鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究.pdf

第 卷第 期 年 月 气象与环境学报 收稿日期 修订日期 资助项目 中国气象局气候变化专项 和 十三五 山东重大气象工程项目 鲁发改农经 号 共同资助 作者简介 陈辰 女 年生 高级工程师 主要从事农业气象评价 预报及灾害风险评估 通信作者 陈艳春 女 正研级高级工程师 陈辰 陈艳春 董智强 等 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 气象与环境学报 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 陈辰 陈艳春 董智强 张志伟 山东省气象防灾减灾重点实验室 山东济南 山东省气候中心 山东济南 安丘市农业农村局 山东安丘 摘 要 利用 年 月至 年 月山东中部地区典型日光温室内 外最低气温资料 结合喜温蔬菜冷害指标 应用 保证率安全法和个例分析 结合田间调查 确定不同季节 不同天气类型下山东中部地区温室喜温蔬菜冷害天气预警指标 结果表明 春季一般无冷害发生 秋季冷害以寡照型天气为主 一般发生在 月 在 阴天的天气条件下 秋季冷害的天气 预警指标为温室外最低气温 其中轻度冷害指标为 中度冷害为 冬季冷害天气类型为低温型和寡照型 冷害天气 预警指标为温室外最低气温 冬季不同天气条件的冷害等级分为晴天轻度 中度冷害 多云轻度 中度冷害 阴天轻度 中度冷 害 连阴天轻度冷害 中度冷害 室外最低气温指标分别为 关键词 低温型 寡照型 冷害 预警指标 中图分类号 文献标识码 引言 日光温室是中国北方地区用于反季蔬菜瓜果等 作物生产的主要设施 其主要能量来源为太阳辐射 生产中使用的日光温室结构较为简单 大多数设施 中无加热设备 温度是作物生长发育的关键因子 温度过低会导致作物的生理生化功能受阻 影响作 物生长发育 尤其是中国冬季区域性寒潮和低温雨 雪灾害过程时有发生 由此引发的低温为限制日 光温室作物生长的主要因素之一 低温对作物 光合作用 酶活性等生理生态条件影响的研究表明 低温抑制植物根系的活动和生长 低温胁迫使植 物体内活性氧化代谢失衡 可造成光合结构损伤 破 坏光合电子传递 黄瓜在 条件下 会 出现植株生长缓慢 叶绿素含量降低等症状 且病虫 害加重 阻碍正常生长 日光温室小气候条件受 外界温度 光照等气象要素影响较大 低温冷害为主 要气象灾害之一 王孝卿等 分析了山东寿光日光 温室内气温 相对湿度等要素的日变化规律 魏瑞 江等 分析了河北地区不同天气类型下温室小 气候与外界日照 气温等要素的关系 李石等 李 楠等 利用温室内 外前一日或前两日及当日温室 内 外气温等观测要素 分别分析了辽宁沈阳和山东 淄博 莱芜的日光温室内最低气温变化特征 并构建 了预报模型 李美荣等 和孙东磊等 分别建立 了陕西 河北等地的温室内 外气温关系模型 筛选 出设施农业作物低温冷害预报预警指标 李楠等 利用 保证率构建了山东省日光温室外番茄低温 冷害气象等级指标 柳芳等 分析了低温对天津地 区温室黄瓜产量的影响 不同地区气候条件及温室 结构不同 各地日光温室冷害预警指标存在差异 且 多数预警模型基于温室内观测资料构建 无法根据 温室外条件进行预测 此外 不同天气条件下的温 室内温度变化不同 需有不同季节 不同天气类型的 日光温室冷害预警指标 山东中部 鲁中 下同 地区是山东省日光温室 蔬菜的主要种植区 设施蔬菜生产调查资料表明 当 年 月至次年 月是鲁中地区日光温室喜温蔬菜冷 害发生概率较大的时段 本文以鲁中地区日光温室 喜温蔬菜为研究对象 应用日照百分率法 将天气类 型划分为晴天 多云和阴天 根据温室喜温蔬菜冷害 的小气候指标及温室内 外最低气温的关系 确定对 应天气类型的预警指标 以期为该地区设施农业服 务和冷害预防提供参考 资料与方法 资料来源 山东各地生产上使用的日光温室基本架构较为 一致 东西长度一般为 南北跨度一般为 脊高一般为 选取济南市莱 第 期陈辰等 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 芜区 济南市章丘区和潍坊市寒亭区三个典型代表 站 并选取有观测数据以来种植番茄 黄瓜等喜温蔬 菜的日光温室内最低气温资料 其中指标选取时采 用的小气候观测地区及时段为莱芜地区 年 月至 年 月 当年 月至次年 月为一个 周期 下同 章丘地区 年 月至 年 月 寒亭地区 年 月至 年 月 