陈思宁，柳 芳，黎贞发，刘淑梅（天津市气候中心，天津 300074）



·资源区划·

基于不同发育期的日光温室黄瓜低温冷害风险评估研究*

陈思宁，柳 芳※，黎贞发，刘淑梅
（天津市气候中心，天津 300074）

摘 要文章基于自然灾害风险理论对天津日光温室黄瓜低温冷害进行风险评估。以温室内、外气象观测数据为基础，以天津设施农业种植区为研究区域，通过以往积累的观测试验结果与实地调查，确定不同发育期黄瓜低温冷害温室内致灾指标，并使用80%保证率法，由温室内致灾指标推算温室外致灾指标；基于自然灾害风险理论，估算日光温室黄瓜低温冷害风险概率；并实现基于不同发育期的温室黄瓜低温冷害风险评估与区划。研究结果表明，（1）就不同发育期而言，近10年来，苗期黄瓜遭受轻度低温冷害的风险明显高于中度与重度低温冷害，花期黄瓜遭受轻度与中度低温冷害的风险普遍高于重度低温冷害，果期黄瓜遭受重度低温冷害的风险普遍较高；就黄瓜生长整个生育期而言，大部分越冬茬黄瓜果期遭受重度低温冷害的风险普遍较高，这给黄瓜最终产量与经济收入带来较大影响，而越冬茬黄瓜苗期发生重度低温冷害的风险最低；（2）就空间分布而言，果期重度低温冷害的风险全天津最高，黄瓜苗、花、果期遭受轻度低温冷害的风险也较高，而黄瓜苗期遭受重度灾害的风险最低；（3）宝坻西北部与蓟县西南部边缘在各生育期不同受灾等级下都会成为高风险区，这是由于该区地势低洼，冷空气下沉，易造成低温所致。

关键词日光温室 黄瓜 低温冷害 风险评估 发育期

0 引言

黄瓜是起源于亚热带的喜温作物。黄瓜虽喜温暖但不耐高温，同时对低温也较敏感。近年来冬季黄瓜生产过程中，由于保护设施内的温度环境条件不能完全满足黄瓜正常生长发育需要，低温冷害频发，且在不同生育期灾害表现不同。在黄瓜生育过程的任何一个时期都能发生冷害。发芽时遇到低温，种子不能萌发或发芽迟缓；幼苗期遇到低温，幼苗生长缓慢，节间缩短，颜色浓绿。开花结果期遇到低温，黄瓜植株生长明显受到抑制，节间缩短，叶片短缩不长，龙头小，果实生长缓慢［1］。因此，针对不同生育期开展日光温室黄瓜低温冷害研究有十分重要的实际意义。尽管近30年来我国设施农业取得了长足的进步，但总体水平落后于发达国家。设施作物一般不直接触及外界气象条件，即不直接受益于或受损于外界天气，但是灾害性的天气对设施作物的危害是显而易见的［2］。

