遼寧朝陽(yáng)地區(qū)溫室小氣候的變化特征

劉志鵬， 張富榮， 戴海燕， 孫 奇， 蘇 華

(遼寧省朝陽(yáng)市氣象局，遼寧朝陽(yáng) 122000)

日光溫室小氣候環(huán)境因素相互作用及科學(xué)的人工干預(yù)與調(diào)控共同影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。近年來(lái)，我國(guó)大范圍的利用溫室進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，并逐步形成規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化[1]。溫室生產(chǎn)能充分開(kāi)發(fā)利用氣候資源，大幅度提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量及品質(zhì)，給農(nóng)戶帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益[2]。但在設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展過(guò)程中，日光溫室在經(jīng)營(yíng)管理上仍存在氣象實(shí)用技術(shù)問(wèn)題需要逐一解決。吉中禮等[3]研究了我國(guó)西北地區(qū)塑料大棚日光溫室的溫度、濕度及風(fēng)速的時(shí)空分布規(guī)律。吳明興等[4]在江蘇沿江地區(qū)對(duì)鋼架大棚內(nèi)小氣候變化規(guī)律進(jìn)行探索，提出了不同天氣狀況下棚內(nèi)小氣候變化對(duì)植物的影響。袁靜等[5]研究了山東壽光冬季日光溫室內(nèi)的溫度變化特征及低溫預(yù)報(bào)。已有關(guān)于江蘇徐州[6]、寧夏銀川[7]和山東萊蕪[8]等地日光溫室小氣候變化的研究報(bào)道。鮮見(jiàn)遼寧朝陽(yáng)地區(qū)氣候環(huán)境下的類(lèi)似研究報(bào)道。為此，選取遼寧朝陽(yáng)地區(qū)具有代表性的日光溫室大棚，研究其氣候環(huán)境下日光溫室溫度、濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度的變化，以期為當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

日光溫室大棚：選取代表性日光溫室大棚試驗(yàn)基地，南北朝向，實(shí)體磚土混泥墻，頂部1.5 m寬淺棚，脊高3.5 m，東西長(zhǎng)72 m，寬6.5 m，種植面積約450 m2，拋物面形采光，PVC防老化塑料膜覆蓋。

1.2 方法

試驗(yàn)于2014年10月至2017年6月進(jìn)行，歷時(shí)3個(gè)作物生育周期，各生育周期分別種植青椒、黃瓜和番茄作物。

1.2.1 指標(biāo)觀察與采集 試驗(yàn)觀察與采集的指標(biāo)主要有日光溫室的溫度、濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度等小氣候要素。氣溫：采取東西和南北方向9個(gè)固定位置整點(diǎn)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間從作物定植至生育期結(jié)束，3次重復(fù)；濕度：全天24 h整點(diǎn)自記濕度計(jì)采集；光照強(qiáng)度：全天見(jiàn)光時(shí)間內(nèi)整點(diǎn)時(shí)觀測(cè)采集；CO2濃度：全天24 h整點(diǎn)時(shí)觀測(cè)采集。

1.2.2 天氣類(lèi)型的確定 以天空總云量(無(wú)云時(shí)為0，云量最多時(shí)為10.0)劃定天氣的類(lèi)型，根據(jù)云量記錄方法，0.0～1.9為晴天，2.0～8.0為多云天氣，8.1～10.0為陰(雨雪)天。

1.2.3 氣候要素變化速率的計(jì)算 運(yùn)用線性回歸方法計(jì)算溫室內(nèi)各要素變化速率。變化速率由一元線性方程y(x)=ax+b的一階導(dǎo)數(shù)a=dy(x)/dx計(jì)算獲得。式中，a為單位時(shí)間(h)小氣候要素變化率，y為氣象要素，x為時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室內(nèi)溫度的變化

2.1.1 日變化 從圖1看出，溫室內(nèi)氣溫受外界氣象條件影響的變化較大，氣溫變化速率晴天>多云天氣>陰(雨雪)天。從早上掀簾起氣溫逐步上升，最低氣溫出現(xiàn)在8:00-9:00，近12:00達(dá)最高，晴天、多云天氣和陰(雨雪)天的上升速率分別為5.2℃/h、3.1℃/h和0.2℃/h；至20:00溫室內(nèi)氣溫開(kāi)始下降，其降溫速率分別為4.5℃/h、2.8℃/h和0.3℃/h，夜間溫度變化趨于平緩；溫室內(nèi)晴天平均氣溫比多云和陰(雨雪)天氣分別高1.7℃和4.6℃。