指标验证采 用的小气候观测地区及时段为莱芜地区 年 月至 年 月 气候资料为 年 月至 年 月对应地区 对应时段地面气象观测站逐 日日照时数和日最低气温 气象要素观测资料均来 自山东省气象信息中心 作物长势和灾情资料为实 地调查记录资料 日光温室小气候观测数据质量控制与处理 剔除原始观测资料中非常态的观测资料 根据 田间调查 非常态日光温室小气候观测一般有两种 一种是作物未移栽或换茬时不需要进行温室正常管 理的情况 观测数据主要表现为温室内最低气温连 续多日低于 且温室内 外温差小于 另一种 是传感器异常造成的 主要表现为天气类型无较大 变化但当日观测数据明显异于邻近日期观测数据 剔除非常态观测资料后得到 个有效样本 天气类型划分 采用日照百分率 将天气类型划分为 类 即 为晴天 为多云 为阴天 日照百分率根据日照时数 和可照时数计算得到 式 中 为日照百分率 单位为 为日照时数 单位为 为可照时数 单位为 式 中 为半日可照时数 单位为 式 中 为当地纬度 为太阳赤纬 为蒙气差 为 式 中 为日序 月 日记为 月 日记为 其余类推 月 日为 平年 闰年为 经田间调查 当出现连阴转晴天气时 日光温室 一般均将逐步揭苫 以防止作物生理性萎蔫 因此 将连续 以上阴天后一日的晴天或多云天气 作为阴天处理 日光温室喜温蔬菜冷害的天气预警指标 分析不同季节 不同天气类型下温室内最低气 温与气象条件的关系 应用相关统计 保证率安 全法和个例分析 结合田间调查 确定温室喜温蔬菜 冷害的天气预警指标 相关统计方法即根据温室内 外最低气温相关 关系 构建线性回归方程 其中 为温室 内最低气温 单位为 为温室外最低气温 单位 为 为系数 保证率安全法 指保证 的样本不受冻 即若某温度范围内发生冷害的样本占比达到 以 上 则选取该温度范围的上限作为冷害预警指标 具体方法为 将温室外最低气温按 为步长进行 分段 从高到低排序 选出可能发生冷害的温度范 围 即第一次温室内最低气温达到冷害指标时 对应 的温室外最低气温范围的上限值 到冷害发生概 率为 时所对应的温室外最低气温范围的上限 值 统计 温度范围内达到冷害指标的总 样本数 将 作为开始温度段 以 为 步长将 划分为 段 其中各温度段内冷害的 样本数为 按从高到低的顺序 将各温度段内达到 冷害指标的样本进行累加 得到统计温度段内冷害 的样本总数 见式 式 中 为不同温度段内冷害样本数 为统计 温度段的冷害样本总数 轻度及中度冷害需分别统 计分析 计算不同统计温度段内发生灾害的样本总 数占总样本数的比例 当比例大于 时 则将 该统计温度段内第 段的温度上限作为冷害预警指标 结果分析 温室喜温蔬菜冷害小气候指标 番茄 黄瓜等喜温蔬菜是鲁中地区日光温室的 主要种植作物 其耐低温的能力较差 生长最适温度 为 气温高于 易出现叶片停止生长 低于 开花结实可能受阻 若反复出现 以 下温度 植株生长将受到抑制 低于 时根 系活动和生长受到影响 植株枯萎 低于 时酶 活性及叶绿素含量下降 植物光合作用受阻 茎叶生 长停止 环境下番茄植株会受冻致死 时黄瓜会受冻枯萎甚至冻死 根据气象灾 害田间调查 年 月 日莱芜区出现 气象与环境学报第 卷 持续寡照 月 日部分温室最低气温为 以 下 番茄 丝瓜等作物出现叶片卷曲 干边 果实发育 不良等现象 综合文献及调查结果 将温室内最低 温度 分别作为喜温作物轻度 中度冷害指 标 该地区未出现过重度冷害灾情 日光温室最低气温与气象条件的关系 日光温室白天蓄积太阳辐射热量 温度升高 夜 间主要通过覆盖面贯流放热 通过后墙 前屋面等向 外界散失热量 温度降低 温室内最低气温变化受 白天天气类型和夜间室外最低气温影响 不同天气 类型的白天太阳辐射条件差别较大 影响温室蓄热 夜间外界气温越低 覆盖面散失的热量越多 年 月至 年 月鲁中地区不同季节不同 天气类型下温室内 外最低气温相关系数见表 由 表 可知 不同天气类型下温室内最低气温与温室 外最低气温均呈较显著的相关 冬季温室内 外最低 表 年 月至 年 月鲁中地区不同季节不同天气类型下温室内 外最低气温相关系数 季节天气类型样本数相关系数季节天气类型样本数相关系数 晴天 晴天 春 秋季多云 冬季多云 阴天 阴天 注 为通过 的显著性检验 气温相关系数大于春 秋季 日光温室内 外气温日变化 选取 年 月至 年 月鲁中地区不同 天气类型典型日温室内 外气温日变化见图 由 图 可知 晴天时 温室内气温明显高于温室外 内 外最大温差为 室内最高气温为 图 年 月至 年 月鲁中地区晴天 