国内外学者已针对设施农业气象灾害风险评估方面进行了大量研究。由于国外发达国家设施农业具备设施设备完善、技术成套、生产规范、产量稳定、质量较高等特点，形成了稳定的产业体系［3］，可根据植物生长所需的最适生态条件在设施内进行环境自动控制，能够不受气候条件影响，因此风险评估往往侧重于经济风险、社会风险及环境风险等研究［4-5］。我国的众多学者也针对设施农业气象灾害做了大量的工作，如魏瑞江 （2003）确定了河北省温室蔬菜低温寡照灾害等级指标，分析了低温寡照的时空分布规律［6］；张明洁 （2011）等通过对我国北方地区影响日光温室生产的主要气候因素进行分析，从光、温、风、雪等4个方面选取了多个气象因子作为气候适宜性区划指标，在GIS技术支持下，得到北方地区日光温室发展的气候适宜性区划图［7］；魏瑞江 （2005）等基于河北省日光温室多年小气候观测资料，并结合果菜类蔬菜生长发育所需要的气象条件及其遭受低温寡照灾害后的减产程度，得出果菜日光温室适宜发展的气象因子指标，并确定果菜日光温室适宜发展区域［8］；蔡冰 （2011）等对江苏省设施农业气象3种主要气象灾害 （寡照灾害、低温灾害、高温灾害）进行风险等级区划［9］；黄川容 （2012）等研究了日光温室风灾等级划分的量化标准，并对日光温室风灾风险的时空变化进行了评估［10］；黎贞发 （2012）等结合温室小气候观测数据分析了天津温室蔬菜生产季主要气象灾害、发生特点与风险，并从温室设计、标准制定及灾害预警服务等方面提出对策与建议［11］；杨再强 （2013）等构建了基于实数编码的加速遗传算法与投影寻踪的日光温室气象灾害风险评价模型，并对北方地区日光温室主要生产月气象灾害风险进行逐月评价［12］。综合国内外研究进展 （特别是国内研究）不难发现，在设施农业各类气象灾害的评价指标方面都取得了比较一致的结果，能综合考虑多个致灾指标对设施农业的影响，并能根据当地实际情况准确界定作物不同受灾程度致灾指标的临界值，在业务服务应用中取得一定的成效。但仍存在一些问题:（1）温室作物不同于大田作物，大田作物是完全暴露于外界自然环境中的，其受灾情况直接受外界环境要素的影响（如各气象要素），但温室作物生长于温室内，尽管也受外界环境的间接影响，但更直接受作用于温室内小气候环境的影响。而现有研究仍多以经验与实地调查的方式确定影响温室作物气象灾害的温室外气象要素，这一做法既忽略了温室内外气象要素间的联系，更未考虑温室内气象要素对温室作物的直接影响；（2）现有研究仍多以温室作物的整个生长期为研究对象，事实上，处于不同发育期的温室作物，其气象灾害的影响因素与影响结果不完全相同，因此，有必要针对不同发育期评估温室作物的气象灾害风险；（3）多数研究尚未考虑温室类型在温室作物气象灾害评估中的影响，而不同温室类型的保温作用存在明显差异，故忽略温室类型对温室作物的影响而评估温室作物气象灾害显然是不合适的。

针对上述问题，该研究以都市型设施农业种植区——天津为研究区，以日光温室黄瓜为研究对象，以温室内、外气象观测数据为基础，通过以往积累的观测试验结果与实地调查，根据温室内、外气象要素对应关系确定不同发育期黄瓜低温冷害温室内、外灾害指标；基于自然灾害风险理论，估算日光温室黄瓜低温冷害风险概率；并实现基于不同发育期的温室黄瓜低温冷害风险评估与区划。

1 材料与方法

1.1 研究区、温室简介及数据

1.1.1 研究区

天津地处华北平原东北部，北依燕山，东临渤海，处于山地向滨海平原的过渡地带，境内分布有山地丘陵、平原及海岸滩涂，濒临150km2以上的海岸线。多样的地形地貌与丰富的气候资源，形成了天津特色的农业种植业、养殖业及林果业。近年来设施农业生产迅速兴起，设施种植的蔬菜、花卉面积及产出不断增加，成为新的增长点。

1.1.2 温室简介

日光温室位于天津西青第六埠，温室长度80m，跨度6.5m，脊高3.1m，后墙高2.5m，后屋面投影0.67m，侧墙厚度0.37m，侧墙与后墙均为砖墙，后坡材料为水泥，后坡厚度0.15m，保温被厚度0.04m。1.1.3 数据

研究数据包括由天津市气候中心提供的天津13个气象要素观测站2005～2015年逐小时温室外气象数据 （气温、日照时数、相对湿度等）与西青第六埠温室2011～2012年、2012～2013年、2013～2014年越冬茬黄瓜3个完整生育期 （当年10月至次年5月）每10min观测一次的温室内小气候观测数据 （气温、地温、相对湿度、辐射等）。由于部分温室内小气候数据缺测，研究采用基于BP神经网络的日光温室气温模拟模型［13］模拟温室内逐时气温。该模型利用室外逐时温度、室外日照时数日累积量、室外相对湿度及相对时刻模拟温室内逐时气温。考虑到数据的完整性，将2012～2013年数据作为建模数据，2011～2012年与2013～2014年数据作为验证数据，检验模型对于西青日光温室内逐时温度的模拟结果。

