黑龍江省典型日光溫室氣候生產(chǎn)潛力估算及分析

王 萍，朱海霞，王晾晾，王曉明，姜藍(lán)齊，李秀芬，姜麗霞，閆 平

（1黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱150030；2中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150030；3黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱150030）

0 引言

黑龍江省地處中國(guó)最北部，氣候資源尤其是溫光資源有限[1-2]，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候條件的制約，氣候資源未得以充分有效利用[3-4]，因此在合理發(fā)展黑龍江省設(shè)施農(nóng)業(yè)的同時(shí)，準(zhǔn)確預(yù)估溫室大棚氣候生產(chǎn)潛力，從而使其有限的氣候資源得到充分高效的利用，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

對(duì)于溫室大棚內(nèi)小氣候方面研究很多，多集中于設(shè)施農(nóng)業(yè)溫光資料源分析[5-7]、溫度預(yù)報(bào)模型研究[8-9]、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[10-13]、適宜性區(qū)劃[14-17]等，而生產(chǎn)潛力的估算主要為在黃秉維等[18]學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，對(duì)溫度、水分等進(jìn)行訂正[19-21]，對(duì)自然狀態(tài)下的玉米、大豆等大田作物生產(chǎn)潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力方面的研究相對(duì)較少，康西言等[22]以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹鸺?jí)訂正模型為依據(jù)，日光溫室內(nèi)的小氣候觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)高邑黃瓜光合、光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行了估算，得出生產(chǎn)季光合生產(chǎn)潛力；許彥平等[23]通過(guò)對(duì)植物光溫生產(chǎn)潛力氣候估算模型的修訂，建立了天水節(jié)能日光溫室光溫生產(chǎn)潛力估算模型，估算并系統(tǒng)分析了天水不同生產(chǎn)區(qū)節(jié)能日光溫室光溫生產(chǎn)潛力及其地域分布特征；褚金翔等[24]利用利用TOMSIM模型對(duì)溫室番茄光合生產(chǎn)潛力的模擬計(jì)算；姚益平等[25]系統(tǒng)分析中國(guó)主要溫室作物不同能耗期的持續(xù)天數(shù)及相應(yīng)的光熱資源分布情況，研究基于能耗與作物潛在產(chǎn)量的溫室氣候區(qū)劃方法。以上研究多為近年的日光溫室氣候生產(chǎn)潛力估算，對(duì)于多年的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行研究的報(bào)道較少。本文以黃秉維光合生產(chǎn)潛力估算模型為依據(jù)，以日光溫室內(nèi)的小氣候觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建黑龍江省典型日光溫室溫度預(yù)測(cè)模型，模擬1961—2020年溫室內(nèi)溫度，對(duì)1961—2020年的不同地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算，并分析其分布規(guī)律，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

黑龍江省73個(gè)氣象觀測(cè)站1961—2020年的逐日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心。研究區(qū)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)站點(diǎn)分布示意圖

日光溫室觀測(cè)數(shù)據(jù)選擇同為果蔬溫室的林甸和友誼鎮(zhèn)蔬菜基地農(nóng)業(yè)小氣候站觀測(cè)的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，林甸蔬菜基地農(nóng)業(yè)小氣候站位于124.74°E、47.3°N，海拔高度160 m，資料時(shí)間為2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月；友誼蔬菜基地農(nóng)業(yè)小氣候站位于131.82°E、46.78°N，海拔高度70 m，2019年1月—2020年8月。

1.2 研究方法

1.2.1 天氣類(lèi)型劃分方法 根據(jù)林甸和友誼鎮(zhèn)蔬菜基地農(nóng)業(yè)小氣候站附近林甸和友誼氣象站觀測(cè)的逐日日照時(shí)數(shù)確定天氣類(lèi)型。劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 天氣類(lèi)型劃分方法

