垄距和天气对玉米灌浆期开顶式气室(OTCs)增温效果的影响

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

IPCC第五次报告指出，气候变暖已是不争的事实，这将直接导致整个地球的气候规律发生一定程度的变化[1-2]，并对农业生产和粮食安全产生重要影响[3-5]。因此，越来越多的学者开展了大量模拟增温试验，并取得了众多的研究成果。例如，De Boeck等[6]研究了在开顶式增温装置下，作物叶片温度在气室内外的差异特性，发现了OTCs能够显著地减缓风速，提高室内的温度，进而改变作物自身的能量平衡，提高叶片组织的温度，最终影响作物的生长和新陈代谢。任三学等[7]在田间开展对华北冬小麦模拟增温的试验发现，适度的增温对冬小麦的生长有利，但幅度过大会使小麦减产。Netten等[8]发现，在玉米营养生长阶段改变昼夜温差对玉米长势及产量有一定的影响，认为夜晚温度升高导致的气温日较差变小会对玉米带来不利影响。就目前增温研究采用的模拟方法主要分为四类：温室和开顶箱、土壤加热管道和电缆、红外线反射器以及红外线辐射器[9]，其中开顶箱即开顶式增温生长室(OTCs)是最简单普遍、经济适用的增温装置，被广泛用来模拟增温对作物的影响[10]。现有的相关研究虽然考虑了OTCs增温装置的增温效应[11-14]，但多数是从观测期的冠层平均温度和空气的平均温度进行比对，而未对该增温装置在不同天气下的增温效果进行深入分析；此外，当前研究并未考虑不同垄距种植格局所形成的冠层结构对该装置增温效果的影响[15-16]。因此，研究不同垄距种植格局和不同天气背景下OTCs装置的增温效果差异，可为进一步模拟气候变暖对作物生产系统的影响规律提供依据，具有重要的科学意义。

东北地区地处中高纬度地区，是气候变暖最为显著的地区之一，其增温率达到1.43℃(100a)-1，较全国近100年的平均增温率高出了3倍[17]，近年来作物灌浆期间高温灾害事件频发且强度加大[18]。灌浆期是玉米产量形成的关键时期[19]，研究区7月中旬进入盛夏，8月下旬向秋季进行过渡，这段期间的天气变化最为复杂[20]，因此，开展玉米灌浆期间的增温研究尤其重要。鉴于此，本文开展了东北地区玉米不同垄距下，尤其是不同天气背景下OTCs的模拟增温效果的研究，旨在明确OTCs增温装置在不同垄距和不同天气背景下的模拟增温效果，为后期开展玉米对气候变暖响应的增温试验提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于黑龙江省海伦市(46°57′～47°51′N，126°13′～127°44′E)郊区的邢家屯，距离海伦市市区 6 km。该地区海拔227 m，属寒温带大陆性气候，四季分明，夏季温热多雨，平均气温在19℃～20℃之间；冬季寒冷干燥，平均气温约在-20℃，极端气温-39℃。年降水量550 mm左右，多集中在6-8月份。土壤是由暗棕壤和粉砂质黏壤土构成的典型中层黑土[21]。该区的主要作物是大豆和玉米，作物的生长季节主要在5-9月，图1为试验区作物生长季从1961-2016年的温度变化情况。

1.2 试验方法

1.2.1 试验样地设计。在保持研究区平均种植密度(5万株/hm2)不变的基础上，设置4种垄距种植模式，模式1：垄距55 cm，株距36 cm；模式2：垄距60 cm；株距33 cm；模式3：垄距65 cm，株距 31 cm；模式4：垄距70 cm，株距29 cm。选取地势平坦的样地随机进行增温处理小区(TI)和自然对照小区(CK)的布设，每种种植模式随机重复3次(图2)。为防止小区面积过大，出现增温边缘效应，每个小区的面积设为3 m×3.3 m。2016年春季播种，每个小区播种品种均为海伦地区常用的玉米品种—海玉12，整个生长季各小区耕种措施、施肥与灌溉等农艺措施保持一致。在7月中旬玉米进入灌浆期开始搭设增温装置，进行全天候增温，监测时间为7月26日-9月22日。

图1 研究区1961年至2016年生长季温度年均温度Fig.1 Average annual temperature of the growing season during 1961-2016 in the study site

图2 小区样方布设图Fig.2 The schematic diagram of treatment plots

1.2.2 增温设计与监测。该试验采用开顶式生长室(OTCs)进行增温。OTCs增温装置主要是依靠聚集太阳辐射和减缓风速来进行增温。传统的OTCs装置为小体积的八边形棱柱状，体积多小于10 m3[22-23]。考虑到玉米种植株行距和长势较高的原因，此外也避免锥状OTCs所产生的温室效应。本试验中所建立的OTC，是由不同规格的铁管组套而成，框架的高度为2 m，随着作物生长，可调节增温装置的高度，OTC的底部面积为3 m×3.3 m，顶部开口面积也为3 m×3.3 m，四周表面利用透光率较好的塑料薄膜覆盖，图3为开顶式生长室增温装置示意图。

