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中 国 农 业 气 象 第 42 卷 686 中国农业气象 Chinese Journal of Agrometeorology 2021 年 doi 10 3969 j issn 1000 6362 2021 08 006 张子源 郑大玮 潘宇鹰 等 积温及热量资源概念的科学性问题与改进 J 中国农业气象 2021 42 8 686 692 积温及热量资源概念的科学性问题与改进 张子源 1 郑大玮 1 潘宇鹰 1 2 潘志华 1 1 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193 2 陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心 西安 710014 摘要 积温与热量资源的概念广泛存在于国内文献及教材 但其传统定义有违物理学原理 英译用词及度量 单位也不统一 需要给予准确的科学诠释并进一步规范化 本文分析了 Web of Science 的相关文献 综述了 积温与热量资源概念的由来与发展 提出了应用中存在的问题 研究表明 虽然积温作为农业热量资源的主 要指标并广泛应用 但植物和变温动物完成某个阶段的生长发育并非需要一定数量的积温 而是需要适宜温 度条件和必要的持续时间 过高的温度或过多的热量反而可造成伤害 有时有的物种反而需要相对较低的温 度条件 建议将 热量资源 改称 温度资源 即有利于植物与变温动物生长发育的温度条件与其持续时 间的综合 从而赋予积温和温度资源充分的生物学与物理学意义 关键词 热时 度 日 积温 热量资源 度量单位 科学性 The Scientific Problem and Improvement of the Concepts of Accumulated Temperature and Heat Resource ZHANG Zi yuan 1 ZHENG Da wei 1 PAN Yu ying 1 2 PAN Zhi hua 1 1 College of Resources and Environment China Agricultural University Beijing 100193 China 2 Shaanxi Agricultural Remote Sensing and Economic Crop Meteorological Service Center Xi an 710014 Abstract The concepts of accumulated temperature and heat resources have been widely presented in domestic literature and teaching materials and accumulated temperature is usually as the main form of representation of heat resource But its traditional definition obviously violates the principles of physics and the measurement units also have not been unified It urgently needs to be given an accurate scientific interpretation and further standardized Based on the origin and development history of the concepts of accumulated temperature and heat resources the problems in its practical application are reviewed in this paper and the application frequency geographical distribution characteristics of the term of accumulated temperature and its synonyms through Web of Science related literature are statistically analyzed and compared The results show that although accumulated temperature is the main indicator of traditional term of agricultural heat resources and is widely used however in fact plants and cold blooded animals do not need a certain amount of heat energy to complete a certain stage of growth and development but require suitable temperature conditions and necessary duration Excessive heat or too high temperature will cause damage to organisms and some species even require relatively lower temperatures