積溫及熱量資源概念的科學(xué)性問題與改進(jìn)＊

張子源，鄭大瑋，潘宇鷹,2，潘志華**

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心，西安 710014）

熱量資源作為氣候資源的一種，出現(xiàn)在很多資源評價(jià)相關(guān)的科技論文中。從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫“中國知網(wǎng)”查詢詞條“熱量資源”的數(shù)據(jù)顯示，1980年以來，該詞出現(xiàn)的文章共有約4300 篇。但該詞在氣候資源量的說明方面，關(guān)于其是否能夠準(zhǔn)確表征其中的物理學(xué)含義，學(xué)術(shù)界有較多的爭議。本文擬通過對爭議的本質(zhì)，以及“熱量資源”的含義、國內(nèi)外應(yīng)用情況的文獻(xiàn)分析等方面，提出對該詞表達(dá)的不同意見，以便為今后科學(xué)名詞審定提供更為準(zhǔn)確的釋義。

1 “積溫”與“熱量資源”的實(shí)質(zhì)

長期以來，熱量資源被看作一種主要的農(nóng)業(yè)氣候資源[1-2]?！吨袊r(nóng)業(yè)百科全書·農(nóng)業(yè)氣象卷》[3]定義為“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可利用的熱量”，提出“熱量是農(nóng)業(yè)生物生存、生長發(fā)育必須的外界環(huán)境因子和能量來源”，并定義積溫為“某一時(shí)段內(nèi)逐日平均氣溫累積之和。它是研究作物生長、發(fā)育對熱量的要求和評價(jià)熱量資源的一種指標(biāo)”。《中國農(nóng)業(yè)氣候?qū)W》[4]中解釋道：“各種農(nóng)作物的生育期都要求一定的適宜溫度條件，只有生長期間溫度積累到一定數(shù)量，即有足夠的熱量資源后才能完成作物的生育過程，形成作物產(chǎn)量”，“熱量資源主要來源于太陽輻射的增溫效應(yīng)”?！洞髿饪茖W(xué)詞典》[5]也定義：“積溫，又稱度·日，某一時(shí)期內(nèi)大于或小于某一界限溫度的日平均溫度的總和”。

傳統(tǒng)的熱量資源通常用穩(wěn)定通過某個(gè)界限溫度的持續(xù)時(shí)間、積溫多少和無霜凍期長短等作為指標(biāo)來衡量。如“在日平均氣溫上升到0℃以上時(shí)，越冬作物返青生長，農(nóng)事活動(dòng)開始；氣溫下降到0℃以下時(shí)，越冬作物停止生長。因此可用一年中≥0℃持續(xù)日數(shù)來衡量生長期和農(nóng)時(shí)季節(jié)的長短，用≥0℃積溫多少反映該地區(qū)熱量資源的多少，用≥10℃持續(xù)日數(shù)和積溫的多少來衡量喜溫作物生長季節(jié)的長短和熱量資源的多少”[4]。

以上表述都是把熱量資源看作適宜溫度隨時(shí)間延續(xù)的積累量，其實(shí)是違背物理學(xué)原理的。

多年來，很多學(xué)者試圖研究各種動(dòng)植物生理反應(yīng)中的溫度對光合作用、呼吸作用或發(fā)育速率的影響機(jī)制[6-9]。溫度是影響動(dòng)植物生理過程的一個(gè)基本要素，各類物種都只能適應(yīng)特定的溫度范圍，溫度是影響其分布的主要影響因子之一。但是，生長與發(fā)育密切相關(guān)，本質(zhì)卻有所不同。發(fā)育體現(xiàn)質(zhì)的變化，是時(shí)間進(jìn)程，需要環(huán)境信息來啟動(dòng)和調(diào)控，尤其是適宜溫度與光信號及低溫刺激。恒溫動(dòng)物由于體溫恒定，發(fā)育進(jìn)程與環(huán)境溫度無直接關(guān)系。生長則表現(xiàn)為有機(jī)體量的增長，需要物質(zhì)和能量的投入與轉(zhuǎn)化。

“植物完成生長發(fā)育過程需要一定熱量積累”的說法似是而非。因?yàn)橹参锷L發(fā)育唯一的能量來源是光合有效輻射，動(dòng)物則以其它生物體的化學(xué)能為能量來源。植物和變溫動(dòng)物的發(fā)育過程并非需要熱量供給，有時(shí)供熱只是為了保持適宜的環(huán)境溫度，過多熱量反而抑制生長發(fā)育甚至成為一種脅迫。熱能并不可能直接轉(zhuǎn)化為有機(jī)體的生物能，因熱能是一種低端能態(tài)，其它能態(tài)最終都以熱能耗散。