图3 开顶式增温装置示意图Fig.3 The schematic diagram of OTCs warming facilities

在增温小区以及对照小区对角线中间安置1.3 m高的气象监测装置——HOBO温湿度记录仪，设置每10 min自动记录一次冠层的温湿度数据。该仪器由美国Onset公司生产，温度精度可控制在±0.21℃(0～50℃时)、湿度为±2.5%RH，保证了数据的准确与连续性。

1.3 数据处理与分析

根据中国气象网站所提供的当地日照时数，参考历史天气网站(http://lishi.tianqi.com)所提供的天气类型，按照日照百分率将观测灌浆期内的天气划分为晴天、多云和雨天3种类型。采用Excel对HOBO仪器所记录的温度数据进行初步处理，求取冠层平均温度；用Savitzky-Golay法进行滑动处理使温度曲线更加平滑以便提取其中的信息，对比分析不同天气类型、不同垄距下的冠层温度日变化特征；利用SPSS19.0中完成所有的统计分析，置信区间为95%；利用积分法计算出日增温时长、增温幅度和增温强度(图4)。用Origin 9.3完成所有图的绘制。

图4 增温强度和增温时长计算示意图Fig.4 The schematic diagram of the temperature increase intensity and length

增温时长(LTI,Length of temperature increase)是指增温前后的温度差大于零的时间长度，计算公式：

LTI=t1-t0(Ti≥0)

(1)

增温强度(ITI,Intensity of temperature increase)是指在增温时段内所有温度差大于零时的积温值，用来衡量增温能力的指标，计算公式 ：

(2)

增温幅度(ATI,Amplitude of temperature increase )是指增温时段内在某一时刻的瞬时增温强度，计算公式：

ATI=dITI/dLTI

(3)

式中：t0、t1分别为增温开始时间和增温结束时间；Ti为i时刻增温前后温差大于零的温差值。

2 结果与分析

2.1 不同垄距和天气状况下玉米OTCs冠层温度差异

OTCs模拟增温结果表明，与自然对照相比，不同垄距下玉米冠层温度明显升高(表1)。55 cm、60 cm、65 cm和70 cm 4种垄距下的玉米冠层日平均温度在整个灌浆期内分别升高了0.30℃、0.23℃、0.45℃和0.26℃。在3种典型天气状况背景下，玉米冠层的平均温度均有升高趋势，但各天气类型下的增温幅度不尽相同。雨天状况下，除了55 cm垄距下的玉米冠层增温幅度为0.09℃外，其余3个垄距的增温幅度在0.17℃～0.29℃；相比之下，晴天和多云天气下的冠层平均温度升幅较高，分别为0.33℃和0.40℃。

表1 各垄距下OTCs冠层内外均温Table 1 The canopy mean temperature inside and outside OTCs in different row spacing

在不同天气状况下，自然对照处理下各垄距冠层温度随着垄距的增大而逐渐下降，55 cm垄距温度最高，70 cm垄距冠层温度最低。但是增温处理后，晴天和多云天气下的冠层温度随着垄距的变化规律为55 cm>65 cm>60 cm>70 cm，而雨天下冠层温度的变化规律为65 cm>60 cm>55 cm>70 cm。

2.2 不同垄距和天气状况下玉米OTCs温度日变化特征

灌浆期内，不同垄距下玉米的OTCs的内外冠层温度日变化如图5A所示。从图中可以看出室内外冠层温度变化一致，只有一个峰值。各垄距的冠层温度在太阳升起前都呈缓慢下降的趋势，在4：30 am左右出现最低值，室内最低值低于室外最低值；随后，各垄距的冠层温度开始急剧升高，在7：00 am左右，55 cm、65 cm、70 cm垄距开始增温，60 cm垄距滞后1 h开始增温；各垄距模式在1：00 pm～2：10 pm温度达到最高峰，室内温度高于室外温度；随后温度开始下降，55 cm垄距在下午4：20 pm较早结束增温，剩余垄距处理均在傍晚7：20 pm左右结束增温；室内夜晚冠层温度低于室外温度。