On the other hand literature search and statistics show that the term accumulated temperature has been rarer and rarer used in the international academic communities now and the term heat resource is also rarely used in 收稿日期 2020 12 13 基金项目 国家重点研发计划 京津冀地区适应增暖路径及社会经济代价综合评估研究 2018YFA0606303 通讯作者 潘志华 教授 研究方向为生态与农业气象 气候变化影响与适应 E mail panzhihua 第一作者联系方式 张子源 E mail 15901023512 第 8 期 张子源等 积温及热量资源概念的科学性问题与改进 687 authoritative agricultural meteorological literature In order to promote a more accurate and scientific term it is recommended to stop use of the term accumulated temperature in Chinese Scientific Journals and to change into integrated temperature or thermal time And the unit should be unified into d or h and not The term of heat resource is also changed to temperature resource and broadened i e the synthesis of temperature conditions and their duration conducive to growth and development of plants and cold blood animals It will give full scientific significance without affecting the large number of applications and achievements of the current accumulated temperature theory and will promote further development of agricultural meteorology and related disciplines Key words Thermal time Degree day Accumulated temperature Heat resource Measuring unit Scientificalness 热量资源作为气候资源的一种 出现在很多资 源评价相关的科技论文中 从文献数据库 中国知 网 查询词条 热量资源 的数据显示 1980 年以 来 该词出现的文章共有约 4300 篇 但该词在气候 资源量的说明方面 关于其是否能够准确表征其中 的物理学含义 学术界有较多的争议 本文拟通过 对争议的本质 以及 热量资源 的含义 国内外 应用情况的文献分析等方面 提出对该词表达的不 同意见 以便为今后科学名词审定提供更为准确的 释义 1 积温 与 热量资源 的实质 长期以来 热量资源被看作一种主要的农业气 候资源 1 2 中国农业百科全书 农业气象卷 3 定 义为 农业生产可利用的热量 提出 热量是农业 生物生存 生长发育必须的外界环境因子和能量来 源 并定义积温为 某一时段内逐日平均气温累积 之和 它是研究作物生长 发育对热量的要求和评 价热量资源的一种指标 中国农业气候学 4 中解 释道 各种农作物的生育期都要求一定的适宜温度 条件 只有生长期间温度积累到一定数量 即有足 够的热量资源后才能完成作物的生育过程 形成作 物产量 热量资源主要来源于太阳辐射的增温效 应 大气科学词典 5 也定义 积温 又称度 日 某一时期内大于或小于某一界限温度的日平均温度 的总和 传统的热量资源通常用稳定通过某个界限温度 的持续时间 积温多少和无霜冻期长短等作为指标 来衡量 如 在日平均气温上升到 0 以上时 越冬 作物返青生长 农事活动开始 气温下降到 0 以下 时 越冬作物停止生长 因此可用一年中 0 持续 日数来衡量生长期和农时季节的长短 用 0 积温 多少反映该地区热量资源的多少 用 10 持续日 数和积温的多少来衡量喜温作物生长季节的长短和 热量资源的多少 4 以上表述都是把热量资源看作适宜温度随时间 延续的积累量 其实是违背物理学原理的 多年来 很多学者试图研究各种动植物生理反 应中的温度对光合作用 呼吸作用或发育速率的影 响机制 6 9 温度是影响动植物生理过程的一个基本 要素 各类物种都只能适应特定的温度范围 温度 是影响其分布的主要影响因子之一 但是 生长与 发育密切相关 本质却有所不同 发育体现质的变 化 是时间进程 需要环境信息来启动和调控 尤 其是适宜温度与光信号及低温刺激 恒温动物由于 体温恒定 发育进程与环境温度无直接关系 生长 则表现为有机体量的增长 需要物质和能量的投入 与转化 植物完成生长发育过程需要一定热量积累 的 说法似是而非 因为植物生长发育唯一的能量来源 是光合有效辐射 动物则以其它生物体的化学能为 能量来源 植物和变温动物的发育过程并非需要热 量供给 有时供热只是为了保持适宜的环境温度 过多热量反而抑制生长发育甚至成为一种胁迫 