永豐蔬菜大棚冬季不同天氣狀況下小氣候分析

周 瑋胡 晨劉 翀

（1.吉安市氣象局，江西 吉安 343000；2.井岡山市氣象局，江西 井岡山 343699；

3.永豐縣氣象局，江西 永豐 331500）

永豐蔬菜大棚冬季不同天氣狀況下小氣候分析

周 瑋1胡 晨2劉 翀3

（1.吉安市氣象局，江西 吉安 343000；2.井岡山市氣象局，江西 井岡山 343699；

3.永豐縣氣象局，江西 永豐 331500）

根據(jù)江西省永豐縣冬季蔬菜大棚內(nèi)外的氣象觀測資料，對3種不同天氣狀況下棚內(nèi)的溫度、濕度和總輻射的變化特征以及其與外界氣象條件的關系進行對比分析，并對3種天氣條件下大棚內(nèi)外溫濕氣象要素關系進行回歸相關分析，建立相應的回歸方程，利用該組方程可以對冬季大棚內(nèi)的溫濕氣象要素進行相應分析，用于指導大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

蔬菜；大棚；冬季；棚內(nèi)小氣候；變化特征

蔬菜大棚主要是利用薄膜對太陽短波輻射較強以及對地面長波輻射較弱的穿透特性，而達到增溫保溫的目的［1］，是按照作物的生長需求，改善作物的光、溫、濕等條件，人為地改變棚內(nèi)小氣候，從而促進作物生長發(fā)育，獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的有效的農(nóng)業(yè)技術措施。利用塑料大棚實行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在小氣候利用方面能起到趨利避害的作用，在寒冷的冬季利用大棚的透光和保溫性能能有效抵御冬季的低溫，只有充分了解當?shù)靥鞖鈼l件對大棚內(nèi)小氣候的影響，合理地控制光溫濕度等，再科學配置適宜的品種，在惡劣的天氣條件下才能獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品。為了探討江西省吉安市蔬菜大棚內(nèi)小氣候變化規(guī)律，更好地利用吉安市氣候資源，對永豐縣蔬菜大棚內(nèi)冬季小氣候條件以及其與外界氣象條件的差異規(guī)律進行分析研究，建立棚內(nèi)外氣象要素的數(shù)理關系，以期為有關部門和廣大農(nóng)民減災增效提供依據(jù)。

1 測站地點與分析方法

1.1 測站地點

蔬菜大棚農(nóng)田小氣候觀測站，地點設在永豐縣佐龍鄉(xiāng)蔬菜科研所的蔬菜生產(chǎn)基地，大棚

為七連棟大棚，小氣候觀測儀設置在中間大棚中。

1.2 選取項目

選取內(nèi)容為2015年12月—2016年2月的晴天、多云天及陰雨天3種不同天氣類型下蔬菜大棚內(nèi)外的氣溫、相對濕度及總輻射照度。棚內(nèi)資料采用蔬菜大棚農(nóng)田小氣候觀測站資料，棚外同期的氣象資料來源于永豐縣氣象局自動氣象站觀測資料。

1.3 統(tǒng)計分析方法

統(tǒng)計分析大棚內(nèi)的氣候特征，按日期和時間進行統(tǒng)計，日平均值為21:00至次日20:00；逐時平均值是按晴天、多云、陰雨天分白天（8:00—18:00）和夜晚（19:00—7:00）2個時段分類每小時平均統(tǒng)計計算；3種不同天氣按照日照時間劃分，≥6 h為晴天，3～6 h為多云，≤3 h為陰天，陰天有雨為雨天，陰天和雨天歸為陰雨天［2，3］；利用永豐縣觀測站的資料進行對比分析，運用回歸分析方法，建立棚內(nèi)外相關方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣溫度變化特征

2.1.1 棚內(nèi)外氣溫變化比較

2.1.1.1 大棚內(nèi)主要小氣候特征之一是溫度明顯增高。棚內(nèi)溫度升高快，溫差大，棚內(nèi)外溫度存在較大差異，棚內(nèi)增溫效應明顯。大棚的增溫效應使棚內(nèi)溫度明顯高于棚外（除有時候出現(xiàn)“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即棚內(nèi)溫度低于棚外）。從平均、最高、最低3種氣溫的增幅情況看（見表1），最高氣溫＞平均氣溫＞最低氣溫。

