日光溫室小氣候適宜度定量評(píng)價(jià)模型改進(jìn)及應(yīng)用

李 楠，薛曉萍

(山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

引 言

設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候條件既與外界大氣候條件不同，又與其密切相關(guān)[1-3]。為清楚地了解設(shè)施內(nèi)小氣候變化規(guī)律，近幾年山東、天津、河北等氣象部門先后在具有當(dāng)?shù)卮硇缘娜展鉁厥覂?nèi)安裝了自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，其中，山東組建了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站網(wǎng)，為開展日光溫室氣象服務(wù)提供了觀測(cè)資料基礎(chǔ)保障。山東在設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候預(yù)報(bào)以及基于小氣候預(yù)報(bào)結(jié)果的低溫災(zāi)害影響預(yù)報(bào)方面已形成了較為成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)體系，但在小氣候監(jiān)測(cè)的定量評(píng)價(jià)方面還有所欠缺。如何定量評(píng)價(jià)日光溫室內(nèi)光、溫、濕等小氣候要素對(duì)作物生長(zhǎng)的適宜程度，提出更有針對(duì)性的管理措施，改善溫室小氣候環(huán)境，促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，是設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)關(guān)注的重要內(nèi)容之一[4-6]。

本文擬在三要素小氣候適宜度模型基礎(chǔ)上，增加作物根系活動(dòng)層且變化相對(duì)較明顯的10 cm地溫要素，構(gòu)建基于日光溫室內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射和10 cm地溫的四要素小氣候適宜度定量評(píng)價(jià)模型，豐富模型的物理意義，以期進(jìn)一步提高設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的技術(shù)水平以及為決策服務(wù)提供依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

所用資料為山東壽光、寒亭設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候自動(dòng)觀測(cè)站日光溫室內(nèi)小氣候要素的逐小時(shí)、逐日資料，觀測(cè)站安裝在當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中具有代表性的日光溫室內(nèi)，坐北朝南，東西長(zhǎng)80 m，南北寬12 m，脊高4.5 m，墻體為土墻，墻體厚1.5 m。種植作物為番茄，10月開始移栽，12月開始進(jìn)入采收期。

日光溫室內(nèi)小氣候自動(dòng)觀測(cè)站按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)規(guī)范 日光溫室和塑料大棚》(GB/T 38757—2020)[21]的要求安裝，山東地區(qū)日光溫室主要生產(chǎn)服務(wù)季是當(dāng)年11月至次年4月，因此日光溫室小氣候數(shù)據(jù)以生產(chǎn)服務(wù)季為周期。

在適宜度定量評(píng)價(jià)模型的檢驗(yàn)過程中所用的番茄生長(zhǎng)發(fā)育農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所提供；番茄生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量資料來自小氣候觀測(cè)站所在日光溫室內(nèi)的番茄實(shí)際觀測(cè)值。

1.2 方 法

1.2.1 溫室內(nèi)氣溫適宜度評(píng)價(jià)模型

日光溫室內(nèi)逐小時(shí)氣溫適宜度定量評(píng)價(jià)模型公式[2]如下：

(1)

式中：T(ti)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的氣溫適宜度；ti為設(shè)施內(nèi)第i時(shí)刻的氣溫；tl、th和to(℃)分別為作物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的最低氣溫、最高氣溫和最適宜氣溫；B=(th-to)/(to-tl)。

日光溫室逐日氣溫適宜度定量評(píng)價(jià)公式[2]如下：

(2)

式中：Td為日光溫室內(nèi)日氣溫的適宜度；T(ti)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的氣溫適宜度指數(shù)；n為一日內(nèi)日光溫室內(nèi)逐時(shí)氣溫有觀測(cè)記錄的次數(shù)。

1.2.2 溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度評(píng)價(jià)模型

日光溫室內(nèi)逐小時(shí)空氣相對(duì)濕度的適宜度定量評(píng)價(jià)模型公式[2]如下：

(3)

式中：U(ui)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的空氣相對(duì)濕度適宜度；ui為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的空氣相對(duì)濕度；ul、uh和uo(%)分別為作物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的最小、最大和最適宜空氣相對(duì)濕度；D=(uh-uo)/(uo-ul)。

日光溫室逐日空氣相對(duì)濕度適宜度定量評(píng)價(jià)公式[2]如下：

(4)

式中：Ud為逐日日光溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度適宜度指數(shù)；U(ui)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的空氣相對(duì)濕度適宜度指數(shù)；m為日光溫室內(nèi)08:00—20:00逐時(shí)空氣相對(duì)濕度有觀測(cè)記錄的次數(shù)。