1.2.2 光合生產(chǎn)潛力計(jì)算方法 黃秉維光合生產(chǎn)潛力的估算簡(jiǎn)式如式(1)所示[18,26]。

其中，B(R)為光合潛力(kg/hm2)，Q為年太陽(yáng)總輻量(W/m2)。

因?yàn)楣饽苤挥型高^(guò)塑料薄膜的那部分能為溫室內(nèi)作物利用進(jìn)行光合作用，因此加入塑料薄膜太陽(yáng)輻射透射率，本研究取0.6[26]，對(duì)式(1)進(jìn)行修訂如式(2)。

其中，B(Ri)為日光溫室光合生產(chǎn)潛力估算值(kg/hm2)，Qi為溫室生產(chǎn)季（4—10月）各月太陽(yáng)總輻量(W/m2)。

1.2.3 光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算方法 作物產(chǎn)量形成要受光溫條件的共同影響，光溫生產(chǎn)潛力的估算在光合生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上，考慮溫度訂正，因此采用康西言等使用的溫度訂正系數(shù)[22]如式(3)。

其中a為常數(shù)，當(dāng)日平均氣溫T≤20℃時(shí)a=-1，當(dāng)日平均氣溫T＞20℃時(shí)a=-2。

光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算如式(4)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)外溫度關(guān)系模型

2.1.1 天氣類(lèi)型 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月、友誼2019年1月—2020年8月的各種天氣型的天數(shù)如表2～3。從表中可以看出，晴天、陰天、多云天氣在各月的分布規(guī)律友誼與林甸相似：每月晴天居多，其次為陰天、多云天氣相對(duì)較少；每月晴天天數(shù)多在14～28天，陰天天數(shù)在0～13天，多云天數(shù)多在0～9天；在夏秋季，陰天天數(shù)基本多于多云天數(shù)，而在冬春季節(jié)，陰天天數(shù)和多云天數(shù)沒(méi)有明顯的規(guī)律。

表2 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月晴、陰、多云的天數(shù) d

表3 友誼2019年1月—2020年8月晴、陰、多云的天數(shù) d

2.1.2 溫室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)模型建立 將林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友誼2019年1月—2020年8月的溫室內(nèi)平均溫度及溫室外（以林甸和友誼的氣象觀測(cè)站觀測(cè)資料代替）的平均溫度按照已經(jīng)劃分好天氣型（晴、多云、陰）的日期進(jìn)行劃分，并且剔除缺測(cè)及影響反映實(shí)際情況的資料，分別按照不同的天氣類(lèi)型，以棚外溫度為自變量，以棚內(nèi)溫度為因變量，建立相關(guān)模型（表4）。

表4 林甸、友誼日光溫室平均氣溫預(yù)測(cè)模型

模型檢驗(yàn)：由于資料序列較短，因此進(jìn)行回代檢驗(yàn)。將林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友誼2019年1月—2020年8月的溫室外平均溫度代入上述預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)室內(nèi)溫度，并計(jì)算其誤差。4個(gè)季節(jié)不同天氣型的平均氣溫預(yù)報(bào)值平均絕對(duì)誤差大部時(shí)段在0.1～4.8℃之間，林甸誤差小于友誼，晴天小于陰天和多云天氣。絕對(duì)誤差≤1℃準(zhǔn)確率各季節(jié)不同天氣類(lèi)型差距較大，總體來(lái)說(shuō)林甸大于友誼，晴天高于陰天和多云天氣。

2.2 生產(chǎn)潛力估算及其分布規(guī)律

2.2.1 溫度訂正系數(shù) 根據(jù)黑龍江省溫室大棚生產(chǎn)的實(shí)際情況，溫室一般當(dāng)年10月—次年5月進(jìn)行生產(chǎn)，因此利用上述林甸和友誼的平均氣溫預(yù)測(cè)模型對(duì)1961—2020年各縣的溫室內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中西部采用林甸的預(yù)測(cè)模型，東部采用友誼的預(yù)測(cè)模型，得到每日平均氣溫，進(jìn)而計(jì)算各月平均氣溫，代入溫度訂正系數(shù)公式，得到1961—2020年及2021—2060年溫度訂正系數(shù)如表5。