2.1.1.2 不同天氣狀況大棚增溫效應不同。晴天條件下因日照充足，棚內(nèi)升溫迅速，氣溫高，增溫效果最為明顯；其次是多云天氣，陰雨天最小，但陰雨天可以提高棚內(nèi)的最高溫度，陰雨天大棚內(nèi)部的平均日最高氣溫達到14.5℃，比棚外的9.5℃高5.0℃。表1為冬季大棚內(nèi)外氣溫計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從表1可以看到，晴天和多云天棚內(nèi)的平均氣溫增幅為5.8℃和5.0℃，比陰雨天的3.0℃高2.8℃和2.0℃；平均日最高氣溫增幅為9.1℃和7.6℃，比陰雨天的5.0℃高4.1℃和2.6℃?？梢姶笈锏脑鰷匦Ч缣欤径嘣疲娟幱晏臁５飪?nèi)平均日最低氣溫陰雨天＞多云＞晴天，陰雨天一般空氣濕度比較大，溫度變化比較平穩(wěn)，棚內(nèi)溫度高于棚外，體現(xiàn)出大棚的避雨及保溫效果。

2.1.1.3 棚內(nèi)晝夜溫差大且高于棚外氣溫日較差。大棚內(nèi)氣溫的日變化幅度比外界劇烈，主要是由于白天光照水平較高，大棚內(nèi)部的溫度升高幅度大，而夜間逆輻射，棚內(nèi)熱量損失，致使溫度降低，加上單層棚膜的保溫力度相對不強，棚內(nèi)外溫差不大，因而大棚具有氣溫日較差明顯偏大的特點［4］。3種天氣狀況下棚內(nèi)氣溫日較差為5.7～20.2℃，高于棚外日較差2.5～6.4℃（見表1），棚內(nèi)氣溫日較差高于棚外，體現(xiàn)了大棚的增溫優(yōu)勢，在作物生長溫度范圍內(nèi)，日較差越大，越有利于作物有機物質(zhì)的積累及品質(zhì)的提高［5］。晝夜溫差依天氣狀況而異，晴天白天由于太陽輻射強，外界光照條件好，棚內(nèi)增溫迅速，日較差最大，多云天次之，陰雨天最小，晴天棚內(nèi)晝夜溫差可達20.0℃以上（見表1）。

表1 不同天氣類型棚內(nèi)外氣溫統(tǒng)計值

2.1.1.4 3種天氣均有“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)。從棚內(nèi)外氣溫觀測數(shù)據(jù)對比中看到，3種不同天氣均有“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)（晴天9 d、多云天7 d、陰雨天3 d出現(xiàn)“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象），出現(xiàn)的日數(shù)晴天多于多云天多于陰雨天，出現(xiàn)的時間晴天長于多云天長于陰雨天，下降的幅度晴天＞陰雨云＞多云；晴天一般16:00—7:00、多云天16:00—2:00、陰雨天21:00—7:00之間連續(xù)或間斷地出現(xiàn)“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，晴天和多云天各有一天甚至從13:00—14:00開始一直持續(xù)到第2天8:00，降幅晴天為0.1～7.0℃，多云天為0.1～5.4℃，陰雨天為0.1～6.0℃。

2.1.2 棚內(nèi)氣溫日變化規(guī)律。圖1、2、3為冬季大棚在晴天、多云天、陰雨天3種天氣狀況下棚內(nèi)外逐時平均氣溫日變化特征圖，從圖1、2、3中可以看出，3種不同天氣狀況棚內(nèi)氣溫日變化曲線均呈單峰型，與棚外氣溫變化趨勢相似，存在明顯的日變化周期。棚內(nèi)氣溫的日變化隨著太陽高度、日照狀況和外界溫度的變化而變化，白天溫度升高，夜間溫度降低，氣溫日變幅明顯大于棚外。