溫度與熱量是密切相關(guān)但并不相同的兩個(gè)物理量。溫度是表示物體冷熱程度的物理量，其實(shí)質(zhì)是反映物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。熱量則指“不需借助于機(jī)械的方式，也不顯示任何宏觀運(yùn)動(dòng)的跡象，直接在兩者的分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)之間進(jìn)行著能量的交換[10]”，其單位是焦耳。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞。溫度高低不等于熱量的多寡，在發(fā)生熱傳遞時(shí)，溫度稍低但質(zhì)量較大的物體所傳輸?shù)臒崃客葴囟壬愿叩|(zhì)量小的物體更多。至于溫度的累加，在物理學(xué)上更是毫無意義和荒謬的。

溫度對植物與變溫動(dòng)物生理和生長發(fā)育的影響主要在于酶的活性，生長發(fā)育現(xiàn)象無非是酶促生物化學(xué)反應(yīng)的外在表象。酶促生物化學(xué)反應(yīng)的速度主要取決于溫度。在一定溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)速度隨溫度升高而加快并基本服從Van’t Hoff 定律。但溫度過高有可能破壞酶蛋白；溫度過低則酶蛋白的活性較低。所以作物生長發(fā)育對溫度的響應(yīng)曲線一般分為兩段：在上升段中，隨著溫度的升高，酶的活性提高，反應(yīng)速度加快；達(dá)到最適溫度后繼續(xù)升高溫度，反應(yīng)開始進(jìn)入快速下降階段，不再服從Van’t Hoff 定律[11-12]。超過作物能夠適應(yīng)的溫度后，酶逐漸失活，直至反應(yīng)停止，如圖1 所示?？梢姡^酶的最佳活性溫度，從外界傳遞熱量以提高反應(yīng)溫度，反而會(huì)降低反應(yīng)速度，延緩甚至阻礙生長發(fā)育的進(jìn)程。

2 “積溫”概念的發(fā)展及應(yīng)用

2.1 “積溫”概念的發(fā)展

WMO 于1966年曾給出積溫的定義，即“在一既定時(shí)期內(nèi)，日平均溫度（或者另定其它溫度）對參考溫度偏差的總和”[13]。積溫在此處是一個(gè)描述氣候的參數(shù)，通常作為表征熱量資源最常用的指標(biāo)。而熱量資源又被大致定義為“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可利用的熱量”[3]。這些傳統(tǒng)概念顯然違背了物理學(xué)原理，在農(nóng)業(yè)氣象研究中用積溫來反映作物的某種環(huán)境氣象條件，還需要進(jìn)一步考慮其真實(shí)的物理意義和生物學(xué)意義。

積溫概念最早由法國學(xué)者Réaumur 提出，是把植物從種植到成熟的日平均氣溫進(jìn)行累加，只是一個(gè)比較粗糙的氣候參數(shù)。其后，積溫學(xué)說根據(jù)生物的三基點(diǎn)溫度和化學(xué)反應(yīng)中的Van 't Hoff 方程，提出植物發(fā)育速率在最適溫度與植物生命活動(dòng)最低溫度之間呈線性關(guān)系。但直至今日，也沒有關(guān)于為何植物發(fā)育速率與溫度呈線性關(guān)系的解釋，因?yàn)樵赩an't Hoff 方程中，反應(yīng)溫度每升高10℃，發(fā)育速率增加一倍，這個(gè)關(guān)系顯然不是線性，而是按照指數(shù)曲線增長。

從19世紀(jì)到20世紀(jì)上半葉，國外農(nóng)業(yè)氣象學(xué)家對積溫的計(jì)算和訂正陸續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)。1837年Boussingault 用基本相同的方法計(jì)算谷物播種所需“熱量”總值，稱此期間天數(shù)與日平均氣溫乘積為“度·日”（degree-day，℃·d）。1923年Houghton 等提出了有效溫度的概念，開始進(jìn)行作物有效溫度、生物學(xué)零度和有效積溫的研究[14]。其后，最值得注意的是英國著名農(nóng)業(yè)氣象學(xué)家、微氣象學(xué)和生理生態(tài)學(xué)家Monteith 通過梯度溫床進(jìn)行控制溫度下的種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，論證了所謂積溫不過是經(jīng)過溫度有效性訂正的生物發(fā)育時(shí)間進(jìn)程的一種度量，并提出以“ Thermal time ”（熱時(shí)） 代替“ Accumulated temperature”（積溫）一詞，Monteith 給出的計(jì)算發(fā)芽速率公式為[15]

