰（雨）天。

因為晴天時，白天太陽輻射強烈，地面增溫強烈，夜晚地面有效輻射強降溫強烈。大風天氣的氣溫日較差較小。

◆ 下墊面的性質：陸地上氣溫日較差＞海洋，且距海越遠日較差越大。沙土、深色土、幹鬆土壤上的氣溫日較差分別比粘土、淺色土和潮溼緊密土壤大。

◆ 地形：谷地（盆地）＞平原＞山頂

盆地，空氣與地面接觸面積大，白天通風不良散熱不易，而夜間常有冷空氣下沉，故氣溫日較差大。山頂地形因風速較大，熱量交換迅速，雲雨較多，氣溫日較差小；同時，山頂與大陸接觸面積小，受地面日間增熱、夜間冷卻的影響較小，再加上夜間地面的冷空氣可以沿坡下沉，而換來自由大氣中較暖的空氣，因此氣溫日較差較小。

◆ 高原氣溫日較差＞同緯度平原

青藏高原比同緯平原、盆地日較差大。原因：海拔高，空氣稀薄，大氣密度小，大氣的保溫作用及削弱作用低，因此白天升溫快，夜晚降溫快。

◆ 緯度：氣溫日較差隨緯度的升高而減小。

因為一天中太陽高度的日變化是隨緯度的增高而減小的。一般熱帶地區日較差12℃左右；溫帶地區8～9℃；極圈內3～4℃。

（2）氣溫的年變化：氣溫年變化原因：黃赤交角、公轉。大陸性氣候區、

季風氣候區最冷月出現的時間在1月。大陸性氣候區、季風氣候區最熱月出現的時間在7月。

◆ 緯度：高緯度＞低緯度。因為隨緯度的增高，太陽輻射能的年變化增大，晝長變化也大。

◆ 海陸：由於海陸熱力性質不同，對於同一緯度的海陸相比，大陸上氣溫年較差比海洋大得多。一般溫帶海洋年較差11℃左右，溫帶大陸達20～60℃。

◆ 地形、地面性質、大氣環流與天氣：高原＜平原，森林、水庫＜沙漠，海洋性氣候＜大陸性氣候，溼潤地區＜乾旱地區，不同氣壓帶與風帶（天氣不同）控制的地區氣溫年較差也不同。青藏高原比同緯度氣溫年較差小，日較差大。原因：低緯的大高原，夏季因其海拔高較涼；冬季因緯度低，且受高大地形的影響南下的寒冷氣流影響不到，氣溫不太低。

（3）氣溫的非週期變化：倒春寒、秋老虎。

五、我國的氣溫時空特點與主要城市平均氣溫

（一）我國的氣溫時空特點

氣溫分佈特點：冬季，南、北溫差大，越往北溫度越低。夏季，除青藏、天山外，南北普遍高溫。

（二）主要城市平均氣溫

（1）主要城市平均氣溫（℃）

（2）重要城市氣候資料

六、溫度的換算關係

◆ 溫度轉換計算公式

七、溫度的適宜值範圍參照

溫度三基點是作物生命活動過程的最適溫度，最低溫度和最高溫度的總稱。在最適溫度下，作物生長髮育迅速而良好；在最高和最低溫度下，作物停止生長髮育，但仍能維持生命。如果繼續升高或降低，就會對作物產生不同程度的危害，直至死亡。

（1）幾種作物生長的溫度三基點

◆ 溫度三基點定義及特性

◆ 溫室果菜溫度管理指標參照

八、耕作指導

（一）植物生長對溫度的要求（積溫）

活動積溫：高於生物學最低溫度的日平均溫度。有效溫度：高於生物學最低溫度的日平均溫度與生物學最低溫度之差。有效積溫：植物某一發育時期或整個生長髮育過程中有效溫度的總和。

（1）氣溫與農作物熟制。我國根據≥10℃積溫自北向南劃分五個溫度帶，即寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶，同時另有一個獨特的青藏高原氣候區。

（2）氣溫日較差與農業。日溫差大有利於農作物生長：白天氣溫高，有利於光合作用，夜晚氣溫低減少呼吸作用，有利於有機物積累。

（3）氣溫與災害。低溫、凍害（倒春寒）、乾旱、溫室效應、凌汛。

◆ 凍害、寒害、冷害、霜凍

（二）植物與溫度的關係

植物的代謝過程必須在一定的溫度範圍內才能正常進行。溫度對植物生長的影響主要表現在溫度對光合作用的影響。晝夜變溫對植物生長具有促進作用。

在自然的CO2，濃度和光飽和情況下不同植物光合作用的溫度三基點（℃）（引自姜漢僑，2004）

◆ 溫度對植物發育的影響

春化作用，發育起點溫度，有效積溫法則。植物的生長髮育需要一定的溫度範圍，低於某一溫度，植物的生長髮育就停止，高於這一溫度，植物才開始生長髮育，這一溫度閾值稱為發育起點溫度或生物學零度。 溫帶植物5～6℃；亞熱帶植物10 ℃；熱帶植物 >18 ℃。