光照強度是影響大棚內(nèi)溫度變化的主導因素。揭簾后，在晴天條件下大棚開始受光照影響溫度逐步上升，棚內(nèi)外溫差逐漸加大，8:00—11:00升高最快，在密閉較好的情況下，1 h最快可升高5.0～9.0℃。為防止氣溫上升過高，10:00—11:00后農(nóng)戶會開始通風，氣溫轉(zhuǎn)為緩慢上升或先下降再上升，13:00—14:00達到全天最高值，比棚外氣溫提前1～2 h，棚內(nèi)外氣溫最大差值出現(xiàn)在中午時刻，大棚通風可以調(diào)節(jié)最高溫度出現(xiàn)的時間，并降低棚內(nèi)最高溫度；之后隨著太陽光照減弱以及大氣溫度的下降開始下降，初始下降緩慢，15:00—16:00后下降速度加快，日落后由快到慢，蓋簾后棚內(nèi)沒有了外來的熱源，完全處于熱量的耗損狀態(tài)，溫度逐漸下降，棚內(nèi)外氣溫最小差值出現(xiàn)在19:00；夜間溫度下降平穩(wěn)，次日日出前與外界同時達到最低值，棚內(nèi)最低氣溫與外界最低氣溫為同步生降的趨勢，夜間棚內(nèi)溫度水平取決于大棚自身的保溫能力和保溫措施。3種天氣狀況夜間棚內(nèi)外溫差均不大，棚內(nèi)平均日最低氣溫比棚外高1.8～2.7℃。

圖1 晴天棚內(nèi)外氣溫日變化

圖2 多云天棚內(nèi)外氣溫日變化

圖3 陰雨天棚內(nèi)外氣溫日變化

多云天氣時，棚內(nèi)氣溫也有明顯的日變化，變化趨勢與晴天相似，但變化幅度沒有晴天劇烈，增溫或降溫都較晴天小。

陰雨天由于全天有云覆蓋，棚外光照弱，太陽輻射升溫不強，棚內(nèi)有薄膜的保溫作用，氣溫日變化較為平緩，升幅較小，降輻也小，大棚內(nèi)外溫差也小，氣溫變化相對穩(wěn)定性較晴天和多云天氣小。

大棚內(nèi)氣溫的變化主要是受太陽輻射的影響，不同天氣狀況接收到的太陽輻射有不同的變化，導致棚內(nèi)氣溫的變化也有所不同。圖4是3種不同天氣狀況下棚內(nèi)氣溫日變化特征對比圖，可以看出，不同天氣狀況棚內(nèi)氣溫隨時間變化趨勢基本一致，氣溫日變幅晴天＞多云天＞陰雨天；3種天氣同一時間的棚內(nèi)氣溫，晴天、多云天與陰雨天之間，10:00—18:00有明顯差異，日最高值出現(xiàn)時差值最大；19:00—9:00差異較小，白天氣溫差值大于夜間，21:00—8:00同一時間的氣溫陰雨天＞多云＞晴天，其他同一時間氣溫晴天＞多云＞陰雨天。3種天氣狀況全天最低氣溫均出現(xiàn)在6:00—7:00。

2.1.3 棚內(nèi)外氣溫的相關性分析。根據(jù)棚內(nèi)外氣溫觀測資料按不同天氣和不同時間段建立棚內(nèi)氣溫（y）與棚外氣溫（x）的相關方程（見表2），方程均通過0.01信度的顯著性檢驗。從表2看到，3種天氣類型棚內(nèi)外氣溫的相關性，19:00—7:00時段高于8:00—18:00時段，白天的相關性較差，夜間的相關性較好。

2.2 空氣濕度變化特征

2.2.1 棚內(nèi)外相對濕度變化比較。大棚內(nèi)的水汽主要來源于土壤蒸發(fā)和作物葉面蒸騰［6］。大棚是一個密閉的環(huán)境，塑料薄膜的通透性能極差，由于大棚常處于封閉或半封閉狀態(tài)，棚內(nèi)空氣與外界空氣無法暢通交換，棚內(nèi)水汽不易外逸，造成棚內(nèi)濕度遠大于外界，經(jīng)常處于飽和或接近飽和狀態(tài)，因此空氣濕度大成為了設施栽培的主要特點之一。

表3是3種天氣狀況下棚內(nèi)外逐時平均相對濕度日變化比較。由表3可知，3種天氣棚內(nèi)平均相對濕度均在80%以上，明顯高于棚外，晴天時高于棚外20%以上，陰雨天、多云天高于棚外10%～12%；夜間高于白天，夜間棚內(nèi)濕度大變化小，3種天氣相對濕度均在95%以上的高濕狀態(tài)。3種天氣棚內(nèi)平均相對濕度陰雨天＞多云＞晴天，晴天時相對濕度分別低于多云天和陰雨天10%和16%；19:00-9:00 3種天氣棚內(nèi)相對濕度均較高且差異小，其他同一時間差異較大，并且三者均在午后達到最小值。

