农业气象学概论

研究农业与气象条件之间相互关系及其规律的科学，它既是应用气象学的一个分支，又是农学的一门基础学科。农业主要是在自然条件下进行的生产活动。光、热、水、气的某种组合对某项生产有利，形成有效的农业自然资源；另一种不同的组合对农业生产有害，构成农业自然灾害。农业气象学的基本任务就在于研究这些农业自然资源和农业自然灾害的时空分布规律，为农业的区划和规划、作物的合理布局、人工调节小气候和农作物的栽培管理等服务，还开展农业气象预报和情报服务，对农业生产提供咨询和建议，以合理利用气候资源，规避不利气象因素，采取适当的农业措施，促进农业丰产，降低成本，提高经济效益。
发展史：人类从狩猎、采集过渡到种植业以后，便逐步积累气象条件对农业生产影响的知识。中国早在春秋时代己知用土圭测日影的办法定季节，有了春分、秋分、夏至、冬至四个节气。在《诗经·豳风·七月》中已经有“四月秀葽，五月鸣蜩”，“八月剥枣，十月获稻”的物候记载。西汉初的《淮南子·天文训》一书中已有二十四节气的全部名称。《逸周书·时训解》中将一年分为七十二候，每个节气为3候，每候5天，各有一相应的物候现象。这是中国最早形成的结合天文、气象、物侯知识指导农事活动的历法。这可看作古代农业气象学的萌芽。温度表的发明并用于气象学和生物学研究之后，开始了植物生长发育与气象条件定量关系的观察研究。随着气象观测网的建立，逐步开展了气候与农业关系的研究。农业气象学一方面作为生态学的重要组成部分，通过定量观测研究植物(或动物)生长发育与环境气象因子的关系而发展起来。如1735年著名的列氏温度表创始人XXXXXXXX列奥米尔发现可用积温来衡量植物的生长速度，这一学说至今仍是农业气象学的一个重要基础理论。另一方面农业气象学又是作为地理气候学的一个重要分支而发展起来。如：俄国的A.N.沃耶伊科夫、奥地利的A.苏潘、德国的W.柯本、中国的竺可桢等人，对植被、动物、土壤与气候的关系以及地区分布进行了研究，为农业气候学和农业物候学的发展开辟了道路。但是农业气象学形成一门完整的独立的学科并进行系统的研究则只是20世纪30～40年代以来的事。第二次世界大战之后，由于人口增长对粮食需求的压力，加之气候异常引起粮食生产的巨大波动使各国政府对粮食生产极为关切，因之农业气象学在世界范围内受到重视，在农业科学和大气科学迅速发展的同时，农业气象学也得到相应的迅速发展。国际气象组织于1913年成立了农业气象学委员会(CAgM)，至1983年已开过8届会议。中国在1953年开始了系统的农业气象研究和业务工作。
现代农业气象学的主要研究领域有：作物气象、畜牧气象、林业气象、病虫害气象、农业气候、农田小气候和小气候改良、农业气象预报、农业气象观测和仪器等。
作物气象：作物的生长、发育和产量形成同气象条件有密切的关系：太阳辐射和植物生长:农作物光合作用和生长发育的全部能量来自太阳辐射。光对植物的作用有三个方面，即光合作用、光周期效应和向光性效应。不同波长的辐射对植物有不同的影响，按照对植物的作用，可将太阳光谱划分为8个波段：①波长大于1.00微米的辐射，不参与光合作用，只转化为热能。②波长1.00～0.72微米的辐射，能促进茎伸长。③波长0.72～0.61微米的辐射，为叶绿素最强的吸收带，有强的光合效应，很多情况下也表现强的光周期效应。④波长0.61～0.51微米的辐射，为光合作用的低效区，弱的成形作用。⑤波长0.51～0.40微米的辐射为叶绿素和黄色素的强吸收带，光合作用的次高峰区，强的成形作用。⑥波长0.40～0.315微米的辐射，可使植株变矮，叶片变厚，多数害虫对此波段辐射有趋光性。⑦波长0.315～0.28微米的辐射，有显著的灭菌作用，对多数植物有害，⑧波长小于0.28微米的辐射有强灭菌作用，小于0.26微米的辐射对植物有致死作用。由于大气臭氧层对紫外幅射的吸收作用，小于0.29微米的太阳辐射不能到达地面。
太阳光谱中决定植物光合作用的主要是0.38～0.71微米波段的可见光，称之为光合有效辐射(Photosyn—thesis Active Radiation，缩写pAR)，光合有效辐射一般占总辐射的45～53%。环境因子和光合作用:光合作用受光强、温度和二氧化碳浓度的影响。
① 光照度。植物叶片的光合强度随着光照度的增加而增加，光照度超过某一临界值以后光合强度不再增加，这一临界值称为光饱和点。植物净光合作用为零时(即光合作用与呼吸作用互相抵消时)的临界光照度称为光补偿点。在群体(或群落)条件下，由于叶片互相遮荫，上部叶片达到光饱和时，下部叶片仍处于光不足的状态，因此就作物群体而言，自然光强下一般不能达到光饱和状态。
