基于人工氣候室的特色作物氣候因子敏感性試驗設計

夏權

摘要 從中藥材農業(yè)生產實際出發(fā)，緊扣甘肅省“牛羊菜果薯藥”六大特色農業(yè)產業(yè)和綠色十大生態(tài)產業(yè)中“循環(huán)農業(yè)”“中醫(yī)中藥”產業(yè)急需解決的關鍵科技問題，以甘肅省中藥材核心產區(qū)定西為例，選取該地區(qū)在國內外市場有明顯競爭優(yōu)勢的道地中藥材品種當歸、黨參、黃芪為研究對象，開展氣候生態(tài)因素對特色中藥材的生長發(fā)育、產量和品質的影響分析，提出氣候生態(tài)資源合理利用的對策措施，研究氣象災害對特色中藥材的致災機理，確定當歸、黨參、黃芪不同生育期氣象致災因子閾值，進而建立定西特色中藥材生態(tài)氣象服務指標體系。

關鍵詞 人工氣候室；馬鈴薯；中藥材；氣候因子；敏感性試驗

中圖分類號 S162? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）10-0174-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.039

Abstract Starting from the actual agricultural production of traditional Chinese medicine，we will closely focus on the key scientific and technological issues that urgently need to be solved in the "circular agriculture" and "traditional Chinese medicine" industries among the six characteristic agricultural industries of "cattle， sheep， vegetables， fruits potatoes and medicine" and the ten green ecological industries in Gansu Province，taking Dingxi， the core production area of traditional Chinese medicine in Gansu Province， as an example，genuine Chinese medicine varieties such as Angelica sinensis， Codonopsis pilosula and Astragalus membranaceus， which had obvious competitive advantages in domestic and international markets， were selected as the research objects to analyze the impact of climate and ecological factors on the growth， development， yield and quality of characteristic Chinese medicine， and countermeasures for the rational utilization of climate and ecological resources were proposed，the disaster mechanism of meteorological disasters on characteristic Chinese medicinal herbs were studied， the threshold of meteorological disaster factors for different growth stages of Angelica sinensis， Codonopsis pilosula and Astragalus membranaceus were determined， and an ecological meteorological service index system for characteristic Chinese medicinal herbs in Dingxi were established.

Key words Artificial climate chamber;Potato;Chinese medicinal herbs;Climate factors;Sensitivity test

人工氣候室是一種人為控制氣候環(huán)境因子，開展農業(yè)氣象等領域科學試驗的試驗設備。它能夠對各種氣候環(huán)境因子（如溫度、相對濕度、二氧化碳濃度、光照等）實現精準調控，人為營造出某種特定氣候環(huán)境條件，從而開展氣候環(huán)境因子對各類作物生長發(fā)育及生理生化過程的影響研究。人工氣候室的優(yōu)點在于它擺脫了自然氣候環(huán)境的制約，提高農業(yè)氣象試驗的效率，是現代農業(yè)智能化控制技術發(fā)展的先進試驗設備。多年來，大量專家就不同作物關于凍害方面的人工模擬試驗設計開展了研究［1-8］。

2020年，蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學氣象學院改造現有的農業(yè)氣象日光溫室，主體引進人工氣候室（主要包含微噴加濕系統(tǒng)、風能光能發(fā)電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、人工補光系統(tǒng)、二氧化碳補充系統(tǒng)、空氣循環(huán)流通系統(tǒng)、立體式栽培系統(tǒng)、物理殺菌系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動調控系統(tǒng)、計算機遠程控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控圖像傳送系統(tǒng)、廢物再循環(huán)利用系統(tǒng)等）、智能服務平臺和溫室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。人工氣候室的建成是應用氣象專業(yè)教學和科研條件的一次改善升級，特別是能夠助推農業(yè)生態(tài)氣象相關科學研究更上一個新臺階。

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學應用氣象技術專業(yè)是甘肅省應急管理學院的重點建設專業(yè)，也是“雙高”計劃應用氣象技術專業(yè)群的核心專業(yè)，2020年獲批省級教學團隊“應用氣象技術張民工作室”，農業(yè)生態(tài)氣象是團隊科研的主攻方向，為體現科研服務地方經濟社會發(fā)展，團隊結合甘肅省實際，針對甘肅特色經濟作物馬鈴薯、中藥材開展一系列農業(yè)生態(tài)氣象服務研究。筆者依托新建的人工氣候室，設計甘肅特色作物氣候因子敏感性試驗，為后期相關科學研究打下基礎，同時也為隴中地區(qū)特色經濟作物農業(yè)氣象服務以及脫貧增收提供科技支撐。