表5 溫度訂正系數(shù)

2.2.2 光合生產(chǎn)潛力估算及其分布 將研究區(qū)73個(gè)站各月溫室生產(chǎn)季逐月太陽(yáng)總輻射代入光合生產(chǎn)潛力公式，得到各地溫室光合生產(chǎn)潛力估算值，利用ArcGIS進(jìn)行插值，得到黑龍江省1961—2020年光合生產(chǎn)潛力空間分布狀況。

從空間分布來(lái)看（圖2），黑龍江省日光溫室大棚1961—2020年溫室生產(chǎn)季節(jié)光合生產(chǎn)潛力由東北向西南逐漸增大，在54301～66323 kg/hm2之間變化，撫遠(yuǎn)最小，為 54301 kg/hm2，肇州最大，為 66323 kg/hm2，黑河?xùn)|北部、伊春北部、三江平原東北部在58000 kg/hm2以下，西南部及東南部半山區(qū)大部地區(qū)在62000 kg/hm2以上，其他大部地區(qū)在58000～62000 kg/hm2之間。

圖2 黑龍江省溫室大棚光合生產(chǎn)潛力分布示意圖(kg/hm2)

從時(shí)間分布來(lái)看，1961—2020年各地溫室生產(chǎn)季節(jié)光合生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)（圖3），年平均為60184 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在2015年，為56455 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2020年，為65707 kg/hm2。從各年代際來(lái)看，生長(zhǎng)季光合生產(chǎn)潛力1961—1970年最大，為61487kg/hm2，其次為1981—1990年代，為60585kg/hm2，再次依次為1971—1980、1991—2000、2011—2020年，分別為 60566、59747、59555 kg/hm2，最小為 2001—2010年，為59165 kg/hm2。從各月份來(lái)看，1961—2020年生長(zhǎng)季光合生產(chǎn)潛力5月最高，為13725 kg/hm2，12月最低，為3496 kg/hm2，各年代季的月光合生產(chǎn)潛力分布規(guī)律與1961—2020年月平均光合生產(chǎn)潛力基本一致。

圖3 黑龍江省溫室大棚光合生產(chǎn)潛力逐年分布示意圖

2.2.3 光溫生產(chǎn)潛力估算及其分布 利用溫度訂正函數(shù)對(duì)光合生產(chǎn)潛力進(jìn)行訂正，得到光溫生產(chǎn)潛力估算值，利用ArcGIS進(jìn)行插值，得到黑龍江省1961—2020年光溫生產(chǎn)潛力空間分布狀況。

從空間分布來(lái)看（圖4），黑龍江省日光溫室大棚1961—2020年生長(zhǎng)季光溫生產(chǎn)潛力分布規(guī)律與光合生產(chǎn)潛力一致，由東北向西南逐漸增大，在31947～38979 kg/hm2之間變化，撫遠(yuǎn)最小，為31947 kg/hm2，肇州最大，為38979 kg/hm2，黑河?xùn)|北部、伊春北部、三江平原東北部在34000 kg/hm2以下，西南部及東南部半山區(qū)大部地區(qū)在36000 kg/hm2以上，其他大部地區(qū)在34000～36000 kg/hm2之間。

圖4 黑龍江省溫室大棚光溫生產(chǎn)潛力分布示意圖(kg/hm2)