② 二氧化碳。光合强度随二氧化碳浓度增加而增加。各种作物的二氧化碳补偿点不同，玉米、高梁的二氧化碳补偿点较低，只有5～10ppm(百万分之一)，小麦、水稻、棉花等作物补偿点较高，为15～150ppm。
③ 温度。温度对光合作用强度的影响有两种效应：一方面温度增高时光化学过程加快而使总光合作用强度增加，另一方面温度增高时呼吸消耗增加。因此净光合产物在初期随温度增加而增加，而当超过最适温度以后，净光合产物则随温度增加而减少。
作物气象指标: 作物气象指标是反映作物生长发育或受害同气象条件关系的量值。它是评价气象条件的农业意义、开展农业气象预报和进行农业气候区划的客观标尺，因此研究和确定作物的气象指标是农业气象学的基础工作之一。作物气象指标主要为温度指标和水分指标，对于某些感光性强的作物，还应有光照指标。
① 温度指标。指作物生长发育的下限温度、最适温度、最高温度、致死温度和积温等。主要作物在不同生长发育阶段的各种温度指标：
小麦是耐寒作物，分布在南纬40度到北纬60度的广大地区，其发芽温度为4～5度，生长的最适温度为15～20度,小麦分春性和冬性两种主要类型，冬性小麦在幼苗期需通过一段低温时期才能开始幼穗发育，这个过程称为春化阶段。不同类型品种的春化条件不同：强冬性，0～3度、40～50天；冬性，0～7度、30～50天；弱冬性，0～7度、15～40天。
玉米是喜温作物，栽培界线是夏季平均气温在19度以上或夏季平均夜温在12度以上的地区。种子萌发的适温在12度以上，发芽的下限温度为7度。
水稻是喜温作物，分布在热带、亚热带和中国、日本、朝鲜等国的温带地区。大多数水稻品种发芽温度在10度以上；开始生长的温度，粳稻在12度以上，籼稻在14度以上；苗期的适温为20～32度；抽穗开花期对温度最敏感，对粳稻若日平均气温小于20度达3天以上，籼稻日平均气温小于22度达2～3天以上时，或者日最高气温大于35～37度达2～3天以上时，均会使花粉败育，受精受阻，不实率增加。
棉花是喜温喜光耐旱作物，温度15度时棉花种子需12～15天才能发芽，在20度时则只需6天。棉花生长的最适温度为25～30度，超过40度时生长速度下降，最低气温下降到0～2度时叶片受冻，-1度时死亡。
积温是作物生长发育阶段内逐日温度的总和。它是衡量农作物生长发育过程的一种标尺，其单位以(度·日)表示。农作物通过某一发育阶段或完成全部生长发育过程所需的积温为一个相对固定值。常用的积温有活动积温和有效积温两种。各种作物开始生长的最低温度称为该作物的下限温度。高于下限温度的日平均气温称为活动温度。活动温度和下限温度之差称为有效温度。
② 水分指标。反映农田水分状况对作物生长发育的影响的指标，常用土壤湿度(土壤含水量占拱干土重的百分数)和蒸散量来表示。一般划分为过干、 适宜、过湿三个等级。土壤相对湿度为土壤含水量占田间持水量的百分比。大多数旱地作物的适宜水分指标为土壤相对湿度60～80%。作物不同发育期对水分要求不同，一般在孕穗期至开花期对水分最为敏感，称为水分临界期，此期的适宜水分指标，土壤相对湿度一般为70～80%。水分亏缺对产量影响十分明显，根据土壤水分的多寡影响作物生长和产量的程度，可确定作物旱害或湿害的指标，由于土壤湿度随时间和空间而迅速变化，因此对大范围的和较长时段的农田水分状况，通常不用土壤湿度来表征，而用影响农田水分收支的降水、蒸发、径梳、下渗等表示。
蒸散量是由作物叶面蒸腾和土壤表面蒸发造成的农田水分损失量。它是决定农田水分状况，作物光合作用和生长状况的重要因素。土面完全被植物覆盖和土壤充分湿润时的蒸散量称为可能蒸散。实际蒸散量是可能蒸散、土壤含水量和植被覆盖状况的函数。
确定蒸散量的方法有6种．①器测法。应用蒸散计(内装生长着植物的土样的柱状容器)定期测定土壤水分损失量，此法测得的为实际蒸散量。②经验公式法。用数理统计方法确定蒸散量和各种气候要素的因变关系，建立计算蒸散量的经验方程。③水分平衡法。通过定期测定降水量和土壤水分含量以确定蒸散量。此法适用于地下水较深，对表层土壤无水分补给的情况。④湍流交换法。通过测定近地面层水汽梯度和湍流系数计算水汽的铅直通量。⑤热量平衡法。通过测定地表热量收支的各分量确定消耗于蒸散的热量。⑥综合法。综合应用热量平衡原理和湍流交换方程推导出计算可能蒸发的公式，其中最著名的为彭曼公式。
