日光温室小气候适宜度定量评价模型改进及应用

2021-01-09薛晓萍

干旱气象 2020年6期

李楠，薛晓萍

(山东省气候中心，山东济南 250031)

引言

设施农业小气候条件既与外界大气候条件不同，又与其密切相关[1-3]。为清楚地了解设施内小气候变化规律，近几年山东、天津、河北等气象部门先后在具有当地代表性的日光温室内安装了自动观测设备，其中，山东组建了标准化的设施农业小气候观测站网，为开展日光温室气象服务提供了观测资料基础保障。山东在设施农业小气候预报以及基于小气候预报结果的低温灾害影响预报方面已形成了较为成熟的技术标准和业务体系，但在小气候监测的定量评价方面还有所欠缺。如何定量评价日光温室内光、温、湿等小气候要素对作物生长的适宜程度，提出更有针对性的管理措施，改善温室小气候环境，促进蔬菜生长发育，是设施农业气象服务关注的重要内容之一[4-6]。

本文拟在三要素小气候适宜度模型基础上，增加作物根系活动层且变化相对较明显的10 cm地温要素，构建基于日光温室内气温、空气相对湿度、太阳辐射和10 cm地温的四要素小气候适宜度定量评价模型，丰富模型的物理意义，以期进一步提高设施农业气象服务的技术水平以及为决策服务提供依据。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料为山东寿光、寒亭设施农业小气候自动观测站日光温室内小气候要素的逐小时、逐日资料，观测站安装在当地设施农业实际生产中具有代表性的日光温室内，坐北朝南，东西长80 m，南北宽12 m，脊高4.5 m，墙体为土墙，墙体厚1.5 m。种植作物为番茄，10月开始移栽，12月开始进入采收期。

日光温室内小气候自动观测站按照国家标准《设施农业小气候观测规范日光温室和塑料大棚》(GB/T 38757—2020)[21]的要求安装，山东地区日光温室主要生产服务季是当年11月至次年4月，因此日光温室小气候数据以生产服务季为周期。

在适宜度定量评价模型的检验过程中所用的番茄生长发育农业气象指标由山东省农业科学院蔬菜花卉研究所提供；番茄生长状况和产量资料来自小气候观测站所在日光温室内的番茄实际观测值。

1.2 方法

1.2.1 温室内气温适宜度评价模型

日光温室内逐小时气温适宜度定量评价模型公式[2]如下：

(1)

式中：T(ti)为日光温室内第i时刻的气温适宜度；ti为设施内第i时刻的气温；tl、th和to(℃)分别为作物生长发育所需要的最低气温、最高气温和最适宜气温；B=(th-to)/(to-tl)。

日光温室逐日气温适宜度定量评价公式[2]如下：

(2)

式中：Td为日光温室内日气温的适宜度；T(ti)为日光温室内第i时刻的气温适宜度指数；n为一日内日光温室内逐时气温有观测记录的次数。

1.2.2 温室内空气相对湿度评价模型

日光温室内逐小时空气相对湿度的适宜度定量评价模型公式[2]如下：

(3)

式中：U(ui)为日光温室内第i时刻的空气相对湿度适宜度；ui为日光温室内第i时刻的空气相对湿度；ul、uh和uo(%)分别为作物生长发育所需要的最小、最大和最适宜空气相对湿度；D=(uh-uo)/(uo-ul)。

日光温室逐日空气相对湿度适宜度定量评价公式[2]如下：

(4)

式中：Ud为逐日日光温室内空气相对湿度适宜度指数；U(ui)为日光温室内第i时刻的空气相对湿度适宜度指数；m为日光温室内08:00—20:00逐时空气相对湿度有观测记录的次数。

1.2.3 温室内太阳辐射适宜度评价模型

因为日光温室内的最大太阳辐射辐照度直接影响温室内的最低气温和最高气温，进而影响日光温室内作物生长，因此，在日光温室黄瓜适宜度评价模型研究成果[2]基础上，将原有太阳辐射适宜度评价模型的最适宜及最不适宜两个等级细化，改写模型公式如下：