1.2.3 溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射適宜度評(píng)價(jià)模型

因?yàn)槿展鉁厥覂?nèi)的最大太陽(yáng)輻射輻照度直接影響溫室內(nèi)的最低氣溫和最高氣溫，進(jìn)而影響日光溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)，因此，在日光溫室黃瓜適宜度評(píng)價(jià)模型研究成果[2]基礎(chǔ)上，將原有太陽(yáng)輻射適宜度評(píng)價(jià)模型的最適宜及最不適宜兩個(gè)等級(jí)細(xì)化，改寫模型公式如下：

(5)

式中：Q(qi)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的太陽(yáng)輻射適宜度；qi為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻的太陽(yáng)總輻射輻照度；ql、qh和qo(W·m-2)分別為可達(dá)到溫室作物所處發(fā)育階段生長(zhǎng)所需最低、最高和最適宜氣溫的日最大總輻射輻照度。

日光溫室逐日太陽(yáng)輻射適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)公式如下：

(6)

式中：Qd為逐日的日光溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射適宜度指數(shù)；Q(qj)為日光溫室內(nèi)揭簾至蓋簾時(shí)間內(nèi)第j時(shí)刻的太陽(yáng)輻射適宜度；p為日光溫室內(nèi)揭簾到蓋簾時(shí)間內(nèi)逐時(shí)太陽(yáng)輻射有觀測(cè)記錄次數(shù)。

1.2.4 溫室內(nèi)10 cm地溫適宜度評(píng)價(jià)模型

通過對(duì)2017年11月至2018年4月寒亭站和壽光站日光溫室內(nèi)逐日10 cm地溫與氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者顯著相關(guān)，擬合方程決定系數(shù)R2為0.82(圖1)。因此，與溫室內(nèi)氣溫適宜度評(píng)價(jià)模型相似，構(gòu)建日光溫室內(nèi)10 cm地溫適宜度評(píng)價(jià)模型如下：

(7)

式中：T(dti)為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻10 cm地溫適宜度；dti、dtl、dth和dto(℃)分別為日光溫室內(nèi)第i時(shí)刻10 cm地溫、作物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的最低10 cm地溫、最高10 cm地溫和最適宜10 cm地溫；P=(dth-dto)/(dto-dtl)。T(dti)是在0～1變化的拋物線函數(shù)(圖2)，反映10 cm地溫條件從不適宜到適宜再到不適宜的連續(xù)變化過程。逐日10 cm地溫適宜度定量評(píng)價(jià)公式如下：

(8)

式中：Dd為日光溫室內(nèi)10 cm地溫逐日適宜度指數(shù)；T(dti)為第i時(shí)刻的10 cm地溫適宜度；n為一日內(nèi)日光溫室內(nèi)逐時(shí)10 cm地溫有觀測(cè)記錄次數(shù)。

圖1 2017年11月至2018年4月寒亭和壽光站日光溫室內(nèi)10 cm地溫與氣溫散點(diǎn)圖Fig.1 The scatter plot between 10 cm ground temperature and air temperature in heliogreenhouses at Hanting and Shouguang station from November 2017 to April 2018

圖2 日光溫室番茄小氣候適宜度指數(shù)對(duì)10 cm地溫的反應(yīng)過程Fig.2 Reaction process of microclimate suitability of tomato in heliogreenhouse to 10 cm ground temperature

1.2.5 溫室內(nèi)綜合小氣候要素適宜度評(píng)價(jià)模型

將魏瑞江等[2]基于溫度、空氣相對(duì)濕度和輻射輻照度3個(gè)因子的等權(quán)重小氣候要素適宜度模型改進(jìn)為包含10 cm地溫在內(nèi)的4個(gè)因子的等權(quán)重小氣候要素適宜度模型，公式如下：

(9)

式中：Sd為日光溫室內(nèi)小氣候要素綜合日適宜度指數(shù)；Td、Ud、Dd和Qd分別為溫室內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度、10 cm地溫及太陽(yáng)輻射逐日適宜度指數(shù)。

1.2.6 最優(yōu)分割法

采用最優(yōu)分割法[22]劃分小氣候要素適宜度評(píng)價(jià)等級(jí)，最優(yōu)分割法是在對(duì)n個(gè)樣品分段并使組內(nèi)離差平方和最小的分割方法。