1.2 温室黄瓜低温冷害风险评估方法

表1 温室黄瓜发育期

1.2.1 黄瓜生育期

由日光温室黄瓜生产实践知，天津市温室黄瓜通常在每年的10月1日前定植，幼苗期一般持续23d左右；只开花不结果需经历10d左右；在开花后为既开花又结果期，可一直持续到次年5～6月，但2月底以后基本不存在低温冷害，所以，将温室黄瓜生育期确定如表1。

1.2.2 温室黄瓜低温冷害致灾指标构建

基于本课题组以往的试验结果、结合天津温室黄瓜种植区实地调查［14］与参考温室黄瓜生长栽培资料［15-17］，确定基于不同生育期的黄瓜温室内低温冷害致灾指标。天津日光温室种植区面积较大，但目前尚未实现每一个温室都装有小气候实时监测系统，而天津现有200多个气象要素观测自动站，基本上形成了一个分布均匀、实时监测的气象要素观测网，因此，获得黄瓜低温冷害温室外致灾指标对于区域风险评估更具实际意义。该研究根据温室内黄瓜低温冷害等级指标，分别挑选温室内不同等级温度对应的温室外气温数据，按照80%的保证率的对应关系选取，取其平均值作为黄瓜温室外低温冷害指标值。保证率是指某气象要素值小于或大于某一数值的可靠程度，通常以某气象要素在长时期内小于或大于某一数值的累积频率来表示。

1.2.3 温室黄瓜低温冷害灾害强度风险评估模型构建

首先，以天津13个气象观测站2005～2006年、2006～2007年、2007～2008年、2008～2009年、2009～2010年、2010～2011年、2011～2012年、2012～2013年、2013～2014年、2014～2015年越冬期（该研究以当年10月1日至次年2月28或29日作为温室黄瓜越冬期）温室外气温为基础，构建黄瓜低温冷害致灾指标序列；然后，对不同发育期、不同致灾等级下的致灾指标序列分别进行概率密度函数拟合检验，选择最优的理论概率分布函数计算各发育期、各级低温冷害事件的风险概率值，获得13个站10个越冬期温室黄瓜不同发育期、各级低温冷害的概率值；再对各站的10个概率值求平均，进而得到各站不同发育期、不同受灾等级温室黄瓜低温冷害的风险评估值。

2 结果与分析

2.1 温室内气温模拟结果

图1为黄瓜花期 （a）与果期 （b）西青温室逐时气温度模拟结果，表2为逐时气温模拟结果与实测值的误差分析情况。由图1与表2可见，温室内逐时气温模拟值与实测值比较接近，特别是果期气温的模拟结果，且逐时气温模拟值与实测值的最大误差为-1.92℃、最小误差为0.07℃、平均误差为-0.35℃、相对误差为0.04℃、标准差为3.03℃，总体上，逐时气温模拟值精度可以满足需要。

2.2 温室黄瓜低温冷害指标

黄瓜低温冷害温室内致灾指标基于课题组前期研究成果［13］与实地调查结果而得 （表3），并根据温室黄瓜低温冷害致灾指标构建方法，确定黄瓜低温冷害外致灾指标 （表4）。天津日光温室多在10月20日左右覆膜，因此认定黄瓜苗期温室内、外气温相同，即黄瓜苗期低温冷害温室内、外指标相同。表3与表4仅给出温室黄瓜低温冷害温室内、外致灾指标，而没有给出指标持续的时间，这是因为课题组在以往的试验中［18］，仅针对黄瓜苗期采用人工气候箱进行低温冷害试验，即可以准确确定黄瓜苗期致灾指标的持续时间，而花期与果期不适宜用人工气候箱进行试验，该文结合温室黄瓜低温冷害的实地调查情况认为，当表2与表3内的致灾指标持续24h以上时，即发生相应灾害。