热 能并不可能直接转化为有机体的生物能 因热能是 一种低端能态 其它能态最终都以热能耗散 温度与热量是密切相关但并不相同的两个物理 量 温度是表示物体冷热程度的物理量 其实质是 反映物质分子热运动的剧烈程度 热量则指 不需 借助于机械的方式 也不显示任何宏观运动的迹象 直接在两者的分子无规则运动之间进行着能量的交 换 10 其单位是焦耳 根据热力学第二定律 在一 个封闭系统中 热量只能从高温物体向低温物体传 递 温度高低不等于热量的多寡 在发生热传递时 温度稍低但质量较大的物体所传输的热量往往要比 中 国 农 业 气 象 第 42 卷 688 温度稍高但质量小的物体更多 至于温度的累加 在物理学上更是毫无意义和荒谬的 温度对植物与变温动物生理和生长发育的影响 主要在于酶的活性 生长发育现象无非是酶促生物 化学反应的外在表象 酶促生物化学反应的速度主 要取决于温度 在一定温度范围内 反应速度随温 度升高而加快并基本服从 Van t Hoff 定律 但温度 过高有可能破坏酶蛋白 温度过低则酶蛋白的活性 较低 所以作物生长发育对温度的响应曲线一般分 为两段 在上升段中 随着温度的升高 酶的活性 提高 反应速度加快 达到最适温度后继续升高温 度 反应开始进入快速下降阶段 不再服从 Van t Hoff 定律 11 12 超过作物能够适应的温度后 酶逐 渐失活 直至反应停止 如图 1 所示 可见 超过 酶的最佳活性温度 从外界传递热量以提高反应温 度 反而会降低反应速度 延缓甚至阻碍生长发育 的进程 图 1 生物化学反应中酶活性与温度理论关系 Fig 1 Theoretical relationship between enzyme activity and temperature in biochemical reactions 2 积温 概念的发展及应用 2 1 积温 概念的发展 WMO 于 1966 年曾给出积温的定义 即 在一 既定时期内 日平均温度 或者另定其它温度 对 参考温度偏差的总和 13 积温在此处是一个描述 气候的参数 通常作为表征热量资源最常用的指标 而热量资源又被大致定义为 农业生产可利用的热 量 3 这些传统概念显然违背了物理学原理 在农 业气象研究中用积温来反映作物的某种环境气象条 件 还需要进一步考虑其真实的物理意义和生物学 意义 积温概念最早由法国学者 R aumur 提出 是把 植物从种植到成熟的日平均气温进行累加 只是一 个比较粗糙的气候参数 其后 积温学说根据生物 的三基点温度和化学反应中的 Van t Hoff 方程 提 出植物发育速率在最适温度与植物生命活动最低温 度之间呈线性关系 但直至今日 也没有关于为何 植物发育速率与温度呈线性关系的解释 因为在 Van t Hoff 方程中 反应温度每升高 10 发育速率增 加一倍 这个关系显然不是线性 而是按照指数曲 线增长 从 19 世纪到 20 世纪上半叶 国外农业气象学 家对积温的计算和订正陆续进行了改进 1837 年 Boussingault 用基本相同的方法计算谷物播种所需 热量 总值 称此期间天数与日平均气温乘积为 度 日 degree day d 1923 年 Houghton 等提 出了有效温度的概念 开始进行作物有效温度 生 物学零度和有效积温的研究 14 其后 最值得注意 的是英国著名农业气象学家 微气象学和生理生态 学家 Monteith 通过梯度温床进行控制温度下的种子 发芽实验 论证了所谓积温不过是经过温度有效性 订正的生物发育时间进程的一种度量 并提出以 Thermal time 热时 代替 Accumulated temperature 积温 一词 Monteith 给出的计算发 芽速率公式为 15 b 1 TT1 t 1 由此推算热时即积温 1 d 的计算式为 1b T T t 2 式中 t 是种子达到发芽标准长度所需天数 d 1 t 即为发育速率 T b 为作物的生物学零度即生长发 育的起始温度 T 为该阶段的日平均气温 Monteith 还把热时概念推广到最适温度与上限温度 之间的范围 给出最适温度与最高温度之间完成发 芽所需热时即积温 2 d 的计算式为 2m T T t 3 发芽速率公式为 m 2 T T1 t 4 式中 T m 为发芽的上限温度 T m T 为 发芽适宜温度与上限温度之间的有效温度 以 上过程都是按照发育速率与温度呈线性相关的方式 来计算积温的 但是 Van t Hoff equation 假定酶促 反应速率与温度存在指数关系 当温度升高 10 反应速率增加一倍 基于这个理论基础 许多学者 第 8 期 张子源等 积温及热量资源概念的科学性问题与改进 689 研究成果更倾向于非线性相关关系 16 如 Tollenaar et al 曾得到玉米生长发育所需热时符合三次曲线关 系 17 即 23 DD 0 0997 0 0360T 0 00362T 0 0000639T 5 其中 DD 为热时 degree day T 为日平均 温度 除此以外 国外学者曾用 chill day 日平均 气温低于 5 天数来估算日平均气温大于 5 积温 thermal time 并推测英国北美云杉发芽时间 18 DD 67 4 4401 8EXP 0 042 chill day 6 另外 关于积温学说内容的发展扩充 中国农 业气象学家从 20 世纪下半叶先后提出负积温 有效 积温 当量积温 有害积温 地积温等概念 还在 温室小气候研究中提出了 h 的概念 丰富了积 温学说的内容 14 2 2 积温 在农业上的应用 积温在农业上的应用十分广泛 大致上可分为 以下方面 1 反映生物体完成某个发育阶段对 热 量 的要求 为地区间作物引种和新品种推广提供 依据 2 