表2 棚內(nèi)氣溫（y）與棚外氣溫（x）的回歸模式

表3 不同天氣類型棚內(nèi)外相對濕度

圖4 3種不同天氣狀況下棚內(nèi)氣溫日變化

晴天與多云天時大棚內(nèi)空氣濕度有明顯的日變化，白天下降，最小值分別為40%和66%；夜間升高，最大值達到98%。8:00左右棚內(nèi)濕度達到最大值，揭簾后隨著溫度的升高，棚內(nèi)濕度開始下降，14:00—15:00達到最小，與升溫形成對應關系；蓋簾后棚內(nèi)濕度隨著溫度的下降而逐漸增大，直至次日揭簾前。

陰雨天時，棚內(nèi)相對濕度全天均維持在92%以上的高濕狀態(tài)，18:00—10:00幾乎接近飽和，全天變化較平穩(wěn)，下降不大，只是在中午時刻略有下降。在陰雨天、夜間，尤其是低溫寡照連陰雨天氣時，棚內(nèi)溫度低，濕度又經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，這種高濕低溫寡照狀態(tài)，不僅造成植株生長弱，影響作物的開花結(jié)實，也易感染病害和遭受冷凍害，棚戶應特別注意。

2.2.2 棚內(nèi)外空氣相對濕度的關系。根據(jù)棚內(nèi)外空氣相對濕度觀測資料，建立棚內(nèi)空氣相對濕度（y）與棚外空氣相對濕度（x）的相關方程：Y=0.536 4X+ 49.757 0，相關系數(shù)為0.577 9。當信度為0.01時，T檢驗達顯著水平。

2.3 棚內(nèi)太陽輻射變化特征

太陽輻射是形成大棚內(nèi)微環(huán)境的一個重要因素，是提高棚內(nèi)溫度，維持蔬菜正常生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的基礎，棚內(nèi)總輻射是棚外太陽輻射經(jīng)過大氣衰減和棚膜削弱過濾后到達的太陽直接輻射和散射輻射之和，是大棚獲取能量的唯一來源。太陽輻射對蔬菜的光合作用、呼吸作用、開花結(jié)果及品質(zhì)都有影響，光照充足，葉片光合作用強，營養(yǎng)積累多，不但有利于蔬菜生長、增加產(chǎn)量，并且能提高蔬菜品質(zhì)。

由于云層對太陽輻射的反射最為明顯，不同天氣狀況接收到的太陽輻射有所不同。根據(jù)大棚觀測資料統(tǒng)計計算，冬季大棚內(nèi)接受到的平均總輻射為60.07 W/m2；晴天棚內(nèi)總輻射平均為118.90 W/m2，陰雨天為29.65 W/m2，為晴天平均總輻射的25%；多云天則介于兩者之間，為73.21 W/m2。3種天氣在冬季各月棚內(nèi)接受到的太陽輻射平均值均相差不大，12月和2月更相差微小，晴天時12月和2月平均總輻射為119.34 W/m2和119.98 W/m2，大于1月平均總輻射114.42 W/m2；多云天時為71.89 W/m2和71.60 W/m2，小于1月平均總輻射76.36 W/m2；陰雨天時為31.88 W/m2和31.12 W/m2，大于1月平均總輻射24.77 W/m2。

圖5是3種天氣狀況下棚內(nèi)逐時平均總輻射量日變化特征對比圖。從圖5可以看出，3種天氣狀況棚內(nèi)逐時平均總輻射照度日變化基本均呈單峰型變化特征（晴天還出現(xiàn)一個小峰值），棚內(nèi)輻射照度的日變化與棚外的太陽輻射變化具有同步性，變化趨勢基本一致，只是由于棚膜對太陽光的反射和削弱作用，在同一時間棚內(nèi)接受到的輻照強度比棚外低。3種天氣同一時間的總輻射強度晴天＞多云＞陰雨天，逐時平均最大值分別為217.40 W/m2＞127.40 W/m2＞44.10 W/m2；逐時平均最大總輻射晴天和多云天均出現(xiàn)在13:00左右，陰雨天出現(xiàn)在12:00。