◆ 有效積溫法則的意義：預測生物發生的近世代數；預測生物地理分佈的北界；預測害蟲來年的發生情況；制定農業氣候區劃，合理安排作物；預報農時。

◆ 溫度日變化對植物的影響

（1）促進種子發育，提高萌發率；（2）促進植物生長；（3）影響植物開花結實；（4）影響植物的產品質量；（5）對植物分佈的影響；

◆ 溫度年變化對植物的影響

生物生長長期適應於一年中溫度水分的節律性變化，形成了與此相適應的生物節律的現象，稱為物候。物候期（phenological phase）∶生物生長髮育節律稱為物候期。物候期可以預報農時活動，預報蟲害，推測未來氣候的變遷等。

（三）溫度過高或過低對植物影響

（1）溫度過高易形成熱害：容易產生乾旱，細胞脫水，影響植物生理代謝活動；

破壞光合作用和呼吸作用的平衡；破壞蒸騰作用與吸收作用的平衡；使蛋白質凝固變性，破壞酶的活性，妨礙正常的生理生化反應，導致有毒物質積累而傷害生物。影響受精過程；突然的高溫使樹皮灼傷甚至開裂，導致病蟲害入侵。主要表現：氣溫過高，會使植物忍受不了高溫，而且水分蒸發量大，易出現缺水容易造成植株生長細小，長勢很弱，和出現葉片發黃的情況。

（2）溫度過低易發生冷害和凍害：植物的器官或組織受凍，引起細胞內的水分結冰而破裂，引起細胞死亡。冷害（寒害）低溫打破了代謝的協調性；霜害；生理乾旱。主要表現：氣溫過低，會使不耐寒的植物受到凍害，葉子變黃乾枯黃尖。

九、耕作改善

（一）調節溫度的措施

（1）控制氣溫

根據植物適宜的生長溫度進行調節，例如：火龍果是典型的熱帶植物，耐高溫不耐低溫，適宜的生長溫度一般為25-35℃之間。當環境溫度低於10℃或高於38℃時，火龍果植株就會進入休眠狀態，停止生長，透過這種方式以抵禦低溫及高溫脅迫。

春秋季節一般在夜間將風口開啟，來降低夜間溫度，增加晝夜溫差，這樣有利於增加植株生長環境中的二氧化碳濃度，提高果實品質。

夏季氣溫較高，易發生日灼現象，而隨著夏季持續的高溫影響，在大棚頂部加蓋遮陰度較低的遮陽網，即可避免日灼，達到降溫效果，又不影響植株光合製造養分。同時高溫時段植株噴灌灑水可明顯降低植株溫度。

冬季氣溫較低，尤其受到地區的影響，又是還會出現一些極端的低溫天氣，因此進行加溫、燻煙等措施進行增溫保暖十分的重要。另外，老熟枝條較幼枝及未老熟枝條抗凍能力強，在保溫措施較差或凍害發生頻繁地區，可選擇春季留結果新枝，待冬季來臨前，枝條達到老熟狀態，增強其抗凍能力。

（二）增溫措施

◆ 噴水增溼，可利用棚架覆蓋遮陽網、覆蓋雜草、抹稀泥等加溫和保溫措施，避免在中午高溫時灌溉。在寒冷的冬季，應採用節制澆水，培土、鬆土，覆蓋等措施，以提高地溫，保證花卉安全越冬。

◆ 增施釀熱物，如：牛糞、馬糞、豬糞、秸稈、餅粕、垃圾等，還可透過增施磷鉀肥與有機肥，在有機肥腐解過程中，不僅能提高土溫和棚溫，減輕凍害，而且二氧化碳氣體的釋放，可以作為碳素肥源，降低溫室生產成本。

◆ 增施足量有機肥，能夠提高地溫1℃，並能增加溫室內二氧化碳濃度。

◆ 控制澆水次數以及水量：水能降低地溫和溫室氣溫。嚴冬和早春澆水宜少，切忌大水漫灌。以隔行澆水為好，如能採用滴灌效果更好。

（三）降溫措施

◆ 夏季可採用搭蔭棚和葉面的周圍地面灑水的辦法，減少陽光直射，降低溫度。高溫應禁止施肥，防止肥害。氣溫較高時，應降低施肥濃度。

◆ 加強通風，延長通風時間。

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農捲風編輯：林偉濤