在农业气候研究中作为分析地区热量资 源和编制农业气候区划的指标 3 在农业气象预 报 情报服务中根据作物各发育时期的积温指标 预报作物的物候期 4 预测昆虫的发育 以期更 好地进行植物检疫控制 19 5 评估作物真菌的产 孢强度 以防作物的真菌性病害 20 6 应用负积 温和有害积温概念确定冻害与寒害等低温灾害的指 标 作为制定防灾措施的依据 3 用 积温 表示 热量资源 在科学性上 的一些缺点 热量资源 一直被解释为适宜温度的积累量 即用积温的多少评定一个地区的热量资源是否丰 富 但是早在 1997 年的世界气象组织农业气象委员 会 WMO CAgM 的咨询工作组会议上 便有人提 出 热量资源 的提法不科学 在国际权威农业气 象著作 教材和论著中大多也找不到 热量资源 一词 首先 传统的积温计算方法有悖物理学原理 作为一种物理量 温度并不等于热量 温度只是物 质分子平均动能的一种表征形式 属状态物理量 并非能量 在农业气象学中 温度经常以生态因子 和气象要素的形式出现 更多反映农作物周围空气 或土壤的一种物理状态 因此 与其把积温当作一 种能量即 热量资源 不如看作一种描述状态的 信 息资源 其次 大多数积温计算方法仅采取简单的日平 均气温求和来计算 计算之前大多未确定作物的温 度阈值 比如在温差较大的季节或地区 最低温度 或最高温度就有可能超过作物生长的阈值范围 此 时仅用日平均气温来表示 就忽略了最低温度 或 最高温度 对作物的不利影响 不同作物与品种体 内酶的种类 含量均不同 这是对不同环境适应的 结果 因此 不同种类 不同品种的作物在不同发 育阶段会在不同温度下产生不一样的响应 21 故不 同作物所适应的温度范围或最适温度千差万别 不 确定所研究作物及其品种的温度阈值 从而得出的 积温是毫无意义的 第三 积温本身是个很粗糙的量数 并不能准 确反映作物的适宜生长温度 目前常用于积温计算 的温度数据大多数源于气象站点观测的 1 5m 或者 2m 高度处百叶箱内空气温度 而作物生长环境温度 往往与气象站点观测温度有明显出入 大面积生长 的作物还会形成局地的农田小气候 而且 1 5m 或 2m 高度的气温也不能准确反映作物不同器官的体 温 1 5m 或 2m 高度的气温也不能反映地面的温度 比如晴朗夜晚的强烈辐射降温会使地表及近地面温 度明显低于 1 5m 或 2m 高度的气温 此时尽管观测 的气温不影响作物生长发育 但是地表温度有可能 已经超出作物所能承受的温度阈值 而冠层作用面 的叶面最低温度通常还要略低于地面最低温度 第四 以积温度量发育进程时没有考虑影响作 物生长发育的其它因素 作物生长发育的各种环境 因素 如光 温 水 风 矿质养分和其它生物等 是密切联系的 绝不是孤立的 如光周期是许多植 物生殖生长不可缺少的诱导因素 叶片生长速率与 氮供应也存在一定响应 22 温度在许多情况下的确 充当主导因素 但在应用积温来度量发育进程时却 常常只是机械累加温度 忽略了其它因素对作物生 长的影响 23 第五 在严格的物理学意义上 积温所反映的 所谓 热量资源 也与物理学上以焦耳为单位的热 能完全不同 如四川盆地气温较高 全年 0 以上积 温可达 6000 d 以上 青藏高原气温相对较低 0 中 国 农 业 气 象 第 42 卷 690 以上积温只有 1000 2000 d 但两地地面接收到 能转化为热能的年太阳总辐射量却完全相反 青藏 高原大部为 7000 8000MJ m 2 四川盆地仅有前者 的一半 第六 积温度量单位存在不统一和不规范 如 果积温只是按照逐日累加 那么其度量单位应该是 而如果按照 Monteith 的方法计算 式 1 及式 2 则得出的度量单位应为 d 中国农业气 象 在专家建议后一直明确规定统一使用 d 但目前许多期刊并未严格规定其标准用法 目前一 些科技期刊与文献对积温单位的使用仍十分混乱 4 国内外对于积温及类似概念的应用趋势 目前国际较为常用的积温科学名词除了 Accumulated temperature 和 Thermal time 外 还有 Degree day 和 Heat unit 2020 年 10 月 通过 Web of Science 数据库 检索了 1995 2019 年出版论文标题 出现以上 4 个词条的期刊和会议论文 统计世界范 围积温及其相关名词的使用情况 一共找到 943 条 结果见表 1 Web of Science 是获取全球学术信息的 重要数据库 它收录了 13000 多种权威和高影响力 的学术期刊 内容涵盖自然科学 工程技术 生物 医学 社会科学 艺术与人文等领域 从表 1 及表 2 可以看出 Thermal time 主要在 英国和美国使用较多 该词最能体现积温的实质 但这种最科学的表达方法中国学者文章仅占 6 3 随着时间推移 用 Thermal time 替代 Accumulated 表 1 积温及其同义词在 1995 2019 年出版论文题目中出现的篇数及其分布 Table 1 The number and distribution of accumulated temperature and its synonyms in the titles of published papers from 1995 to 2019 论文用词出现频次 篇 前五位及作者所属国家 The top five paper article number which the words was used in and the author s country 用词及单位 Words and units 1 st 2 nd 3 rd 4 th 5 th 总计 Total 占总数比 Percentage of total 