積溫及熱量資源概念的科學性問題與改進＊

張子源，鄭大瑋，潘宇鷹,2，潘志華**

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.陜西省農業遙感與經濟作物氣象服務中心，西安 710014）

熱量資源作為氣候資源的一種，出現在很多資源評價相關的科技論文中。從文獻數據庫“中國知網”查詢詞條“熱量資源”的數據顯示，1980年以來，該詞出現的文章共有約4300 篇。但該詞在氣候資源量的說明方面，關于其是否能夠準確表征其中的物理學含義，學術界有較多的爭議。本文擬通過對爭議的本質，以及“熱量資源”的含義、國內外應用情況的文獻分析等方面，提出對該詞表達的不同意見，以便為今后科學名詞審定提供更為準確的釋義。

1 “積溫”與“熱量資源”的實質

長期以來，熱量資源被看作一種主要的農業氣候資源[1-2]?！吨袊r業百科全書·農業氣象卷》[3]定義為“農業生產可利用的熱量”，提出“熱量是農業生物生存、生長發育必須的外界環境因子和能量來源”，并定義積溫為“某一時段內逐日平均氣溫累積之和。它是研究作物生長、發育對熱量的要求和評價熱量資源的一種指標”?！吨袊r業氣候學》[4]中解釋道：“各種農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，形成作物產量”，“熱量資源主要來源于太陽輻射的增溫效應”?！洞髿饪茖W詞典》[5]也定義：“積溫，又稱度·日，某一時期內大于或小于某一界限溫度的日平均溫度的總和”。

傳統的熱量資源通常用穩定通過某個界限溫度的持續時間、積溫多少和無霜凍期長短等作為指標來衡量。如“在日平均氣溫上升到0℃以上時，越冬作物返青生長，農事活動開始；氣溫下降到0℃以下時，越冬作物停止生長。因此可用一年中≥0℃持續日數來衡量生長期和農時季節的長短，用≥0℃積溫多少反映該地區熱量資源的多少，用≥10℃持續日數和積溫的多少來衡量喜溫作物生長季節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間延續的積累量，其實是違背物理學原理的。

多年來，很多學者試圖研究各種動植物生理反應中的溫度對光合作用、呼吸作用或發育速率的影響機制[6-9]。溫度是影響動植物生理過程的一個基本要素，各類物種都只能適應特定的溫度范圍，溫度是影響其分布的主要影響因子之一。但是，生長與發育密切相關，本質卻有所不同。發育體現質的變化，是時間進程，需要環境信息來啟動和調控，尤其是適宜溫度與光信號及低溫刺激。恒溫動物由于體溫恒定，發育進程與環境溫度無直接關系。生長則表現為有機體量的增長，需要物質和能量的投入與轉化。

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

溫度與熱量是密切相關但并不相同的兩個物理量。溫度是表示物體冷熱程度的物理量，其實質是反映物質分子熱運動的劇烈程度。熱量則指“不需借助于機械的方式，也不顯示任何宏觀運動的跡象，直接在兩者的分子無規則運動之間進行著能量的交換[10]”，其單位是焦耳。根據熱力學第二定律，在一個封閉系統中，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，在發生熱傳遞時，溫度稍低但質量較大的物體所傳輸的熱量往往要比溫度稍高但質量小的物體更多。至于溫度的累加，在物理學上更是毫無意義和荒謬的。

溫度對植物與變溫動物生理和生長發育的影響主要在于酶的活性，生長發育現象無非是酶促生物化學反應的外在表象。酶促生物化學反應的速度主要取決于溫度。在一定溫度范圍內，反應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。所以作物生長發育對溫度的響應曲線一般分為兩段：在上升段中，隨著溫度的升高，酶的活性提高，反應速度加快；達到最適溫度后繼續升高溫度，反應開始進入快速下降階段，不再服從Van’t Hoff 定律[11-12]。超過作物能夠適應的溫度后，酶逐漸失活，直至反應停止，如圖1 所示?？梢?，超過酶的最佳活性溫度，從外界傳遞熱量以提高反應溫度，反而會降低反應速度，延緩甚至阻礙生長發育的進程。

2 “積溫”概念的發展及應用

2.1 “積溫”概念的發展

WMO 于1966年曾給出積溫的定義，即“在一既定時期內，日平均溫度（或者另定其它溫度）對參考溫度偏差的總和”[13]。積溫在此處是一個描述氣候的參數，通常作為表征熱量資源最常用的指標。而熱量資源又被大致定義為“農業生產可利用的熱量”[3]。這些傳統概念顯然違背了物理學原理，在農業氣象研究中用積溫來反映作物的某種環境氣象條件，還需要進一步考慮其真實的物理意義和生物學意義。