從時(shí)間分布來(lái)看，1961—2020年各地溫室生長(zhǎng)季光溫生產(chǎn)潛力與光合生產(chǎn)潛力分布規(guī)律一致，呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)（圖5），年平均為35458 kg/hm2，最小值出現(xiàn)在1995年，為32043 kg/hm2，最大值出現(xiàn)在2020年，為38838 kg/hm2。從各年代際來(lái)看，生長(zhǎng)季光溫生產(chǎn)潛力1961—1970年最大，為36236 kg/hm2，其次為 1981—1990年 ，為 35746 kg/hm2，再 次 依 次 為1971—1980、1991—2000、2011—2020 年 ，分 別 為35626、35206、35026 kg/hm2，最小為2001—2020年，為34906 kg/hm2。從各月份來(lái)看，1961—2020年生長(zhǎng)季光溫生產(chǎn)潛力5月最高，為10047 kg/hm2，12月最低，為1685 kg/hm2，各年代季的月光溫生產(chǎn)潛力分布規(guī)律與1961—2020年月平均光溫生產(chǎn)潛力基本一致。

圖5 黑龍江省溫室大棚光溫生產(chǎn)潛力逐年分布示意圖

3 結(jié)論

（1）2017—2020年研究時(shí)段內(nèi)西部的林甸和東部的友誼各種天氣類(lèi)型的分布規(guī)律友誼與林甸相似，每月晴天居多，其次為陰天、多云天氣相對(duì)較少，大部月份兩地的晴天天氣均在20天以上，說(shuō)明兩地光照資源對(duì)于日光溫室內(nèi)作物來(lái)說(shuō)是有利的，能夠滿足溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

（2）建立的林甸和友誼典型日光溫室平均氣溫預(yù)測(cè)模型，均通過(guò)信度檢驗(yàn)(P≤0.05)，回代檢驗(yàn)中不同季節(jié)不同天氣型的平均氣溫預(yù)報(bào)值平均絕對(duì)誤差大部時(shí)段在0.1～4.8℃之間，且林甸誤差小于友誼，晴天小于陰天和多云天氣。

（3）黑龍江省日光溫室1961—2020年溫室生產(chǎn)季節(jié)光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力時(shí)空分布規(guī)律基本一致，均是由東北向西南逐漸增大，且逐年減小，5月最高，12月最低。光合生產(chǎn)潛力在54301～66323 kg/hm2之間變化，最小值出現(xiàn)在2015年，最大值出現(xiàn)在2020年；光溫生產(chǎn)潛力在31947～38979 kg/hm2之間變化，最小值出現(xiàn)在1995年，最大值出現(xiàn)在2020年。

（4）從光合生產(chǎn)潛力與光溫生產(chǎn)潛力的分布來(lái)看，西南部與東南部最高，適宜發(fā)展日光溫室生產(chǎn)，北部及東部較低，日光溫室生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)大；但從各月的光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力來(lái)看，冬季尤其是12月和1月生產(chǎn)潛力較低，這是由于黑龍江省位于中國(guó)最北部，冬季寒冷漫長(zhǎng)，光溫條件對(duì)溫室大棚生產(chǎn)不利，尤其是溫度條件不充足，為了保證日光溫室內(nèi)作物正常生長(zhǎng)，采取適當(dāng)?shù)谋Ｅ胧┦直匾虼巳展鉁厥疑a(chǎn)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

（5）筆者借鑒了大田作物生產(chǎn)潛力的計(jì)算方法，即黃秉維光合生產(chǎn)潛力估算方法，對(duì)黑龍江省的不同地區(qū)的光合生產(chǎn)潛力及光溫生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算，研究結(jié)果對(duì)黑龍江省日光溫室生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。日光溫室內(nèi)的小氣候條件除了受外界天氣的影響制約外，還與溫室所用材料、大小、結(jié)構(gòu)、作物品種、農(nóng)事活動(dòng)、保暖方式等因素有關(guān)，因此不同地區(qū)、不同類(lèi)型的溫室光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力不同，本研究選擇了位于黑龍江省西部的林甸和東部的友誼，時(shí)間段選擇了主要溫室生產(chǎn)季節(jié)10月—次年5月，研究成果有一定代表性，可以為黑龍江省日光溫室生產(chǎn)布局提供科學(xué)依據(jù)。