鳳陽(yáng)藍(lán)莓霜凍關(guān)鍵期小氣候特征及地溫預(yù)測(cè)

袁學(xué)所 王剛 武金祥 郭陽(yáng)

摘要 以安徽鳳陽(yáng)健民藍(lán)莓園為例，分析了藍(lán)莓園霜凍關(guān)鍵期小氣候特征，并建立了地溫預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，藍(lán)莓園自然植被對(duì)氣溫有一定的調(diào)節(jié)作用，可增加空氣濕度，對(duì)地溫升高有延緩效應(yīng)；藍(lán)莓園CO2濃度日變化幅度總體不大，風(fēng)速較小時(shí)濃度較高，風(fēng)速較大時(shí)更接近自由大氣；藍(lán)莓園晴天光照強(qiáng)度的最大值是陰天最大值的2～3倍，晴天總輻射的最大值是陰天總輻射最大值的3～4倍，晴天光合有效輻射單峰型特征明顯。3、4月逐步回歸地溫預(yù)測(cè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.991，其標(biāo)準(zhǔn)估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過(guò)信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)。其中，3、4月地溫預(yù)測(cè)模型的模擬誤差絕對(duì)值≤0.2 ℃的樣本占比分別為13/27和10/11。

關(guān)鍵詞 藍(lán)莓；霜凍；農(nóng)田小氣候；地溫預(yù)測(cè)；逐步回歸

中圖分類號(hào) S425； S663.9 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）11-0127-05

為做好“一縣一品”特色農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，鳳陽(yáng)縣氣象局開展了藍(lán)莓生產(chǎn)氣象因子分析。根據(jù)鳳陽(yáng)藍(lán)莓氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，花期霜凍（倒春寒）災(zāi)害指數(shù)最高，屬重度風(fēng)險(xiǎn)[1]。春季3—4月是藍(lán)莓發(fā)生霜凍的關(guān)鍵時(shí)期，霜凍的發(fā)生既有冷空氣影響的天氣背景，也受農(nóng)田小氣候的直接影響。關(guān)于農(nóng)田小氣候分析與預(yù)測(cè)的研究，多集中于設(shè)施農(nóng)業(yè)[2-7]和水產(chǎn)氣象[8-12]方面，如方莎莎等[2]研究了陽(yáng)光玫瑰葡萄設(shè)施促早栽培小氣候特征及預(yù)報(bào)模型，葛黎黎等[3]研究了葡萄大棚小氣候預(yù)測(cè)模型，袁靜等[4-5]開展了大櫻桃大棚小氣候特征分析及預(yù)報(bào)及山東壽光冬季日光溫室內(nèi)溫度變化特征及低溫預(yù)報(bào)，李倩等[6]開展了南方塑料大棚冬春季溫濕度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，楊青青等[8]研究了稻蝦共作模式蝦溝水溫預(yù)報(bào)模型，張?jiān)孪嫉萚9]研究了撫仙湖表層水溫與氣溫關(guān)系等。目前，針對(duì)藍(lán)莓園自然植被下的農(nóng)田小氣候的分析研究尚少。為此，本文基于安徽省滁州市鳳陽(yáng)縣藍(lán)莓園小氣候觀測(cè)資料和同期鳳陽(yáng)國(guó)家基本氣象站常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)鳳陽(yáng)藍(lán)莓霜凍關(guān)鍵期農(nóng)田小氣候特征做取樣分析，并運(yùn)用逐步回歸方法建立了3、4月地溫預(yù)測(cè)模型，為做好藍(lán)莓霜凍針對(duì)性氣象服務(wù)、評(píng)估藍(lán)莓園春季土壤回暖狀況提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

農(nóng)田小氣候資料取自安徽鳳陽(yáng)健民藍(lán)莓園物聯(lián)網(wǎng)氣象站，常規(guī)氣象資料取自鳳陽(yáng)國(guó)家基本氣象站（以下簡(jiǎn)稱“鳳陽(yáng)站”），兩者相距20 km。被分析的氣象要素包括藍(lán)莓園氣溫T（℃）、相對(duì)濕度U（%）、地溫ST（℃）、二氧化碳濃度C（mg/m3）、光照強(qiáng)度L（lux）、總輻射TR（W/m2）、光合有效輻射PAR（W/m2），其中ST為藍(lán)莓園30 cm深度地溫，鳳陽(yáng)站無(wú)30 cm地溫資料，用20、40 cm地溫的平均值代替。藍(lán)莓園用于輔助分析的氣象要素為風(fēng)速V（m/s）。鳳陽(yáng)站資料用于T、U、ST的對(duì)比分析。氣象觀測(cè)以北京時(shí)間20時(shí)為日界，選取2022年4月3日（4月2日21時(shí)至4月3日20時(shí)）作為晴天樣本，2022年4月13日（4月12日21時(shí)至4月13日20時(shí)）作為陰天樣本，分析氣象要素的日變化特征。