由此推算熱時(shí)即積溫1θ （℃·d）的計(jì)算式為

式中，t 是種子達(dá)到發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)長度所需天數(shù)（d），1/t 即為發(fā)育速率，Tb為作物的生物學(xué)零度即生長發(fā)育的起始溫度（℃），T 為該階段的日平均氣溫（℃）。Monteith 還把熱時(shí)概念推廣到最適溫度與上限溫度之間的范圍，給出最適溫度與最高溫度之間完成發(fā)芽所需熱時(shí)即積溫 θ2（℃·d）的計(jì)算式為

發(fā)芽速率公式為

參考Jaffe等[21]和Koppel等[22]的方法建立感官描述詞。將16種怪味胡豆樣品分批呈送給評價(jià)小組，評價(jià)人員從香氣和滋味2個(gè)方面產(chǎn)生盡可能多的怪味胡豆風(fēng)味描述詞，整理匯總風(fēng)味描述詞，刪除表達(dá)情感的詞，合并同義詞。評價(jià)小組結(jié)合《食品感官分析詞典》和類似產(chǎn)品的研究[23，24]，對描述詞及定義進(jìn)行討論，根據(jù)GB/T 29604-2013選擇適合中國消費(fèi)者的產(chǎn)品作為參照物[25]，形成意見一致的的怪味胡豆風(fēng)味描述詞表。

式中，Tm為發(fā)芽的上限溫度（℃），（Tm-T）為發(fā)芽適宜溫度與上限溫度之間的有效溫度（℃）。以上過程都是按照發(fā)育速率與溫度呈線性相關(guān)的方式來計(jì)算積溫的。但是Van 't Hoff equation 假定酶促反應(yīng)速率與溫度存在指數(shù)關(guān)系，當(dāng)溫度升高10℃，反應(yīng)速率增加一倍?；谶@個(gè)理論基礎(chǔ)，許多學(xué)者研究成果更傾向于非線性相關(guān)關(guān)系[16]。如Tollenaar et al 曾得到玉米生長發(fā)育所需熱時(shí)符合三次曲線關(guān)系[17]，即

其中，DD 為熱時(shí)（degree-day），T 為日平均溫度。

除此以外，國外學(xué)者曾用“chill day”（日平均氣溫低于5℃）天數(shù)來估算日平均氣溫大于5℃積溫（thermal time），并推測英國北美云杉發(fā)芽時(shí)間[18]。

另外，關(guān)于積溫學(xué)說內(nèi)容的發(fā)展擴(kuò)充，中國農(nóng)業(yè)氣象學(xué)家從20世紀(jì)下半葉先后提出負(fù)積溫、有效積溫、當(dāng)量積溫、有害積溫、地積溫等概念，還在溫室小氣候研究中提出了“℃·h”的概念，豐富了積溫學(xué)說的內(nèi)容[14]。

2.2 “積溫”在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

積溫在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛，大致上可分為以下方面。（1）反映生物體完成某個(gè)發(fā)育階段對“熱量”的要求，為地區(qū)間作物引種和新品種推廣提供依據(jù)；（2）在農(nóng)業(yè)氣候研究中作為分析地區(qū)熱量資源和編制農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的指標(biāo)；（3）在農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)、情報(bào)服務(wù)中根據(jù)作物各發(fā)育時(shí)期的積溫指標(biāo)，預(yù)報(bào)作物的物候期。（4）預(yù)測昆蟲的發(fā)育，以期更好地進(jìn)行植物檢疫控制[19]。（5）評估作物真菌的產(chǎn)孢強(qiáng)度，以防作物的真菌性病害[20]。（6）應(yīng)用負(fù)積溫和有害積溫概念確定凍害與寒害等低溫災(zāi)害的指標(biāo)，作為制定防災(zāi)措施的依據(jù)。

3 用“積溫”表示“熱量資源”在科學(xué)性上的一些缺點(diǎn)

“熱量資源”一直被解釋為適宜溫度的積累量，即用積溫的多少評定一個(gè)地區(qū)的熱量資源是否豐富。但是早在1997年的世界氣象組織農(nóng)業(yè)氣象委員會(huì)（WMO CAgM）的咨詢工作組會(huì)議上，便有人提出“熱量資源”的提法不科學(xué)，在國際權(quán)威農(nóng)業(yè)氣象著作、教材和論著中大多也找不到“熱量資源”一詞。