積溫概念最早由法國學者Réaumur 提出，是把植物從種植到成熟的日平均氣溫進行累加，只是一個比較粗糙的氣候參數。其后，積溫學說根據生物的三基點溫度和化學反應中的Van 't Hoff 方程，提出植物發育速率在最適溫度與植物生命活動最低溫度之間呈線性關系。但直至今日，也沒有關于為何植物發育速率與溫度呈線性關系的解釋，因為在Van't Hoff 方程中，反應溫度每升高10℃，發育速率增加一倍，這個關系顯然不是線性，而是按照指數曲線增長。

從19世紀到20世紀上半葉，國外農業氣象學家對積溫的計算和訂正陸續進行了改進。1837年Boussingault 用基本相同的方法計算谷物播種所需“熱量”總值，稱此期間天數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，開始進行作物有效溫度、生物學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業氣象學家、微氣象學和生理生態學家Monteith 通過梯度溫床進行控制溫度下的種子發芽實驗，論證了所謂積溫不過是經過溫度有效性訂正的生物發育時間進程的一種度量，并提出以“ Thermal time ”（熱時） 代替“ Accumulated temperature”（積溫）一詞，Monteith 給出的計算發芽速率公式為[15]

由此推算熱時即積溫1θ （℃·d）的計算式為

式中，t 是種子達到發芽標準長度所需天數（d），1/t 即為發育速率，Tb為作物的生物學零度即生長發育的起始溫度（℃），T 為該階段的日平均氣溫（℃）。Monteith 還把熱時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芽所需熱時即積溫 θ2（℃·d）的計算式為

發芽速率公式為

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小組，評價人員從香氣和滋味2個方面產生盡可能多的怪味胡豆風味描述詞，整理匯總風味描述詞，刪除表達情感的詞，合并同義詞。評價小組結合《食品感官分析詞典》和類似產品的研究[23，24]，對描述詞及定義進行討論，根據GB/T 29604-2013選擇適合中國消費者的產品作為參照物[25]，形成意見一致的的怪味胡豆風味描述詞表。

式中，Tm為發芽的上限溫度（℃），（Tm-T）為發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育速率與溫度呈線性相關的方式來計算積溫的。但是Van 't Hoff equation 假定酶促反應速率與溫度存在指數關系，當溫度升高10℃，反應速率增加一倍?；谶@個理論基礎，許多學者研究成果更傾向于非線性相關關系[16]。如Tollenaar et al 曾得到玉米生長發育所需熱時符合三次曲線關系[17]，即

其中，DD 為熱時（degree-day），T 為日平均溫度。

除此以外，國外學者曾用“chill day”（日平均氣溫低于5℃）天數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芽時間[18]。

另外，關于積溫學說內容的發展擴充，中國農業氣象學家從20世紀下半葉先后提出負積溫、有效積溫、當量積溫、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，豐富了積溫學說的內容[14]。

2.2 “積溫”在農業上的應用

積溫在農業上的應用十分廣泛，大致上可分為以下方面。（1）反映生物體完成某個發育階段對“熱量”的要求，為地區間作物引種和新品種推廣提供依據；（2）在農業氣候研究中作為分析地區熱量資源和編制農業氣候區劃的指標；（3）在農業氣象預報、情報服務中根據作物各發育時期的積溫指標，預報作物的物候期。（4）預測昆蟲的發育，以期更好地進行植物檢疫控制[19]。（5）評估作物真菌的產孢強度，以防作物的真菌性病害[20]。（6）應用負積溫和有害積溫概念確定凍害與寒害等低溫災害的指標，作為制定防災措施的依據。

3 用“積溫”表示“熱量資源”在科學性上的一些缺點

“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地區的熱量資源是否豐富。但是早在1997年的世界氣象組織農業氣象委員會（WMO CAgM）的咨詢工作組會議上，便有人提出“熱量資源”的提法不科學，在國際權威農業氣象著作、教材和論著中大多也找不到“熱量資源”一詞。

首先，傳統的積溫計算方法有悖物理學原理。作為一種物理量，溫度并不等于熱量，溫度只是物質分子平均動能的一種表征形式，屬狀態物理量，并非能量。在農業氣象學中，溫度經常以生態因子和氣象要素的形式出現，更多反映農作物周圍空氣或土壤的一種物理狀態。因此，與其把積溫當作一種能量即“熱量資源”，不如看作一種描述狀態的“信息資源”。