2 結(jié)果分析

利用2017年和2018年日光溫室生產(chǎn)服務(wù)季內(nèi)小氣候要素逐時(shí)觀測(cè)資料及番茄產(chǎn)量資料進(jìn)行分析檢驗(yàn)，兩年產(chǎn)量分別為135 686.6和149 253.7 kg·hm-2，在品種特性、肥水管理、土壤質(zhì)地和栽培管理水平一致條件下，產(chǎn)量取決于設(shè)施內(nèi)的小氣候條件。為了對(duì)比小氣候適宜度定量評(píng)價(jià)模型改進(jìn)前與改進(jìn)后的效果，應(yīng)用魏瑞江等[2]的三要素適宜度模型與本文提出的四要素適宜度模型分別計(jì)算適宜度指數(shù)。產(chǎn)量采用10 d平均值，綜合小氣候適宜度指數(shù)亦用與之對(duì)應(yīng)的10 d平均值。

圖3為2017、2018年日光溫室生產(chǎn)服務(wù)季每10 d平均番茄產(chǎn)量分別與三要素、四要素綜合小氣候適宜度指數(shù)的散點(diǎn)圖。可以看出，2017年和2018年每10 d番茄產(chǎn)量與三要素綜合小氣候適宜度指數(shù)的決定系數(shù)分別為0.59和0.69，均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)；每10 d番茄產(chǎn)量隨著四要素綜合小氣候適宜度指數(shù)的增加而增加，2017年和2018年兩者的決定系數(shù)R2分別為0.93和0.90，均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，且決定系數(shù)明顯優(yōu)于三要素綜合模型。

日光溫室內(nèi)綜合小氣候適宜度指數(shù)越高，溫室內(nèi)小氣候條件越適宜于番茄生長(zhǎng)發(fā)育，其產(chǎn)量越高。綜上所述，改進(jìn)后的四要素適宜度模型評(píng)價(jià)效果優(yōu)于三要素適宜度模型。

圖3 2017年(a、c)、2018年(b、d)日光溫室生產(chǎn)服務(wù)季每10 d平均番茄產(chǎn)量與三要素(a、b)及四要素(c、d)綜合小氣候適宜度指數(shù)散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter plots between average tomato yield and integrated microclimate suitability index of three (a, b) and four (c, d) elements for every 10 days in heliogreenhouses during production seasons in 2017 (a, c) and 2018 (b, d)

3 模型的應(yīng)用

3.1 適宜度評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)

通過計(jì)算2012—2017年生產(chǎn)服務(wù)季寒亭日光溫室內(nèi)番茄的氣溫、空氣相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、10 cm地溫及小氣候綜合適宜度指數(shù)，發(fā)現(xiàn)日光溫室內(nèi)逐日氣溫適宜度指數(shù)最小值為0.0，最大值為0.85；日空氣相對(duì)濕度適宜度指數(shù)最小值為0.0，最大值為0.80；日太陽(yáng)輻射適宜度指數(shù)最小值為0，最大值為1.0；日10 cm地溫適宜度指數(shù)最小值為0，最大值為1.0；日綜合適宜度指數(shù)最小值為0.0，最大值為0.78。利用最優(yōu)分割法，結(jié)合作物實(shí)際生長(zhǎng)狀況，將各要素適宜度劃分為3個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 適宜度評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)Tab.1 Grade indexes of suitability evaluation

3.2 小氣候適宜度評(píng)價(jià)

3.2.1 各要素適宜度

表2列出2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄小氣候要素不同等級(jí)適宜度各月出現(xiàn)日數(shù)占比。可以看出，氣溫適宜度為“適宜”等級(jí)的日數(shù)3月占比最高，為71%，11月、12月和1月占比最低；“不適宜”等級(jí)的日數(shù)1月占比最高，為55%，其他月份均在10%以下；生產(chǎn)服務(wù)季內(nèi)氣溫要素較適宜于番茄生長(zhǎng)。空氣相對(duì)濕度適宜度未出現(xiàn)“適宜”等級(jí)；“不適宜”等級(jí)的日數(shù)11月至次年1月占比最高，為80%以上，2月開始適宜度明顯提高，大部分日數(shù)處于“較適宜”等級(jí)。日光溫室太陽(yáng)輻射適宜度為“適宜”的等級(jí)4月和3月占比最高，分別為50%和35%；“不適宜”等級(jí)的日數(shù)1月占比最高為52%，其次11月為37%，可見各地日光溫室內(nèi)接受到的太陽(yáng)輻射對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的月份是4月，其次為3月，整個(gè)冬季光照條件均不適宜番茄生長(zhǎng)。10 cm地溫適宜度為“適宜”等級(jí)的日數(shù)3、4月占比最高，分別為97%和100%，表明進(jìn)入春季后地溫回升明顯，完全可以提供番茄生長(zhǎng)所需熱量，冬季的12月和1月10 cm地溫適宜度為“不適宜”等級(jí)的日數(shù)占比達(dá)100%，其次為11月；2月適宜度各等級(jí)日數(shù)占比差別不大，其中“適宜”等級(jí)占比為57%，“較適宜”占比為14%；整體看2月地溫條件適宜。