首先，傳統(tǒng)的積溫計(jì)算方法有悖物理學(xué)原理。作為一種物理量，溫度并不等于熱量，溫度只是物質(zhì)分子平均動(dòng)能的一種表征形式，屬狀態(tài)物理量，并非能量。在農(nóng)業(yè)氣象學(xué)中，溫度經(jīng)常以生態(tài)因子和氣象要素的形式出現(xiàn)，更多反映農(nóng)作物周圍空氣或土壤的一種物理狀態(tài)。因此，與其把積溫當(dāng)作一種能量即“熱量資源”，不如看作一種描述狀態(tài)的“信息資源”。

第三，積溫本身是個(gè)很粗糙的量數(shù)，并不能準(zhǔn)確反映作物的適宜生長溫度。目前常用于積溫計(jì)算的溫度數(shù)據(jù)大多數(shù)源于氣象站點(diǎn)觀測的1.5m 或者2m 高度處百葉箱內(nèi)空氣溫度，而作物生長環(huán)境溫度往往與氣象站點(diǎn)觀測溫度有明顯出入，大面積生長的作物還會(huì)形成局地的農(nóng)田小氣候。而且，1.5m 或2m 高度的氣溫也不能準(zhǔn)確反映作物不同器官的體溫。1.5m 或2m 高度的氣溫也不能反映地面的溫度，比如晴朗夜晚的強(qiáng)烈輻射降溫會(huì)使地表及近地面溫度明顯低于1.5m 或2m 高度的氣溫，此時(shí)盡管觀測的氣溫不影響作物生長發(fā)育，但是地表溫度有可能已經(jīng)超出作物所能承受的溫度閾值，而冠層作用面的葉面最低溫度通常還要略低于地面最低溫度。

第四，以積溫度量發(fā)育進(jìn)程時(shí)沒有考慮影響作物生長發(fā)育的其它因素。作物生長發(fā)育的各種環(huán)境因素（如光、溫、水、風(fēng)、礦質(zhì)養(yǎng)分和其它生物等）是密切聯(lián)系的，絕不是孤立的，如光周期是許多植物生殖生長不可缺少的誘導(dǎo)因素，葉片生長速率與氮供應(yīng)也存在一定響應(yīng)[22]。溫度在許多情況下的確充當(dāng)主導(dǎo)因素，但在應(yīng)用積溫來度量發(fā)育進(jìn)程時(shí)卻常常只是機(jī)械累加溫度，忽略了其它因素對作物生長的影響[23]。

第五，在嚴(yán)格的物理學(xué)意義上，積溫所反映的所謂“熱量資源”也與物理學(xué)上以焦耳為單位的熱能完全不同。如四川盆地氣溫較高，全年0℃以上積溫可達(dá)6000℃·d 以上，青藏高原氣溫相對較低，0℃以上積溫只有1000～2000℃·d；但兩地地面接收到能轉(zhuǎn)化為熱能的年太陽總輻射量卻完全相反，青藏高原大部為7000～8000MJ·m-2，四川盆地僅有前者的一半。

第六，積溫度量單位存在不統(tǒng)一和不規(guī)范。如果積溫只是按照逐日累加，那么其度量單位應(yīng)該是“℃”，而如果按照Monteith 的方法計(jì)算（式1 及式2），則得出的度量單位應(yīng)為“℃·d”?！吨袊r(nóng)業(yè)氣象》在專家建議后一直明確規(guī)定統(tǒng)一使用“℃·d”，但目前許多期刊并未嚴(yán)格規(guī)定其標(biāo)準(zhǔn)用法，目前一些科技期刊與文獻(xiàn)對積溫單位的使用仍十分混亂。

4 國內(nèi)外對于積溫及類似概念的應(yīng)用趨勢

目前國際較為常用的積溫科學(xué)名詞除了Accumulated temperature 和Thermal time 外，還有Degree-day 和Heat unit。2020年10月，通過Web of Science 數(shù)據(jù)庫，檢索了1995-2019年出版論文標(biāo)題出現(xiàn)以上4 個(gè)詞條的期刊和會(huì)議論文，統(tǒng)計(jì)世界范圍積溫及其相關(guān)名詞的使用情況。一共找到943 條，結(jié)果見表1。Web of Science 是獲取全球?qū)W術(shù)信息的重要數(shù)據(jù)庫，它收錄了13000 多種權(quán)威和高影響力的學(xué)術(shù)期刊，內(nèi)容涵蓋自然科學(xué)、工程技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、社會(huì)科學(xué)、藝術(shù)與人文等領(lǐng)域。

從表1 及表2 可以看出，“Thermal time”主要在英國和美國使用較多，該詞最能體現(xiàn)積溫的實(shí)質(zhì)，但這種最科學(xué)的表達(dá)方法中國學(xué)者文章僅占6.3%。隨著時(shí)間推移，用“Thermal time”替代“Accumulatedtemperature”用詞的文章正在逐漸增加。