从不同天气条件下玉米OTCs内外温度日变化情况看出，在晴天、多云和雨天3种天气状况下，玉米OTCs室内外温度变化趋势一致，均呈单峰曲线。日出之前，室内温度均低于室外温度，晴天和雨天天气下，室内外温度最低值均出现在4：30 am，多云天气下滞后10 min出现在4：40 am。随着太阳的升起，室内外温度均开始逐渐升高，雨天升温比晴天和多云天气下较缓慢。55 cm垄距在晴天和多云状况下，均提前30 min左右达到了最高值，雨天天气下室内外出现温度最高值的时间一致。60 cm、65 cm、70 cm垄距无论在哪种天气背景下，其出现温度最高值的时间均与室外一致。随后温度呈平缓下降趋势，55 cm在4：10 pm左右较早的结束增温，其余3个垄距均在7：20 pm结束增温。增温处理后，室内的日较差均大于室外日较差。晴天状况下，全天室内温度日较差为6.2℃～7.3℃，多云的室内温度日较差为1.87℃～3.2℃，雨天室内温度日较差为7.08℃～7.62℃(图5B、C、D)。

图5 玉米OTCs内外冠层温度日变化Fig.5 The daily canopy temperature change of the maize inside and outside OTCs

2.3 不同垄距和天气下玉米OTC日增温效应

增温效应主要取决于一天内的增温强度、增温幅度和增温时长3个方面。通过积分法定量计算出增温幅度和增温强度，可以较好的直观比较出各垄距在整个灌浆期和不同天气背景下的增温效果。由图6可知，整个灌浆期增温处理后，55 cm、60 cm、65 cm和70 cm 4种垄距下的玉米冠层温度平均日增温幅度为1.12℃、0.82℃、0.98℃和0.60℃。就增温时长而言，55 cm垄距最早结束增温，时长最短，为8.5 h；60 cm垄距的增温开始时间最晚，增温了11.2 h；65 cm垄距的增温维持最久，时长为13.5 h；70 cm垄距增温时长为13 h。对比不同天气状况下各垄距的增温幅度变化规律发现，晴天的增温幅度最大，其次是多云和雨天。各垄距的增温幅度与灌浆期规律一致，从大到小是55 cm>65 cm>60 cm>70 cm。对比不同天气状况下的增温时长发现，晴天天气下，70 cm垄距的增温开始时间滞后了40 min，且提前结束增温；雨天天气下，60 cm提前1 h 50 min开始增温，但增温时长总体与灌浆期间各垄距时长规律一致，65 cm垄距增温时长最长，接下来依次是70 cm、60 cm、55 cm。

图6 玉米OTCs的平均日增温幅度和增温时长Fig.6 The mean warming amplitude and warming length of the maize OTCs

图7 玉米OTCs整个灌浆期的增温强度Fig.7 The warming intensity of the maize OTCs in filling stage

图7为不同天气和不同垄距下的玉米OTCs的日增温强度。整个灌浆期增温阶段，垄距55 cm玉米冠层增温61.57℃，60 cm垄距增温52.57℃，65 cm垄距增温75.53℃，70 cm垄距增温44.88℃。比较3种不同天气状况下的各垄距的增温强度可知，在晴天天气状况下，65 cm和55 cm两个垄距的增温强度较大，65 cm垄距的增温强度高出55 cm垄距3.34℃，60 cm和70 cm垄距的增温强度大小较为接近，分别为55.33℃、51.88℃。多云天气下各垄距的增温强度大小相差较大，65 cm垄距的增温强度明显高于其他3种垄距的玉米增温强度，70 cm垄距的增温强度最小，为52.78℃。晴天和多云天气下，各垄距的增温强度从大到小分别是65 cm、55 cm、60 cm、70 cm；与晴天和多云天气相比，雨天天气下的各垄距的增温强度明显降低，55 cm垄距在各垄距中增温强度最低，仅为29.80℃，60 cm垄距增温41.95℃，65 cm垄距增温52.03℃，70 cm垄距增温29.85℃。

3 讨 论

针对作物对气候变暖的响应研究，国内外已经进行了大量的增温模拟试验，选用不同的增温装置导致的影响作用和效益明显不同。比如，White等[24]、Kimball等[25]、王鹤龄等[13]、谭凯严等[7]选用开放式红外增温装置设定恒温后置于作物顶层，通过向下辐射热量使冠层内部温度升高，进而研究升温对小麦影响，但这种装置增温是靠电力维持，增温越高，耗电成本越高，此外这种装置在作物冠层顶部形成的温度梯度可能会对作物产生影响。大多数学者在OTCs的增温研究中，主要是针对单株作物进行研究，例如郭建平等[26]选择人工气候室研究了增温对单株小麦、玉米和大豆的影响，其温度增幅是根据作物生长季的时间分布进行设置调整，但是鉴于作物是群体生长，生长所利用的环境条件会随气候变暖进行调节适应，单株作物并不能完全反映其真实情况。对比作物单株增温研究，郭艳亮等人利用改进后的48 m3大小的玉米OTCs在咸阳市王东村田间开展模拟试验，得到了OTCs的增温幅度在0.4℃～0.8℃之间[27]，但是此模拟试验中，CO2浓度的升高会对OTCs的增温效应产生交互影响。基于以上研究存在的问题，本文专门研究了玉米OTCs的增温效应，剥离了CO2浓度升高带来的增温不确定性，采用每隔10 min连续监测的1.5 m处冠层温度数据，基于Savitzky-Golay滑动处理法和积分法对该装置的增温效果进行评估。结果表明，该装置起到了较好的增温作用，使玉米灌浆期各垄距下的冠层温度升高，日平均增温幅度在0.6℃～1.12℃，尤其在中午时分，增温幅度最大高达3.1℃，能够较好的模拟自然条件下全天温度的变化。