選取2022年3—4月藍(lán)莓園實(shí)際觀測(cè)到經(jīng)質(zhì)控有效的地溫資料及相關(guān)氣溫資料，通過(guò)逐步回歸方法分別建立藍(lán)莓園3、4月14時(shí)地溫（ST14）預(yù)測(cè)模型。其中3月份樣本容量27個(gè)、4月份樣本容量11個(gè)。參考楊青青等[8]的近似研究，備選因子選擇藍(lán)莓園前一日14時(shí)地溫（ST14-1）、前一日8時(shí)氣溫（T8-1）、前一日14時(shí)氣溫（T14-1）、前一日20時(shí)氣溫（T20-1）。

2 小氣候特征

2.1 氣溫

藍(lán)莓園與鳳陽(yáng)站的氣溫日變化見(jiàn)表1，其變化趨勢(shì)如圖1所示。結(jié)果表明，藍(lán)莓園晴天氣溫日變幅較大，陰天氣溫日變幅較??；藍(lán)莓園晴天最低氣溫出現(xiàn)在日出前，陰天最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間稍推遲；藍(lán)莓園晴天、陰天最高氣溫均出現(xiàn)在午后，陰天氣溫變化較平緩。與鳳陽(yáng)站對(duì)比，氣溫日變化走勢(shì)兩者總體一致。晴天白天時(shí)段藍(lán)莓園氣溫稍高，夜間部分時(shí)段藍(lán)莓園氣溫稍低。陰天情況相反，但二者的差異均較小。這說(shuō)明藍(lán)莓園植被對(duì)氣溫有一定的調(diào)節(jié)作用，但氣溫同時(shí)與觀測(cè)點(diǎn)地理位置、溫度傳感器所在高度、下墊面狀況等有關(guān)。如藍(lán)莓園內(nèi)空氣流動(dòng)更為復(fù)雜，藍(lán)莓植株的摩擦作用可使近地面風(fēng)力減弱，風(fēng)力的改變影響下墊面與空氣的熱量交換。藍(lán)莓園晴天24 h平均風(fēng)速1.1 m/s，陰天24 h平均風(fēng)速3.2 m/s；同期鳳陽(yáng)站平均風(fēng)速分別為1.9、4.5 m/s。

2.2 相對(duì)濕度

藍(lán)莓園與鳳陽(yáng)站的相對(duì)濕度日變化及趨勢(shì)如圖2、表2所示。結(jié)果表明，藍(lán)莓園晴天相對(duì)濕度日變幅較大，陰天相對(duì)濕度日變幅較??；晴天最高相對(duì)濕度出現(xiàn)在日出前，陰天最高相對(duì)濕度出現(xiàn)時(shí)間稍推遲；晴天、陰天最低相對(duì)濕度均出現(xiàn)在下午，陰天相對(duì)濕度變化較平緩，最低值出現(xiàn)時(shí)間趨向傍晚。與鳳陽(yáng)站對(duì)比，相對(duì)濕度日變化走勢(shì)兩者總體一致。無(wú)論晴天、陰天，藍(lán)莓園相對(duì)濕度大部分高于鳳陽(yáng)站，說(shuō)明農(nóng)田蒸散可增加空氣濕度。

2.3 地溫

藍(lán)莓園與鳳陽(yáng)站的地溫日變化趨勢(shì)如圖3所示。結(jié)果表明，無(wú)論是晴天還是陰天，地溫的日變化均不明顯。地溫的高低與所在季節(jié)和日期有關(guān)，是過(guò)去一段時(shí)間熱量累積的結(jié)果。春季隨著氣溫回升，地溫緩慢回升。與鳳陽(yáng)站對(duì)比，藍(lán)莓園的地溫大部分時(shí)次比無(wú)遮蔽環(huán)境下的裸地地溫低，且隨著時(shí)間推移表現(xiàn)更加明顯。其原因主要有以下2點(diǎn)：一是藍(lán)莓園植被影響土壤表面接收太陽(yáng)輻射；二是隨著時(shí)間的延后，植被遮擋太陽(yáng)輻射的累積效應(yīng)更為明顯，減緩了地溫的上升。

2.4 CO2濃度

藍(lán)莓園CO2濃度及同期風(fēng)速日變化如圖4所示。總體上看，藍(lán)莓園CO2濃度的日變幅不是太大。在風(fēng)力較小的晴天，CO2濃度整體高于風(fēng)力較大的陰天。晴天風(fēng)力較小時(shí)，藍(lán)莓園CO2濃度受農(nóng)田植被影響較大，在整體偏高的情況下偶有較大波動(dòng)。風(fēng)力較大的陰天，藍(lán)莓園CO2濃度受農(nóng)田植被影響減小，波動(dòng)也減弱，更接近于自由大氣。

2.5 光照強(qiáng)度

藍(lán)莓園光照強(qiáng)度日變化趨勢(shì)如圖5所示。光照強(qiáng)度與云量、云層厚度、云底高度、大氣透明度有密切關(guān)系。從圖5可以看出，晴天、陰天光照強(qiáng)度曲線基本都是單峰型，與太陽(yáng)高度呈正相關(guān)，波動(dòng)主要由云況不同所致。晴天光照強(qiáng)度的最大值是陰天最大值的2～3倍。