表2 2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄小氣候要素不同等級(jí)適宜度各月出現(xiàn)日數(shù)占比Tab.2 The percentages of appearing days of different elements micro-cliamte suitability of tomato with different grade in each month in Hanting heliogreenhouse from November 2018 to April 2019 單位：%

3.2.2 各要素適宜度變化趨勢(shì)

圖4為2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄小氣候要素旬平均適宜度指數(shù)變化?？梢钥闯?，日光溫室內(nèi)氣溫、10 cm地溫和太陽(yáng)輻射適宜度變化均呈不規(guī)則“V”字形，與魏瑞江等[2]分析結(jié)果相似。11月上旬至1月下旬呈下降趨勢(shì)，之后開始在波動(dòng)中上升，各要素適宜度指數(shù)的最低值均出現(xiàn)在1月下旬， 2019年1月下旬外界最低氣溫為-12.3 ℃，且出現(xiàn)3 d以上連續(xù)寡照天氣，日光溫室內(nèi)光照不足，導(dǎo)致溫室氣溫、地溫均降低，其中10 cm地溫降至10.8 ℃，接近番茄生長(zhǎng)的地溫下限指標(biāo)；空氣相對(duì)濕度前期變化趨于平穩(wěn)，適宜度指數(shù)穩(wěn)定在0.2左右，2月開始由于通風(fēng)時(shí)間延長(zhǎng)，空氣相對(duì)濕度下降，適宜度指數(shù)明顯升高，進(jìn)入3月大風(fēng)天氣增多，通風(fēng)時(shí)間間隔縮減，導(dǎo)致適宜度指數(shù)略有下降。

3.2.3 綜合適宜度

圖5為2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄不同等級(jí)綜合小氣候適宜度各月出現(xiàn)日數(shù)占比?？梢钥闯觯C合小氣候適宜度為“適宜”等級(jí)的3、4月占比最高，分別為87%和77%，其次為12月，占比為68%，1月最低，占比僅為19%；“不適宜”等級(jí)1月占比最高，為61%，4月最低，僅為10%，其次為3月的13%。綜上所述，寒亭日光溫室小氣候條件最適宜番茄生長(zhǎng)月份為3月，其次為4月和12月，1月最不適宜。

圖4 2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄小氣候要素旬平均適宜度指數(shù)變化Fig.4 The variation of ten-day average suitability index of different elements of tomato in heliogreenhouse in Hanting from November 2018 to April 2019

圖5 2018年11月至2019年4月寒亭日光溫室番茄不同等級(jí)綜合小氣候適宜度各月出現(xiàn)日數(shù)占比Fig.5 The percentages of appearing days of comprehensive micro-cliamte suitability of tomato with different grades in Hanting heliogreenhouse in each month from November 2018 to April 2019

4 結(jié)論與討論

(1)引入10 cm地溫，構(gòu)建了日光溫室內(nèi)10 cm地溫適宜度評(píng)價(jià)模型且改進(jìn)了太陽(yáng)輻射適宜度評(píng)價(jià)模型的適宜度等級(jí)指標(biāo)。利用等權(quán)重方法構(gòu)建了四要素綜合小氣候適宜度定量評(píng)價(jià)模型。寒亭日光溫室內(nèi)番茄實(shí)際產(chǎn)量與四要素綜合適宜度指數(shù)顯著相關(guān)，且相關(guān)性優(yōu)于三要素適宜度模型。

(2)在計(jì)算2012—2016年寒亭站日光溫室內(nèi)單要素及綜合小氣候適宜度指數(shù)的基礎(chǔ)上，利用最優(yōu)分割法，確定了單要素及綜合適宜度指數(shù)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)2018年11月至2019年4月寒亭站日光溫室各要素適宜度指數(shù)的最低值均出現(xiàn)在1月下旬，主要是受到災(zāi)害性天氣的影響；最高值出現(xiàn)在3月。

本研究尚未考慮其他小氣候要素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，這也是之后需要進(jìn)一步驗(yàn)證的內(nèi)容。不同作物、不同品種差異很大，在開展設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候監(jiān)測(cè)診斷業(yè)務(wù)工作中，對(duì)不同地區(qū)的適宜度評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)進(jìn)行本地化應(yīng)用過程中，可參照本文的指標(biāo)劃分方法。