1 特色作物敏感性試驗設計思路

農業(yè)生態(tài)氣象敏感性試驗是在給定的氣候生態(tài)環(huán)境模式中，改變其中一個或幾個環(huán)境因子得到的試驗結果，它反映的是改變的氣候生態(tài)環(huán)境因子對作物的作用，進而能夠分析影響作物生長發(fā)育及生理生化過程的氣候生態(tài)因子及其反饋機制。不同作物氣候環(huán)境影響機制不同，氣象災害的種類、影響程度及其致災機理也各不相同，因此，對于特定作物要結合其生育期氣候生態(tài)條件、主要氣象災害的影響等農業(yè)生產實際來選擇研究內容，設計有針對性的氣候環(huán)境因子敏感性試驗。

1.1 特色作物的選取

定西地處黃土高原半干旱區(qū)，該地區(qū)溫差大、日照長、氣候干旱等特點是孕育品質較好的馬鈴薯和中藥材的獨特條件。2018年，全市馬鈴薯產業(yè)總產值達170億元，大宗中藥材道地品種當歸和黨參年產量分別占全國總產量的95%和60%。因此，定西素有“千年藥鄉(xiāng)”“中國薯都”的美譽。然而，該地區(qū)處副熱帶季風的邊緣地帶，氣候生態(tài)要素年際變化大，氣象災害頻發(fā)，馬鈴薯和中藥材生長期內災害性天氣活動頻繁，氣象災害造成的減產連年發(fā)生，農業(yè)氣象災害已成為影響該地區(qū)馬鈴薯質量品質以及中藥材產業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的主要影響因素，研究結果具有服務地方經濟社會發(fā)展的現實意義。為此，該研究選取隴中地區(qū)特色經濟作物馬鈴薯和中藥材（主要包括定西特色藥材當歸、黨參、黃芪）作為研究對象，開展特色作物氣候環(huán)境因子敏感性試驗。

1.2 試驗方案設計的背景及思路

馬鈴薯關鍵生育期內冷害是主要的氣象災害，也是造成其品質下降和減產的主要因素，但致災因子除了最低氣溫外，降溫幅度也能反映冷害的劇烈程度，而低溫持續(xù)時間可以有效反映低溫的累積作用。因此，選取最低氣溫、降溫幅度和低溫持續(xù)時間這3個要素作為敏感性試驗的氣候因子。另外，馬鈴薯在不同生長階段耐寒程度有所不同，還需要針對馬鈴薯的不同生育期開展耐寒程度及其生理特性試驗。

中藥材的產量和品質也受制于氣候生態(tài)條件，其不同生長發(fā)育期及其藥理成分的形成對氣候生態(tài)條件都有著特殊的要求。中藥材發(fā)育期日數、產量、特等或一等成品率等指標與海拔、平均氣溫、≥0 ℃積溫、降水量、日照時數、土壤墑情等氣候生態(tài)因子密切相關，霜凍、干旱、洪澇等氣象災害會對中藥材的生長發(fā)育產生不利影響，導致其產量和品質下降，藥品價值不高。需要從中藥材提質增效和防災增效兩方面考慮設計氣候因子敏感性試驗［9］，試驗方案既要考慮氣候生態(tài)因子與中藥材發(fā)育期、有效物質積累、產量、成品率的關系，也要考慮氣象災害對中藥材生長發(fā)育和生理生化過程的影響及致災機理。

2 馬鈴薯冷害因子及致災閾值試驗設計

以最低氣溫、降溫幅度和低溫持續(xù)時間作為馬鈴薯冷害敏感性氣候因子，將馬鈴薯供試樣品放入人工氣候室內，在其不同生育期（播種期、出苗期、分枝期、花序形成期、開花期、成熟期）降低環(huán)境溫度，設置不同范圍的降溫幅度及其持續(xù)時間，開展生育期低溫因子敏感性觀測試驗。主要觀測內容包括：①馬鈴薯各生育期低溫環(huán)境下的受凍癥狀、耐寒程度和低溫致災的臨界閾值；②低溫環(huán)境下馬鈴薯各生育期開始和結束日期及生育期天數；③估算低溫影響后的株薯塊重、結薯率、鮮蔓重、薯與蔓比、實際產量等指標［10］。