表1 積溫及其同義詞在1995-2019年出版論文題目中出現(xiàn)的篇數(shù)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

表2 積溫及其同義詞在不同時(shí)期（1995-2019年）發(fā)表論文題目中出現(xiàn)的篇數(shù)Table 2 The number of papers published in different periods which accumulated temperature and its synonyms were in the titles in 1995-2019

4 種用詞中“Accumulated temperature”最不具備科學(xué)意義。以“Accumulated temperature”為英譯用詞的文章絕大多數(shù)來自中國學(xué)者，很少有外國學(xué)者使用。隨著中國學(xué)者向國際期刊投稿量的大幅增加，使得以“Accumulated temperature”占比達(dá)近三分之一，但2008年《中國農(nóng)業(yè)氣象》規(guī)定必須使用“℃·d”后已開始下降。作物模式迅速推廣使“degree-day”使用頻次持續(xù)增加，目前占比最大，達(dá)到36.4%，但把單位與物理量的名稱混淆不妥。論文標(biāo)題用詞“Heat unit”也不夠科學(xué)，主要來自印度，其占比最低。

從整體看來，具有科學(xué)性表述的“Thermal time”及“Degree-day”呈逐漸上升趨勢，表明越來越被國際學(xué)術(shù)界主流所接受?！癆ccumulated temperature”的使用雖在近幾年有所下降，但數(shù)量依舊龐大，這是由于中國作者在國際期刊上的投稿迅速增多。因此，在國內(nèi)統(tǒng)一積溫用詞及單位并使用科學(xué)表述方式亟待大力推行。

5 關(guān)于作物生長發(fā)育所需環(huán)境溫度條件的表征

由于積溫在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已取得大量成果且積溫一詞的使用在國內(nèi)已形成習(xí)慣，建議仍沿用該詞來表示生物生長發(fā)育所需環(huán)境溫度條件，但其科學(xué)性的問題及積溫單位的統(tǒng)一亟待解決。

關(guān)于中國大百科全書第一、二版的“熱量資源”條目，本文提出將其改為“溫度資源”，并已為大百科全書第三版相關(guān)條目的撰稿所采納。目前中國大百科全書第三版積溫條目的初稿已做出修訂：積溫又稱熱時(shí)，指某一時(shí)段內(nèi)日平均氣溫對時(shí)間的積分，單位℃·d 或℃·h。在第三版初稿中還將“熱量資源”改稱“溫度資源”，以便與“光照資源”、“水分資源”等并列，指對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生物生命活動(dòng)有利的溫度條件。其內(nèi)涵比傳統(tǒng)的“熱量資源”（農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育所需溫度條件與持續(xù)時(shí)間的綜合）明顯擴(kuò)展，還包括通過春化或打破休眠所需溫度，抗寒或耐熱鍛煉的適宜溫度，農(nóng)事活動(dòng)和農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工所需溫度和對自然熱源與熱匯的利用等，其中也包括對農(nóng)業(yè)生物或農(nóng)事活動(dòng)有利的相對較低環(huán)境溫度。

鄭大瑋等[14]首次提出將積溫的英譯改為“Integrated temperature”或“Thermal time”。其意義為：某一時(shí)段內(nèi)有生物學(xué)意義的平均溫度對時(shí)間的積分，單位為“℃·d”。對于多年平均積溫的計(jì)算，可將逐月平均氣溫?cái)M合為曲線方程，以界限溫度的起止日期或播種期、成熟期為上下限，對時(shí)間積分求得。這樣既能體現(xiàn)Monteith 關(guān)于積溫有效性訂正的時(shí)間進(jìn)程度量的思想，又可以使積溫一詞在科學(xué)性上得以延用。由于逐日平均氣溫并非連續(xù)函數(shù)，在實(shí)際計(jì)算當(dāng)年或某發(fā)育階段的積溫時(shí)，仍需通過逐日累加進(jìn)行，但所得出結(jié)果必須使用復(fù)合單位“℃·d”。

熱量資源與積溫概念及其單位使用的混亂，反映出中國農(nóng)業(yè)氣象學(xué)科基礎(chǔ)理論的不夠成熟。通過本文整理分析闡述積溫應(yīng)用過程中的不足并提出改進(jìn)方案，目的是使其定義更加嚴(yán)謹(jǐn)，物理意義更加明確，計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際，有利于中國農(nóng)業(yè)氣象研究結(jié)果得到國際科學(xué)界的認(rèn)可，也有利于促進(jìn)中國農(nóng)業(yè)氣象學(xué)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。