图1 黄瓜花期 （a）与果期 （b）西青温室逐时气温度模拟结果

表2 逐时气温模拟结果与实测值的误差分析

表3 黄瓜发育期温室内低温冷害指标

表4 黄瓜发育期温室外低温冷害指标

2.3 温室黄瓜低温冷害风险评估与区划

图2所示为近10年来温室黄瓜越冬期低温冷害风险变化情况。苗期，黄瓜遭受轻度低温冷害的风险明显高于中度与重度低温冷害，黄瓜苗期遭受轻度低温冷害的风险概率值普遍位于0.25 ～0.40之间；花期，黄瓜遭受轻度与中度低温冷害的风险普遍高于重度低温冷害；果期，黄瓜遭受重度低温冷害的风险普遍较高、其次为中度、再次为轻度。就黄瓜生长整个生育期而言，苗期发生重度低温冷害的风险最低，近10年来风险概率值均未超过0.1；而从2008年年底到2013年初，黄瓜果期遭受重度低温冷害的风险普遍高于其他等级灾害风险，这给黄瓜最终产量与经济收入都带来较大影响。

图2 温室黄瓜近10年越冬期低温冷害风险概率变化

图3 天津日光温室黄瓜低温冷害风险区划

由图3可见，针对不同发育期、不同灾害等级，天津温室黄瓜低温冷害的风险分布情况不同。苗期:轻度低温冷害的高风险区位于蓟县，而中、重度低温冷害的高风险区位于宝坻西北部与蓟县西南部边缘，苗期3级低温冷害的较低风险区均位于市区与滨海新区，且苗期轻度低温冷害的风险明显高于中度与重度灾害；花期:轻灾高风险区位于滨海新区的中部与东北部，中灾的高风险区位于宝坻西北部与蓟县，重灾的高风险区位于宝坻西北部与蓟县西南部边缘，轻灾的低风险区位于宝坻西北部与蓟县西南部边缘，中、重灾的高风险区位于市区与滨海新区，且花期轻度低温冷害的风险明显高于中度与重度灾害；果期:轻灾的高风险区位于市区、滨海新区中部及东北部，中灾的高风险区位于东丽、滨海新区中部及东北部，重灾的高风险区位于宝坻西北部与蓟县西南部边缘，且果期重度低温冷害的风险明显高于轻度与中度灾害。纵观温室黄瓜整个生育期，果期重度低温冷害的风险全天津最高，最高风险概率值达0.392，这也直接影响了黄瓜的最终产量与经济收入，黄瓜苗、花、果期遭受轻度低温冷害的风险也较高，而黄瓜苗期遭受重度灾害的风险最低。另外，宝坻西北部与蓟县西南部边缘在各生育期不同受灾等级下都会成为高风险区，这与该区的地理位置有关，该区地势低，又位于北部山区下的平原地区，宝坻南部比较高，冬天刮西北风有狭管效应，易造成低温。

3 讨论

设施作物的气象灾害风险评估研究与大田农作物相关研究相比，既有“共性”，也有“特性”。设施作物的生长发育既受温室内小气候的直接影响，也受室外大气条件的间接影响。该研究以温室黄瓜低温冷害温室内致灾指标为出发点，以保证率算法推算温室外致灾指标，基于自然灾害风险评估理论，计算越冬茬温室黄瓜不同发育期、不同等级低温冷害事件概率，获得温室黄瓜近10年越冬期低温冷害风险概率变化情况与风险区划图。与前人研究［6-12］相比，该研究重点考虑了在不同发育期温室黄瓜遭受的低温冷害影响不同，初步实现了基于温室黄瓜不同发育期的低温冷害风险评估。另外，温度是影响温室黄瓜低温冷害的主要因子，但由于设施的特殊性，黄瓜低温冷害还与日照时数有关，该文暂未考虑日照的影响，这一工作也将在后续研究中继续补充。