在人工氣候室外的農業(yè)試驗大棚中隨機尋找若干株馬鈴薯開展同期自然條件下相關指標觀測，觀測內容與人工氣候室敏感性試驗觀測項目一致，將自然狀態(tài)下生長觀測結果與人工模擬低溫條件下的試驗結果進行對比分析，就能得到低溫因子對馬鈴薯各生育期以及產量、品質等指標的影響。敏感性試驗設計框架見圖1。

3 中藥材氣候因子影響的敏感性試驗設計

以當歸、黨參、黃芪3種甘肅優(yōu)勢中藥材為試驗對象，通過智慧溫室大棚藥材種植進行人工模擬氣候因子對中藥材不同生育期生理指標的影響試驗，各品種選取若干株放入人工氣候室內，用人工模擬方式改變氣溫、≥0 ℃積溫、降水量、日照時數等氣候因子，試驗過程中設置較寬的氣候因子閾值范圍，主要開展兩方面的試驗研究：一是開展中藥材生長發(fā)育、有效成分積累、產量和質量的主要影響氣候生態(tài)因子及其生長適宜氣候生態(tài)環(huán)境試驗；二是開展辨識不同藥材農業(yè)氣象災害的主要致災因子和臨界閾值試驗。

試驗過程中，針對當歸（移栽返青期、葉生長期、根增長期、采挖期）、黃芪（移栽返青期、現蕾期、開花期、結果期、采挖期）、黨參（移栽期、返青期、展葉期、開花期、根生長期、枯萎期）不同生育期氣候環(huán)境適宜性差異和致災因子耐受程度差異的特點，以生育期劃分藥材品種的研究時段，進行不同氣候環(huán)境因子敏感性試驗，最終得出中藥材各生育階段最適宜氣候環(huán)境指標和致災氣象因子及其臨界閾值。敏感性試驗設計框架見圖2。

4 試驗預期效果

通過開展隴中地區(qū)特色經濟作物人工氣候室氣候環(huán)境因子模擬試驗研究，確定馬鈴薯不同生育期氣象致災因子指標，劃分災害等級，確立致災因子臨界閾值，進而開展關鍵生育期致災生理機制的研究。確定影響中藥材生長發(fā)育、有效成分積累、產量和質量的主要氣候生態(tài)因子，氣候生態(tài)因子影響中藥材的關鍵生育階段，中藥材關鍵指標與主要氣候生態(tài)影響因子的量化關系，不同藥材氣候生態(tài)適宜性的量化指標；同時，通過人工模擬試驗確定不同中藥材的農業(yè)氣象災害臨界閾值，在試驗結果分析的基礎上，研究氣候環(huán)境因子對馬鈴薯和中藥材生長發(fā)育、產量品質指標的影響機制及過程特征，進而提出隴中地區(qū)特色經濟作物氣候生態(tài)資源合理利用的提質增效措施和農業(yè)氣象災害防御的減災增效對策措施。

5 結論與討論

（1）農業(yè)生產受氣象環(huán)境因子的影響和制約，其中以光、熱、水、氣等氣象要素為代表因子，要實現農業(yè)生產高產、穩(wěn)產，需要借助新型技術改善環(huán)境因子。置于人工氣候室內的作物栽培和種植將不再接觸自然環(huán)境，并且通過調節(jié)能夠達到種植作物所需的最佳環(huán)境，提高產量、品質及經濟效益。

（2）關于中藥材的研究，目前國內外主要關注的是藥物藥理、藥物成分、植物學以及中藥材的栽培和管理技術，而氣候生態(tài)對中藥材影響的研究偏少。關于中藥材氣候適應性的定性分析已經不能滿足其生產實踐需求，而氣候生態(tài)因子對中藥材生長發(fā)育、產量和品質的定量描述的研究很少涉及。

（3）通過人工氣候室和智慧溫室大棚栽培試驗，能夠獲得馬鈴薯和中藥材生長期關鍵指標資料以及有效成分積累、物候期觀測等試驗資料，為下一步開展相關研究積累數據。

（4）利用人工氣候室設計作物氣象環(huán)境因子敏感性試驗時，應著重考慮如何有效利用氣候生態(tài)資源促進作物提質增效，如開展馬鈴薯和特色中藥材生長發(fā)育期、有效成分積累、產量、特等或一等成品率等關鍵指標對氣候生態(tài)因子的敏感性試驗，提出氣候生態(tài)資源適宜性的對策建議。

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