农业气候：根据农业生产对象(农作物或牲畜等)或农业生产过程对气象条件的要求，从空间分布和时间变化上对气候条件进行分析评价，划分农业生产对象的分布界线和适宜区域，确定不同区域适宜的农业生产结构，提出趋利避害，合理利用气候资源的意见。农业气候的主要研究方法是分析和区划作为农业自然资源的热量、水分和太阳辐射能条件，以及作为农业生产限制因素的气象灾害状况。
热量条件常用大于某一界限温度的积温来表示。例如某一地区大于0℃的活动积温有4500(度·日)，而冬小麦约需2000～2100(度·日)，夏玉米约需2200～2300(度·日)，两种作物合计共需4200～4400(度·日)．则该地可实行连作的一年两熟制。而积温只有4000(度·日)的地区，实行一年一熟则积温有余，但实行连作的一年两熟制又不足，则可实行两年三熟制或套作的一年两熟制。水分条件的评价或分区需要综合考虑农田水分收支状况。综合反映水分收支状况的指标有干燥度和湿润指数。
研究同一个农业气候区域内，由于地形不同而形成局地的气候差异以及对农业的影响，也是农业气候的一个重要内容。这称为农业地形气候学，其研究方法一般是对典型的地形进行短时间的气象观测，并用物理模型进行计算或数理统计分析，确定地形影响气候条件的规律及其农业意义。此外应用生态学的方法，根据自然景观、指示植物、自然物候等的差异推断不同地形的农业气候条件，也是农业地形气候学的一种常用的研究方法，农田小气候和小气候改良：小气候是指由于地形、下垫面特征或其他因子引起的小范围的气象过程或气候特征。由于耕作措施和农作物群体动态变化的影响，改变了农田活动面状况和物理特性，导致辐射平衡和热量平衡各分量的变化，从而形成不同类型的独特的农田小气候。而农田小气候又反过来影响农作物的生长发育进程和产量形成。活动面是接受太阳辐射，进行热量交换的理想化的作用平面。对未生长作物的农田，由于灌溉耕耙等措施，改变了土壤的反射率、导热率、热容量等物理特性，其小气候和未曾耕作过的裸地有明显的差异，在有作物的农田，作用面由土壤表面抬高到作物冠层叶片最密集的地方．对于禾本科作物而言．大约在植株高度的2／3处。作物层内的微气象过程或微气候特征主要由太阳辐射和湍流交换系数在株间的铅直分布所决定，而这两者又都受茎叶密度的空间分布所影响。株间太阳辐射能的铅直分布一般符合指数分布规律。辐射能的铅直分布特征首先影响各层叶片的能量收支状况和光合作用其次通过影响土壤热状况而影响植物的根系发育。湍流交换系数的铅直分布制约着作物层内外空气之间的热量水汽、动量和二氧化碳的交换速率，从而影响株间的温度、湿度、二氧化碳的铅直分布和作物的光合作用。
小气候改良包括温室、阳畦、塑料大棚、塑料薄膜地面覆盖、风障、农田防护林、蒸发抑制和土面增温剂等。温室气候是温室内的微气象过程和微气候特征，它是一种人工调节的小气候。由于玻璃对于入射的短波辐射的透过率大于向外的长波辐射的透过率，使得温室具有白天高温的特征。此外温室的结构、方位、屋面坡度屋脊高跨比以及使用的透光材料(玻璃、塑料薄膜或玻璃钢等)均对温室内的光照度和温度的分布及其变化有显著影响。除了上述人工调节小气候的措施外，近年来由于自动化技术的发展，完全由人工控制光、温等气象条件的人工气候室或植物生长箱已在农业研究中使用。
在蔬菜和珍贵植物栽培方面，也已出现了人工调节气温湿度和二氧化碳浓度，并采用无土栽培技术的自动化的植物生产工厂。
农业气象预报： 根据农业生产和气象条件的关系，对过去和现在的气象实况以及未来可能出现的气象条件进行分析鉴定，预测气象条件对农业可能产生的影响，并提出相应的建议以供生产部门使用的一种专业预报或报道。农业气象预报的种类和内容包括：
① 作物发育期或田间作业适宜期的预报。如播种期预报、收获期预报、土壤解冻期预报、土壤水分贮存量预报、杂交种制种的花期预报、牧区的放牧条件预报等。
② 农用天气和灾害性天气预报。如旱涝预报、水稻寒露风预报、小麦干热风预报、低温冷害预报、冰雹和风灾预报、病虫害预报、森林火险预报等。
① 作物生长发育状况和产量预报。如小麦冬前分蘖状况和越冬状况预报、小麦灌浆和千粒重预报以及各种作物的产量预报等。
畜牧气象： 畜牧气象研究畜牧业和气象条件之间的关系，其内容主要包括两方面：①研究牧草生长发育、草场分布及其类型、草地改良措施等同天气和气候条件的关系；②研究畜禽的生长发育，种类和品种的地理分布，放牧和饲养同天气和气候条件的关系。畜牧气象工作的目的是在查明畜禽、饲草、牧场同气象条件关系的基础上，合理利用畜牧业气候资源，创造畜禽和饲草生长的适宜生态环境，防避对畜牧业的气象灾害，为畜牧业的合理经营、高产、稳产、优质和低耗提供气象保障。