晴天時，棚內(nèi)接受到的太陽輻射具有明顯的日變化。正午前后大，早晚小，18:00—7:00基本無輻射；揭開草簾后，棚內(nèi)總輻射開始增加，7:00—18:00總輻射變化呈先上升后下降的趨勢，上午隨著太陽高度角的增高也迅速升高，中午前后達到最大，下午隨著太陽高度角的減小而迅速減小，上下午基本對稱。日最大總輻射為160.00～344.00 W/m2，日最大平均值為244.18 W/m2，冬季最大值出現(xiàn)在2月，為344.00 W/m2。多云天時，棚內(nèi)總輻射的日變化趨勢與晴天相似，日最大平均值較晴天低，為164.17 W/m2，日最大值為70.00～221.00 W/m2，冬季最大值出現(xiàn)在2月，為221.00 W/m2。陰雨天時棚內(nèi)日最大總輻射為1.00～198.00 W/m2，日最大平均值為58.83 W/m2，為晴天日最大總輻射平均值的24%；冬季最大值出現(xiàn)在12月，為198.00 W/m2。

圖5 3種不同天氣狀況下棚內(nèi)總輻射量日變化

3 結(jié)論

3.1 溫度

大棚的主要特點之一是具有很好的增溫保溫性能，棚內(nèi)溫度明顯高于棚外（除有時候出現(xiàn)“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象）；不同天氣類型增溫效應不同，3種天氣增溫效果晴天＞多云＞陰雨天；棚內(nèi)氣溫日較差大且高于棚外氣溫日較差，晴天日較差最大，多云天次之，陰雨天最小，這些與許多研究結(jié)果一致。

3種天氣狀況均有“溫度逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象出現(xiàn)，最大降幅達到5.4～7.0℃。同時，3種天氣棚內(nèi)外平均最低氣溫溫差為1.8～2.7℃，在外界溫度較低時，如果棚內(nèi)溫度低于作物生長的最低耐受溫度下限，易出現(xiàn)低溫危害，應注意增強大棚的增溫防寒保溫措施，降低大棚內(nèi)熱量的損失，以保持夜間大棚內(nèi)較高的溫度，有條件的應增加增溫設備，以防低溫造成作物災害。

3種天氣狀況棚內(nèi)氣溫20:00—8:00均下降至10.0℃以下，在栽培喜溫蔬菜的大棚，20:00前后應進行增溫，使棚內(nèi)氣溫能夠維持在蔬菜適宜生長的下限溫度之上。

3.2 相對濕度

3種天氣棚內(nèi)相對濕度全天均表現(xiàn)為增濕，平均相對濕度均在80%以上，遠高于棚外，高于棚外10%～21%。蔬菜類作物進行光合作用的適宜空氣濕度一般在60%～85%，當空氣濕度低于40%或高于90%時，光合作用會受到抑制［7］，棚內(nèi)增濕效應造成濕度長時間持續(xù)90%以上的高濕，不僅影響作物的光合作用和對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收，還易引起許多病蟲害的滋生蔓延，所以除濕是大棚的一項重要任務。因此，在生產(chǎn)上應視棚內(nèi)溫度和天氣情況，在確保棚溫對作物安全的條件下，針對選種品種生長所需的濕度條件酌情采取降濕措施或選種喜濕品種。

3.3 光照

大棚內(nèi)接受到的總輻射和棚外的太陽輻射變化具有同步性，輻照強度隨著外界自然輻照強度的增加而增加。因此，為了有利于提高大棚內(nèi)的輻照強度，在生產(chǎn)上應注意定期清潔棚膜或更換新的、透光率高的棚膜。

3種天氣條件下大棚內(nèi)總輻射平均值和日最大平均值晴天＞多云＞陰雨天，陰雨天時棚內(nèi)總輻射平均值和日最大平均值為晴天時的25%和24%。晴天和多云天棚內(nèi)接受到的太陽總輻射日最大值分別為160.00～344.00 W/m2和70.00～221.00 W/m2，一般最大值出現(xiàn)在正午前后；陰雨天時棚內(nèi)接受到的總輻射日最大值每日變化比較大，一般在1.00～198.00 W/m2，規(guī)律性較差。生產(chǎn)者可根據(jù)棚內(nèi)總輻射值大小、日變化規(guī)律和作物對太陽光照的需求規(guī)律，采取補光或遮陰措施，從而避免因中午前后輻照過強造成作物燒傷或陰雨天光照不足形成弱苗、植株長勢較差的現(xiàn)象，還可達到合理調(diào)控棚內(nèi)溫濕度的目的。

3.4 回歸方程的建立

棚內(nèi)外溫濕要素具有較好的相關性，運用統(tǒng)計方法建立了回歸方程，根據(jù)這些方程，可用棚外溫濕數(shù)據(jù)來推算棚內(nèi)溫濕氣象要素，為冬季大棚生產(chǎn)管理提供支持。

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1674-7909（2016）23-78-5