第三，積溫本身是個很粗糙的量數，并不能準確反映作物的適宜生長溫度。目前常用于積溫計算的溫度數據大多數源于氣象站點觀測的1.5m 或者2m 高度處百葉箱內空氣溫度，而作物生長環境溫度往往與氣象站點觀測溫度有明顯出入，大面積生長的作物還會形成局地的農田小氣候。而且，1.5m 或2m 高度的氣溫也不能準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，比如晴朗夜晚的強烈輻射降溫會使地表及近地面溫度明顯低于1.5m 或2m 高度的氣溫，此時盡管觀測的氣溫不影響作物生長發育，但是地表溫度有可能已經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，以積溫度量發育進程時沒有考慮影響作物生長發育的其它因素。作物生長發育的各種環境因素（如光、溫、水、風、礦質養分和其它生物等）是密切聯系的，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因素，葉片生長速率與氮供應也存在一定響應[22]。溫度在許多情況下的確充當主導因素，但在應用積溫來度量發育進程時卻常常只是機械累加溫度，忽略了其它因素對作物生長的影響[23]。

第五，在嚴格的物理學意義上，積溫所反映的所謂“熱量資源”也與物理學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一和不規范。如果積溫只是按照逐日累加，那么其度量單位應該是“℃”，而如果按照Monteith 的方法計算（式1 及式2），則得出的度量單位應為“℃·d”。《中國農業氣象》在專家建議后一直明確規定統一使用“℃·d”，但目前許多期刊并未嚴格規定其標準用法，目前一些科技期刊與文獻對積溫單位的使用仍十分混亂。

4 國內外對于積溫及類似概念的應用趨勢

目前國際較為常用的積溫科學名詞除了Accumulated temperature 和Thermal time 外，還有Degree-day 和Heat unit。2020年10月，通過Web of Science 數據庫，檢索了1995-2019年出版論文標題出現以上4 個詞條的期刊和會議論文，統計世界范圍積溫及其相關名詞的使用情況。一共找到943 條，結果見表1。Web of Science 是獲取全球學術信息的重要數據庫，它收錄了13000 多種權威和高影響力的學術期刊，內容涵蓋自然科學、工程技術、生物醫學、社會科學、藝術與人文等領域。

從表1 及表2 可以看出，“Thermal time”主要在英國和美國使用較多，該詞最能體現積溫的實質，但這種最科學的表達方法中國學者文章僅占6.3%。隨著時間推移，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的篇數及其分布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期（1995-2019年）發表論文題目中出現的篇數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”最不具備科學意義。以“Accumulated temperature”為英譯用詞的文章絕大多數來自中國學者，很少有外國學者使用。隨著中國學者向國際期刊投稿量的大幅增加，使得以“Accumulated temperature”占比達近三分之一，但2008年《中國農業氣象》規定必須使用“℃·d”后已開始下降。作物模式迅速推廣使“degree-day”使用頻次持續增加，目前占比最大，達到36.4%，但把單位與物理量的名稱混淆不妥。論文標題用詞“Heat unit”也不夠科學，主要來自印度，其占比最低。

從整體看來，具有科學性表述的“Thermal time”及“Degree-day”呈逐漸上升趨勢，表明越來越被國際學術界主流所接受。“Accumulated temperature”的使用雖在近幾年有所下降，但數量依舊龐大，這是由于中國作者在國際期刊上的投稿迅速增多。因此，在國內統一積溫用詞及單位并使用科學表述方式亟待大力推行。

5 關于作物生長發育所需環境溫度條件的表征

由于積溫在農業上的應用已取得大量成果且積溫一詞的使用在國內已形成習慣，建議仍沿用該詞來表示生物生長發育所需環境溫度條件，但其科學性的問題及積溫單位的統一亟待解決。

關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，指某一時段內日平均氣溫對時間的積分，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，指對農業生產和農業生物生命活動有利的溫度條件。其內涵比傳統的“熱量資源”（農業生物生長發育所需溫度條件與持續時間的綜合）明顯擴展，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，農事活動和農產品貯藏加工所需溫度和對自然熱源與熱匯的利用等，其中也包括對農業生物或農事活動有利的相對較低環境溫度。

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：某一時段內有生物學意義的平均溫度對時間的積分，單位為“℃·d”。對于多年平均積溫的計算，可將逐月平均氣溫擬合為曲線方程，以界限溫度的起止日期或播種期、成熟期為上下限，對時間積分求得。這樣既能體現Monteith 關于積溫有效性訂正的時間進程度量的思想，又可以使積溫一詞在科學性上得以延用。由于逐日平均氣溫并非連續函數，在實際計算當年或某發育階段的積溫時，仍需通過逐日累加進行，但所得出結果必須使用復合單位“℃·d”。

熱量資源與積溫概念及其單位使用的混亂，反映出中國農業氣象學科基礎理論的不夠成熟。通過本文整理分析闡述積溫應用過程中的不足并提出改進方案，目的是使其定義更加嚴謹，物理意義更加明確，計算結果更加接近實際，有利于中國農業氣象研究結果得到國際科學界的認可，也有利于促進中國農業氣象學及相關學科的發展。