2.1.2 季節(jié)變化 隨著季節(jié)變化日光溫室內(nèi)的氣溫相應(yīng)產(chǎn)生不同的小氣候效應(yīng)，朝陽(yáng)地區(qū)日光溫室一般在9月扣膜和定植，10月進(jìn)入生產(chǎn)期，生產(chǎn)周期為10月至翌年4月，經(jīng)歷晚秋、冬季和春季3個(gè)季節(jié)。從圖2可知，整個(gè)作物生育周期溫室內(nèi)氣溫變化平穩(wěn)，呈二次曲線型，y=0.318 8x2-2.338 3x+22.495(R2=0.921)，1月出現(xiàn)最低氣溫，為17℃；10月至翌年1月氣溫降溫速率為1.5℃/月；之后隨著外界氣溫上升而逐漸升高，升溫速率為1.9℃/月。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，10月至翌年1月溫室外降溫速率是溫室內(nèi)的4.5倍，1-4月溫室外升溫速率是溫室內(nèi)的3.4倍，溫室內(nèi)氣溫變化速率小，符合日光溫室生產(chǎn)管理要求，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)有利。

2.2 日光溫室內(nèi)相對(duì)濕度的變化

2.2.1 日變化 從圖3可知，溫室內(nèi)相對(duì)濕度晴天和多云天氣時(shí)變化幅度較大，陰(雨雪)天時(shí)相對(duì)平穩(wěn)。晴天時(shí)，8:00-9:00掀簾后，溫室內(nèi)相對(duì)濕度的下降速率為8.9%/h；12:00最低；16:00-18:00蓋簾后，溫室內(nèi)相對(duì)濕度迅速上升，上升速率為18.9%/h，18:00達(dá)90%左右，夜間溫室內(nèi)一直處于平穩(wěn)高濕狀態(tài)，一般在90%以上。多云天氣時(shí)，溫室內(nèi)相對(duì)濕度的變化幅度與晴天相似，在早掀簾后溫室內(nèi)相對(duì)濕度亦呈明顯的下降趨勢(shì)，14:00降至最低，下降速率為4.0%/h；此后相對(duì)濕度迅速上升，上升速率為8.0%/h，18:00至次日掀簾時(shí)相對(duì)濕度穩(wěn)定在90%以上。陰(雨雪)天時(shí)，溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化幅度較為平穩(wěn)，白天相對(duì)濕度明顯高于晴天和多云天氣，較晴天時(shí)平均高7%左右。8:00-14:00呈小幅下降后逐步回升，夜間變化趨于平穩(wěn)。

2.2.2 季節(jié)變化 從圖4可見(jiàn)，溫室內(nèi)相對(duì)濕度在整個(gè)作物的生長(zhǎng)周期內(nèi)無(wú)劇烈變化，升、降幅度趨于平穩(wěn)。10-11月隨著作物的定植生長(zhǎng)以及外界溫度的逐漸下降，溫室內(nèi)調(diào)控放風(fēng)時(shí)間縮短，相對(duì)濕度逐漸升高。12月至翌年3月溫室內(nèi)相對(duì)濕度為整個(gè)作物生長(zhǎng)期的最高時(shí)段，平均達(dá)95%左右。而后，隨著外界氣溫的不斷升高，加上對(duì)溫室內(nèi)放風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng)，溫室內(nèi)的相對(duì)濕度呈逐漸下降趨勢(shì)。

2.3 日光溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的變化

2.3.1 日變化 溫室內(nèi)光照強(qiáng)度變化主要與外界天氣狀況、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及棚膜透光性有關(guān)。從圖5看出，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度日變化呈拋物線形，峰值出現(xiàn)在12:00左右，8:00-12:00光照強(qiáng)度隨外界光照強(qiáng)度的增加而升高，上升速率為10 050 lx/h；12:00-16:00光照強(qiáng)度隨外界光照強(qiáng)度的減少下降，下降速率為11 050 lx/h。溫室內(nèi)光照強(qiáng)度受溫室外天氣條件的影響較大，晴天溫室內(nèi)光照強(qiáng)度較多云天氣和陰(雨雪)天氣分別提高26.6%和53.6%，綜合天氣狀況溫室內(nèi)光照強(qiáng)度平均比溫室外低34.9%。

2.3.2 季節(jié)變化 從圖6可知，在溫室作物的整個(gè)生長(zhǎng)期(10月至翌年6月)內(nèi)，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的季節(jié)變化與溫室外光照強(qiáng)度的變化呈明顯的相關(guān)性，其變化曲線均為波浪形，且整體呈上升趨勢(shì)。10月，溫室采用新膜，透光性較好，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度隨著溫室外光照強(qiáng)度的升、降變化而發(fā)生相應(yīng)變化。3-6月，隨著季節(jié)變化，陰雨天氣逐漸增多，加上棚膜老化，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

2.4 日光溫室內(nèi)CO2濃度的變化

2.4.1 日變化 在溫室氣象因素中，從圖7看出，溫室內(nèi)CO2濃度變化受溫室內(nèi)光照強(qiáng)度影響較大，溫室內(nèi)CO2濃度20:00至次日20:00呈不規(guī)則的W形變化，7:00至次日7:00呈U形變化，與魏珉等[9-10]的研究結(jié)果相一致。多云和陰(雨雪)天氣下，溫室內(nèi)CO2濃度變化趨于一致，相對(duì)晴好天氣時(shí)日較差較大。溫室內(nèi)CO2濃度最大值出現(xiàn)在早掀簾前，上午受光照強(qiáng)度影響，植物消耗CO2的光合速率快，溫室內(nèi)CO2濃度呈逐步下降趨勢(shì)。中午由于溫室內(nèi)放風(fēng)除濕，其CO2濃度變化趨于平穩(wěn)。夜間溫室內(nèi)光照為0，對(duì)CO2消耗減少，同時(shí)受土壤及植物自身呼吸作用的影響，溫室內(nèi)CO2濃度逐漸升高。由于多云及陰(雨雪)天氣白天對(duì)溫室內(nèi)CO2的消耗較少，所以夜間CO2濃度高于晴天。