本研究发现，OTCs的增温效果与玉米不同垄距形成的冠层结构有关。OTCs增温装置是借助于减缓空气流速，室内气体与外界气体交换减弱的原理来减少热量的散失，从而使温度升高[28]。而不同的垄距结构会形成不同的冠层微结构，改善植株的生长环境，提高对光热水肥的利用，从而影响到冠层的温度等微气象因子[29]。能量流动是一个复杂的动态平衡过程，因此本文通过计算增温积分值比较了不同垄距下玉米OTCs内外的冠层温度差异，核算了4种垄距模式下的增温效应。我们发现在自然对照处理下各垄距冠层增温幅度和增幅强度随着垄距的扩大而逐渐减小，这与苌建峰等人[30]在研究不同株行距对夏玉米冠层结构和群体抗性中得到的结论一致，即，相同密度等行种植的情况下，冠层的温度随着行距的扩大而降低。产生这一现象的主要原因是由于随着行距的扩大、株距的减小，个体植株在株间的生长空间变小，株型向垄间延伸而使叶片覆盖程度较低，植株拥有了良好的通风、透光条件，进而温度变低。增温处理后的各垄距的玉米冠层增温幅度和增幅强度的变化不符合这一规律，其主要原因可能是开顶式增温气室内部复杂的能量流动平衡和作物群体自身的适应调节能力互作的结果。其中，65 cm和55 cm垄距的变化波动幅度较大，垄距65 cm时的增温效果最好，具体原理有待今后进一步研究。因此，在开展OTCs装置研究作物对气候变化响应的，需要考虑垄距及冠层结构的影响作用。

开顶式生长室是在透明温室的基础上改造的，受外界天气状况的变化影响较大。权欣等[31]在三江源高寒草甸区采用OTCs研究模拟增温效应中曾指出，当地夏季多阵雨，影响了增温效应，但是并没有具体开展不同天气背景下的增温效应研究。郭燕云等[32]在荒漠草原局地研究了不同天气背景下OTCs室内外的温度日变化，但是仅选取一天时间段进行日规律变化的分析，分析结果具有瞬时性和不确定性，而且没对日增温效应进一步展开讨论。在本研究中，分析处理按照当地的日照时数，参考气象网站划分研究期间的天气状况，研究了不同天气下OTCs室内日增温规律变化。通过分析在典型天气背景下的OTCs增温日变化特征和增温效果，结果表明OTCs增温装置在不同天气状况下起到的作用明显不同，天气晴朗程度越好，增温效果越好。由于该装置为被动增温，主要依靠太阳能，而雨天的云层厚且多，极大程度上削弱了太阳辐射。东北地区夏季受季风影响，降水多集中在作物生长季，因此分析该装置在不同天气状况下的增温效果具有重大意义。

4 结 论

使用开顶式生长室(OTCs)提高了玉米灌浆期的冠层温度，同时可以较好地模拟自然温度的变化，能够用该增温装置进一步研究作物对气候变暖的响应和适应性。由于各天气状况下及各垄距间的增温效果不同，在实际应用中需要考虑到天气和垄距因素的影响。通过本试验研究，主要得到以下结论：

(1)OTCs增温装置使灌浆期各垄距玉米的冠层日均温度、日最高温度升高，夜间增温不明显，65 cm和55 cm温度变化幅度较大。

(2)玉米OTCs增温装置的增温效果受垄距因素的影响。整个灌浆期内，玉米OTCs增温65 cm垄距的增温效果最好，其次是55 cm垄距，70 cm的增温效果最差。晴天和多云天气状况下，垄距的增温效果大小为65 cm>55 cm>60 cm>70 cm。雨天天气下，各垄距的冠层增温效果大小为65 cm>60 cm>70 cm>55 cm。

(3)玉米OTCs增温装置的增温效果受天气状况的影响。晴天和多云天气状况下，增温强度和幅度优于雨天天气下的强度和幅度；增温时长表现为多云>雨天>晴天。

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