4 结论

（1）近10年来，苗期黄瓜遭受轻度低温冷害的风险明显高于中度与重度低温冷害，花期黄瓜遭受轻度与中度低温冷害的风险普遍高于重度低温冷害，果期黄瓜遭受重度低温冷害的风险普遍较高；就黄瓜生长整个生育期而言，大部分越冬茬黄瓜果期遭受重度低温冷害的风险普遍高于其它等级灾害风险，这给黄瓜最终产量与经济收入都带来较大影响，而越冬茬黄瓜苗期发生重度低温冷害的风险最低。

（2）纵观温室黄瓜整个生育期，果期重度低温冷害的风险全天津最高，黄瓜苗、花、果期遭受轻度低温冷害的风险也较高，即温室黄瓜在各发育期都存在发生轻度低温冷害的风险，而黄瓜苗期遭受重度灾害的风险最低。

（3）宝坻西北部与蓟县西南部边缘在各生育期不同受灾等级下都会成为高风险区，这是由于该区地势低洼，冷空气下沉，易造成低温所致。

参考文献

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ESTIMATION OF LOW TEMPERATURE DISASTER RISK OF SOLAR GREENHOUSE CUCUMBERS BASED ON DIFFERENT GROWTH-DEVELOPMENT STAGES

Chen Sining，Liu Fang※，Li Zhenfa，Liu Shumei
（Tianjin Climate Center，Tianjin 300074，China）

AbstractThe low temperature disaster risk of solar greenhouse cucumbers in Tianjin was estimated based on natural disaster risk theory.The low temperature disaster indexes were determined using the meteorological data of insidesolar greenhouse obtained from the observation，test and fieldwork.And the low temperature disaster indexes of outside the solar greenhouse were determined based on 80%guarantee rate method.According to natural disaster risk estimation theory，the risk probability of low temperature disaster of solar greenhouse cucumbers was estimated，and the different grade risk regions were divided based on different growth-development phase.The study results showed that（1）In terms of different growth-development stages，in recent 10 years，the cold damage risk caused by the mild low temperature was obviously higher than that by the moderate and severe low temperature during cucumber seeding stage.Both the risks caused by the mild and moderate low temperature were higher than that by the severe low temperature during the flowering phase.The severe low temperature risk was generally high during fruiting stage.With respect to the whole growth-development stage，most overwintering greenhouse cucumbers suffered obvious severe low temperature damage risk during fruiting stage，which had an important impact on the ultimate yield and economic income of greenhouse cucumbers.The severe low temperature risk of the overwintering cucumbers during seeding stage was the lowest.（2）In terms of the space distribution of chilling damage risk，the severe chilling damage risk during fruiting stage was the highest，and the mild risk was higher during the seeding，flowering and fruiting stages.（3）Because the cold air can sink to the low-lying area，and easily lead to the low temperature，the northwest of Baodi district and southwest of Jixian were the regions that always beard higher disaster risk at different growth-development stages and different disaster levels.

Keywordssolar greenhouse；cucumbers；low temperature disaster；risk estimation；growth-development stages

中图分类号：S625.2；S642.2；S42

文献标识码：A

文章编号：1005-9121［2016］02-0154-07

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160226

收稿日期：2015-11-10

作者简介：陈思宁 （1983—），女，黑龙江哈尔滨人，工程师。研究方向:设施农业气象灾害及农业生态遥感。※通讯作者:柳芳（1977—），女，河南南阳，高级工程师。研究方向:农业气候资源评价及设施农业灾害风险评估。Email:672107718@qq.com

*资助项目：中国气象局气候变化专项“日光温室蔬菜种植气象灾害风险评估与管理” （CCSF201521）；江苏省农业气象重点实验室（JKLAM）开放课题“日光温室气象灾害综合评估研究”（KYQ1305）；天津市气象局博士基金“日光温室番茄低温寡照影响评估与风险评价研究”（BSJJ201505）；公益性行业 （气象）科研专项“华北日光温室小气候资源高效利用技术研究”（GYHY201306078）