中国占比 China s proportion of total Thermal time d 英国 UK 33 美国 USA 24 巴西 Brazil 16 印度 India 13 中国 China 12 192 20 3 6 3 Accumulated temperature 中国 China 255 澳大利亚 Australia 2 美国 USA 2 英国 UK 2 日本 Japan 1 278 29 5 91 7 Degree day d 美国 USA 108 中国 China 35 加拿大 Canada 29 英国 UK 18 土耳其 Turkey 16 343 36 4 10 2 Heat unit d 印度 India 35 美国 USA 17 埃及 Egypt 6 加拿大 Canada 5 澳大利亚 Australia 3 130 13 8 0 合计 Total 431 78 53 38 29 943 100 注 表中为 2020 年 10 月 Web of Science 数据库的检索结果 Note Search results were as of October 2020 Web of Science database search results 表 2 积温及其同义词在不同时期 1995 2019 年 发表论文题目中出现的篇数 Table 2 The number of papers published in different periods which accumulated temperature and its synonyms were in the titles in 1995 2019 用词及单位 Words and units 1996 2000 2001 2005 2006 2010 2011 2015 2015 2020 合计 Total Thermal time d 21 27 39 44 61 192 Accumulated temperature 15 32 81 78 72 278 Degree day d 44 43 64 90 102 343 Heat unit d 28 25 29 26 22 130 合计 Total 108 127 213 238 257 943 第 8 期 张子源等 积温及热量资源概念的科学性问题与改进 691 temperature 用词的文章正在逐渐增加 4 种用词中 Accumulated temperature 最不具 备科学意义 以 Accumulated temperature 为英译 用词的文章绝大多数来自中国学者 很少有外国学 者使用 随着中国学者向国际期刊投稿量的大幅增 加 使得以 Accumulated temperature 占比达近三 分之一 但 2008 年 中国农业气象 规定必须使用 d 后已开始下降 作物模式迅速推广使 degree day 使用频次持续增加 目前占比最大 达 到 36 4 但把单位与物理量的名称混淆不妥 论文 标题用词 Heat unit 也不够科学 主要来自印度 其占比最低 从整体看来 具有科学性表述的 Thermal time 及 Degree day 呈逐渐上升趋势 表明越来越被国 际学术界主流所接受 Accumulated temperature 的 使用虽在近几年有所下降 但数量依旧庞大 这是 由于中国作者在国际期刊上的投稿迅速增多 因此 在国内统一积温用词及单位并使用科学表述方式亟 待大力推行 5 关于作物生长发育所需环境温度条件的 表征 由于积温在农业上的应用已取得大量成果且积 温一词的使用在国内已形成习惯 建议仍沿用该词 来表示生物生长发育所需环境温度条件 但其科学 性的问题及积温单位的统一亟待解决 关于中国大百科全书第一 二版的 热量资源 条目 本文提出将其改为 温度资源 并已为大百 科全书第三版相关条目的撰稿所采纳 目前中国大 百科全书第三版积温条目的初稿已做出修订 积温 又称热时 指某一时段内日平均气温对时间的积分 单位 d 或 h 在第三版初稿中还将 热量资源 改称 温度资源 以便与 光照资源 水分资 源 等并列 指对农业生产和农业生物生命活动有 利的温度条件 其内涵比传统的 热量资源 农 业生物生长发育所需温度条件与持续时间的综合 明显扩展 还包括通过春化或打破休眠所需温度 抗寒或耐热锻炼的适宜温度 农事活动和农产品贮 藏加工所需温度和对自然热源与热汇的利用等 其 中也包括对农业生物或农事活动有利的相对较低 环境温度 郑大玮等 14 首次提出将积温的英译改为 Integrated temperature 或 Thermal time 其意义 为 某一时段内有生物学意义的平均温度对时间的 积分 单位为 d 对于多年平均积温的计算 可将逐月平均气温拟合为曲线方程 以界限温度的 起止日期或播种期 成熟期为上下限 对时间积分 求得 这样既能体现 Monteith 关于积温有效性订正 的时间进程度量的思想 又可以使积温一词在科学 性上得以延用 由于逐日平均气温并非连续函数 在实际计算当年或某发育阶段的积温时 仍需通过 逐日累加进行 但所得出结果必须使用复合单位 d 热量资源与积温概念及其单位使用的混乱 反 映出中国农业气象学科基础理论的不够成熟 通过 本文整理分析阐述积温应用过程中的不足并提出改 进方案 目的是使其定义更加严谨 物理意义更加 明确 计算结果更加接近实际 有利于中国农业气 象研究结果得到国际科学界的认可 也有利于促进 中国农业气象学及相关学科的发展 参考文献 References 1 马雪晴 胡琦 潘学标 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