2.4.2 季節(jié)變化 溫室內(nèi)CO2濃度的季節(jié)變化受作物生長(zhǎng)的影響，各時(shí)段濃度變化存在差異。從圖8可見(jiàn)，11月至翌年4月為作物生長(zhǎng)發(fā)育期，溫室內(nèi)CO2濃度較高；5-6月為作物生育后期，植株枝葉茂密，呼吸旺盛，消耗CO2較多。加之5-6月溫室膜已漸老化，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度減弱，另外溫室外氣溫較高，夜不遮簾，通風(fēng)口晝夜開(kāi)放，使得溫室內(nèi)CO2濃度迅速下降。

3 結(jié)論與討論

受外界環(huán)境影響，不同的天氣條件下溫室內(nèi)的氣溫變化不同。晴天時(shí)，溫室內(nèi)氣溫日較差最大，多云天氣次之，陰(雨雪)天最小，研究結(jié)果具有普遍性[6-7]。朝陽(yáng)地區(qū)日光溫室3種天氣條件下，溫度變化速率及差值與其他地區(qū)有所不同[8,11-12]。溫室內(nèi)氣溫受外界氣象條件影響的變化較大，不同天氣下溫室內(nèi)晝夜溫差的變化幅度存在差異，氣溫變化速率晴天>多云天氣>陰(雨雪)天。氣溫從早掀簾起逐步上升，近12:00達(dá)最高，晴天、多云天氣和陰(雨雪)天的上升速率分別為5.2℃/h、3.1℃/h和0.2℃/h；至20:00溫室內(nèi)氣溫開(kāi)始下降，其降溫速率分別為4.5℃/h、2.8℃/h和0.3℃/h，夜間溫度變化趨于平緩；溫室內(nèi)晴天平均氣溫比多云和陰(雨雪)天氣分別高1.7℃和4.6℃。

溫室內(nèi)小氣候的日變化中，最低氣溫出現(xiàn)在8:00-9:00，最高氣溫出現(xiàn)在12:00左右，白天氣溫變化較大，夜間氣溫下降緩慢；相對(duì)濕度日變化，以8:00-16:00變化劇烈，最低相對(duì)濕度出現(xiàn)在13:00左右，16:00-8:00時(shí)保持在90%以上的較高水平，其變化規(guī)律與溫室內(nèi)白天放風(fēng)時(shí)間有直接關(guān)系；溫室內(nèi)光照強(qiáng)度在8:00-16:00呈拋物線型變化，12:00達(dá)最高；溫室內(nèi)CO2濃度變化與溫室內(nèi)光照強(qiáng)度、作物種植面積以及植物本身光合作用有關(guān)，其濃度日變化存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。早上掀簾前溫室內(nèi)CO2濃度達(dá)日最高水平，12:00-15:00最低。其下降速率最快的階段是早晨見(jiàn)光后的2～3 h。

日光溫室小氣候季節(jié)變化隨著外界環(huán)境的變化而變化。12月至翌年2月溫室內(nèi)外的氣溫均最低，當(dāng)外界氣溫升高時(shí)，溫室內(nèi)亦升高。12月至翌年1月溫室內(nèi)濕度最高，與放風(fēng)有直接關(guān)系，該時(shí)期日照時(shí)間短，光照強(qiáng)度較弱。溫室內(nèi)CO2濃度的季節(jié)變化與溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)發(fā)育密切有關(guān)，作物生育期內(nèi)(11月至翌年4月)，溫室內(nèi)CO2濃度與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，濃度較高；而生育后期(5-6月)，作物葉面積指數(shù)達(dá)最高，植株枝葉茂密，呼吸旺盛，CO2濃度變化與光照強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，其濃度較低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有調(diào)控設(shè)備影響下，溫室內(nèi)小氣候變化規(guī)律與溫室外天氣變化有直接關(guān)系，其變化規(guī)律與大多研究成果相吻合；受朝陽(yáng)地區(qū)區(qū)域氣候的影響，溫室內(nèi)各氣象要素變化速率、以及不同天氣條件下的差異與其他地區(qū)的研究結(jié)果不同，體現(xiàn)了朝陽(yáng)地區(qū)日光溫室的特性。根據(jù)共性和個(gè)性的變化規(guī)律，可建立日光溫室溫、濕等氣象條件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，為當(dāng)?shù)厝展鉁厥业慕?jīng)營(yíng)管理提供技術(shù)服務(wù)，給溫室放風(fēng)、排濕、降溫、保溫和施肥提供更精細(xì)化調(diào)控管理技術(shù)措施。