(5)

式中：Q(qi)为日光温室内第i时刻的太阳辐射适宜度；qi为日光温室内第i时刻的太阳总辐射辐照度；ql、qh和qo(W·m-2)分别为可达到温室作物所处发育阶段生长所需最低、最高和最适宜气温的日最大总辐射辐照度。

日光温室逐日太阳辐射适宜度指数评价公式如下：

(6)

式中：Qd为逐日的日光温室内太阳辐射适宜度指数；Q(qj)为日光温室内揭帘至盖帘时间内第j时刻的太阳辐射适宜度；p为日光温室内揭帘到盖帘时间内逐时太阳辐射有观测记录次数。

1.2.4 温室内10 cm地温适宜度评价模型

通过对2017年11月至2018年4月寒亭站和寿光站日光温室内逐日10 cm地温与气温进行相关性分析，两者显著相关，拟合方程决定系数R2为0.82(图1)。因此，与温室内气温适宜度评价模型相似，构建日光温室内10 cm地温适宜度评价模型如下：

(7)

式中：T(dti)为日光温室内第i时刻10 cm地温适宜度；dti、dtl、dth和dto(℃)分别为日光温室内第i时刻10 cm地温、作物生长发育所需要的最低10 cm地温、最高10 cm地温和最适宜10 cm地温；P=(dth-dto)/(dto-dtl)。T(dti)是在0～1变化的抛物线函数(图2)，反映10 cm地温条件从不适宜到适宜再到不适宜的连续变化过程。逐日10 cm地温适宜度定量评价公式如下：

(8)

式中：Dd为日光温室内10 cm地温逐日适宜度指数；T(dti)为第i时刻的10 cm地温适宜度；n为一日内日光温室内逐时10 cm地温有观测记录次数。

图1 2017年11月至2018年4月寒亭和寿光站日光温室内10 cm地温与气温散点图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

图2 日光温室番茄小气候适宜度指数对10 cm地温的反应过程Fig.2 Reaction process of microclimate suitability of tomato in heliogreenhouse to 10 cm ground temperature

1.2.5 温室内综合小气候要素适宜度评价模型

将魏瑞江等[2]基于温度、空气相对湿度和辐射辐照度3个因子的等权重小气候要素适宜度模型改进为包含10 cm地温在内的4个因子的等权重小气候要素适宜度模型，公式如下：

(9)

式中：Sd为日光温室内小气候要素综合日适宜度指数；Td、Ud、Dd和Qd分别为温室内气温、空气相对湿度、10 cm地温及太阳辐射逐日适宜度指数。

1.2.6 最优分割法

采用最优分割法[22]划分小气候要素适宜度评价等级，最优分割法是在对n个样品分段并使组内离差平方和最小的分割方法。

2 结果分析

利用2017年和2018年日光温室生产服务季内小气候要素逐时观测资料及番茄产量资料进行分析检验，两年产量分别为135 686.6和149 253.7 kg·hm-2，在品种特性、肥水管理、土壤质地和栽培管理水平一致条件下，产量取决于设施内的小气候条件。为了对比小气候适宜度定量评价模型改进前与改进后的效果，应用魏瑞江等[2]的三要素适宜度模型与本文提出的四要素适宜度模型分别计算适宜度指数。产量采用10 d平均值，综合小气候适宜度指数亦用与之对应的10 d平均值。

图3为2017、2018年日光温室生产服务季每10 d平均番茄产量分别与三要素、四要素综合小气候适宜度指数的散点图。可以看出，2017年和2018年每10 d番茄产量与三要素综合小气候适宜度指数的决定系数分别为0.59和0.69，均通过0.01的显著性检验；每10 d番茄产量随着四要素综合小气候适宜度指数的增加而增加，2017年和2018年两者的决定系数R2分别为0.93和0.90，均通过0.01的显著性检验，且决定系数明显优于三要素综合模型。