2.6 總輻射與光合有效輻射

藍(lán)莓園總輻射與光合有效輻射日變化如圖6所示?？傒椛涞淖兓厔?shì)與光照強(qiáng)度類似。晴天總輻射的最大值是陰天總輻射最大值的3～4倍。光合有效輻射是總輻射的一部分，晴天單峰型特征較明顯，陰天光照較弱，易受其他因素干擾造成數(shù)據(jù)波動(dòng)。

3 地溫預(yù)測(cè)

經(jīng)逐步回歸分析，分別建立了藍(lán)莓園3、4月地溫預(yù)測(cè)模型，如式（1）和式（2）：

PST14=0.912+0.793ST14-1+0.143T20-1 （1）

PST14=1.189+0.802ST14-1+0.085T14-1 （2）

式中各符號(hào)的含義如前所述，其中PST14為ST14的預(yù)測(cè)值。式（1）、式（2）的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.991，其標(biāo)準(zhǔn)估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過(guò)信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)。

式（1）表明，3月藍(lán)莓園14時(shí)地溫與前一日14時(shí)地溫、前一日20時(shí)氣溫顯著相關(guān)，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.793 ℃，T20-1每升高1 ℃，PST14升高0.143 ℃。式（2）表明，4月藍(lán)莓園14時(shí)地溫與前一日14時(shí)地溫、前一日14時(shí)氣溫顯著相關(guān)，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.802 ℃，T14-1每升高1 ℃，PST14升高0.085 ℃。

3、4月地溫預(yù)測(cè)模型的擬合情況分別如表3、表4所示。3月地溫預(yù)測(cè)模型的模擬誤差絕對(duì)值≤0.7 ℃，其中模擬誤差絕對(duì)值≤0.4 ℃的樣本占比為23/27，模擬誤差絕對(duì)值≤0.2 ℃的樣本占比為13/27。4月地溫預(yù)測(cè)模型的模擬誤差絕對(duì)值≤0.5 ℃，其中模擬誤差絕對(duì)值≤0.4 ℃的樣本占比與模擬誤差絕對(duì)值≤0.2 ℃的樣本占比均為10/11。

4 結(jié)論與討論

藍(lán)莓園自然植被對(duì)氣溫有一定的調(diào)節(jié)作用，這可能與藍(lán)莓園內(nèi)特定的空氣流動(dòng)影響熱量交換及儀器安裝位置等有關(guān)。與對(duì)照氣象站相比，氣溫日變化走勢(shì)兩者總體一致。晴天白天時(shí)段藍(lán)莓園氣溫稍高，夜間部分時(shí)段藍(lán)莓園氣溫稍低。陰天情況相反，但二者的差異各時(shí)次均較小。藍(lán)莓園自然植被可增加空氣濕度。無(wú)論晴天、陰天藍(lán)莓園相對(duì)濕度大部分時(shí)次均高于對(duì)照氣象站，這可能與農(nóng)田蒸散向空氣中補(bǔ)充水汽相關(guān)。藍(lán)莓園自然植被對(duì)地溫升高有延緩效應(yīng)。與對(duì)照氣象站相比，藍(lán)莓園地溫大部分時(shí)次比無(wú)遮蔽環(huán)境下的裸地地溫低，且隨著時(shí)間推移表現(xiàn)更為明顯，這可能與藍(lán)莓園植被影響土壤接收太陽(yáng)輻射有關(guān)。藍(lán)莓園CO2濃度日變化幅度總體不大，風(fēng)速較小時(shí)CO2濃度較高，風(fēng)速較大時(shí)CO2濃度更接近自由大氣。藍(lán)莓園晴天光照強(qiáng)度的最大值是陰天最大值的2～3倍，晴天總輻射的最大值是陰天最大值的3～4倍，晴天光合有效輻射單峰型特征較明顯。藍(lán)莓園霜凍關(guān)鍵期3、4月14時(shí)地溫與前一日14時(shí)地溫、前一日20時(shí)或前一日14時(shí)氣溫顯著相關(guān)，其逐步回歸預(yù)測(cè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.991，標(biāo)準(zhǔn)估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過(guò)信度0.001顯著性檢驗(yàn)。其中，3、4月地溫預(yù)測(cè)模型的模擬誤差絕對(duì)值≤0.2 ℃的樣本占比分別為13/27和10/11。

上述結(jié)論由樣本數(shù)據(jù)分析所得，是否具有普遍意義有待進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)30 cm深處的地溫反映了淺層土壤的熱量狀況，是藍(lán)莓根系生長(zhǎng)的熱量因子之一，藍(lán)莓園霜凍情況取決于冷空氣過(guò)境后環(huán)境氣溫和藍(lán)莓園植株冠層的溫度。

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（責(zé)編：何 艷）