日光温室内综合小气候适宜度指数越高，温室内小气候条件越适宜于番茄生长发育，其产量越高。综上所述，改进后的四要素适宜度模型评价效果优于三要素适宜度模型。

图3 2017年(a、c)、2018年(b、d)日光温室生产服务季每10 d平均番茄产量与三要素(a、b)及四要素(c、d)综合小气候适宜度指数散点图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 模型的应用

3.1 适宜度评价等级指标

通过计算2012—2017年生产服务季寒亭日光温室内番茄的气温、空气相对湿度、太阳辐射、10 cm地温及小气候综合适宜度指数，发现日光温室内逐日气温适宜度指数最小值为0.0，最大值为0.85；日空气相对湿度适宜度指数最小值为0.0，最大值为0.80；日太阳辐射适宜度指数最小值为0，最大值为1.0；日10 cm地温适宜度指数最小值为0，最大值为1.0；日综合适宜度指数最小值为0.0，最大值为0.78。利用最优分割法，结合作物实际生长状况，将各要素适宜度划分为3个等级，如表1所示。

表1 适宜度评价等级指标Tab.1 Grade indexes of suitability evaluation

3.2 小气候适宜度评价

3.2.1 各要素适宜度

表2列出2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄小气候要素不同等级适宜度各月出现日数占比。可以看出，气温适宜度为“适宜”等级的日数3月占比最高，为71%，11月、12月和1月占比最低；“不适宜”等级的日数1月占比最高，为55%，其他月份均在10%以下；生产服务季内气温要素较适宜于番茄生长。空气相对湿度适宜度未出现“适宜”等级；“不适宜”等级的日数11月至次年1月占比最高，为80%以上，2月开始适宜度明显提高，大部分日数处于“较适宜”等级。日光温室太阳辐射适宜度为“适宜”的等级4月和3月占比最高，分别为50%和35%；“不适宜”等级的日数1月占比最高为52%，其次11月为37%，可见各地日光温室内接受到的太阳辐射对番茄生长发育最适宜的月份是4月，其次为3月，整个冬季光照条件均不适宜番茄生长。10 cm地温适宜度为“适宜”等级的日数3、4月占比最高，分别为97%和100%，表明进入春季后地温回升明显，完全可以提供番茄生长所需热量，冬季的12月和1月10 cm地温适宜度为“不适宜”等级的日数占比达100%，其次为11月；2月适宜度各等级日数占比差别不大，其中“适宜”等级占比为57%，“较适宜”占比为14%；整体看2月地温条件适宜。

表2 2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄小气候要素不同等级适宜度各月出现日数占比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 单位：%

3.2.2 各要素适宜度变化趋势

图4为2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄小气候要素旬平均适宜度指数变化。可以看出，日光温室内气温、10 cm地温和太阳辐射适宜度变化均呈不规则“V”字形，与魏瑞江等[2]分析结果相似。11月上旬至1月下旬呈下降趋势，之后开始在波动中上升，各要素适宜度指数的最低值均出现在1月下旬， 2019年1月下旬外界最低气温为-12.3 ℃，且出现3 d以上连续寡照天气，日光温室内光照不足，导致温室气温、地温均降低，其中10 cm地温降至10.8 ℃，接近番茄生长的地温下限指标；空气相对湿度前期变化趋于平稳，适宜度指数稳定在0.2左右，2月开始由于通风时间延长，空气相对湿度下降，适宜度指数明显升高，进入3月大风天气增多，通风时间间隔缩减，导致适宜度指数略有下降。

3.2.3 综合适宜度

图5为2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄不同等级综合小气候适宜度各月出现日数占比。可以看出，综合小气候适宜度为“适宜”等级的3、4月占比最高，分别为87%和77%，其次为12月，占比为68%，1月最低，占比仅为19%；“不适宜”等级1月占比最高，为61%，4月最低，仅为10%，其次为3月的13%。综上所述，寒亭日光温室小气候条件最适宜番茄生长月份为3月，其次为4月和12月，1月最不适宜。

图4 2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄小气候要素旬平均适宜度指数变化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

图5 2018年11月至2019年4月寒亭日光温室番茄不同等级综合小气候适宜度各月出现日数占比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