多云 阴天 温室内 外气温日变化 气温日较差为 室内最低气温出现 时间比室外滞后 多云时 温室内 外最大温 差为 温室内最高气温为 气温 日较差为 室内最低气温出现时间比室外 滞后 阴天时 温室内 外温差明显小于晴天 和多云天气 内外最大温差为 室内最高气 温为 气温日较差为 最低气温出 现时间也较晚 温室内最低气温一般出现在揭苫前 后 晴天及多云天气多在 阴天 时相对较晚 多出现在 前后 由于日光温室 可采取通风等措施 最高温度可调控 一般低于 有利于作物生长 不同季节冷害天气预警指标 春 秋季 年 月至 年 月鲁中地区春 秋季 不同天气类型温室内 外最低气温见图 由图 可 知 春 秋季 月和 月 下同 晴天 多云 阴天的天气状况下观测样本较多 且温室外最低气 第 期陈辰等 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 温一般为 以上 温室内最低气温为 以上 无冷害发生 阴天的观测样本只有 个 其中 图 年 月至 年 月鲁中地区春 秋季晴天 多云 阴天 温室内 外最低气温关系 个样本温室内最低气温为 以下 均出现在温室 外最低气温 以下 阴天的过程共 次 均 出现在 月中下旬且外界降温幅度较大 分别为 年 月 日和 年 月 日 其温室内 外最低气温变化见图 连阴转晴后的第 一日 为防止正常揭苫引起作物萎蔫 温室生产管理 中一般采取 花帘 的方式揭苫 在温室小气候 观测中 将连阴 后一日的晴天天气处理为阴天 阴天且温室内最低气温为 以下样本出现 在 年 其中 年 月 日 室外最低气温 下降至 以下 温室内最低气温为 达到轻 度低温冷害指标 月 日 室外最低气温下降至 温室内最低气温为 达到中度低温 冷害指标 年阴天过程未出现温室内低于 的样本 图 综上 鲁中地区春季无冷害 秋季冷害一般出现 图 年 和 年 鲁中地区秋季 阴天温室内 外最低气温变化 在 连阴天 含连阴转晴后的第一日 的情况下 根据 年典型案例 室外最低气温 为 秋季 连阴天过程的轻度冷害预警指标 为中度冷害指标 冬季 晴天 冬季晴天观测样本为 个 温室内 外最低气 温为显著的线性关系 线性趋势方程 为温室外最低气温 为 温室内最低气温 下同 由方程计算温室内可能出 现轻度冷害 最低气温为 时对应的温室外最 低气温为 可能出现中度冷害 最低气温为 时对应的温室外最低气温为 图 但由于冷害样本数较少 拟合方程代表性 较差 因此进一步将温室外最低气温以 为步长 进行分段 分析不同温度段内样本温室内最低温度 气象与环境学报第 卷 分布特征表明 样本中温室内可能出现轻度冷害对应的温室外最低气温为 依据 保 图 年 月至 年 月鲁中地区冬季晴天 多云 阴天 温室内 外最低气温关系 证率安全的分析方法 其中第 百分位的样本对应 温室内可能出现中度冷害对应的温室外最 低气温为 其中第 百分位的样本对 应 多云 冬季多云天气观测样本为 个 温室内 外最 低气温为显著的线性关系 线性趋势 方程 由方程计算温室内可 能出现轻度冷害时对应的温室外最低气温为 可能出现中度冷害时对应的温室外最低 气温为 图 分析温室外最低气温不 同区间对应的样本数分布特征表明 样本中温室内 可能出现轻度冷害对应的温室外最低气温为 其中第 百分位的样本对应 温室 内可能出现中度冷害对应的温室外最低气温为 其中第 百分位的样本对应 阴天 冬季阴天观测样本为 个 温室内 外最低气 温为显著的线性关系 线性趋势方程 由方程计算温室内可能出现 轻度冷害时对应的温室外最低气温为 可能 出现中度冷害时对应的温室外最低气温为 图 分析温室外最低气温不同区间对应的样 本数分布特征表明 样本中温室内可能出现轻度冷 害对应的温室外最低气温为 其中第 百分位的样本对应 温室内可能出现中度冷 害对应的温室外最低气温为 其中第 百分位的样本对应 其中冬季 阴天 共出现 次过程 年 年 年鲁中地 区冬季 阴天过程的温室内 外最低气温变化见 图 由图 可知 当温室外最低气温 时 温 室内最低气温会出现低于 的现象 达到轻度冷 害等级 由于个例中未出现 的样本 无法根据 个例分析中度冷害预警指标 由冬季阴天温室内 外最 低气温关系模型可知 当外界最低气温降低 温室内最低气温可能降低 因此 第 期陈辰等 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 图 年 年 年 鲁中地区冬季 阴天温室内 外最低气温变化 阴天天气 当温室外最低气温降至 左右时 温室 内最低气温可能降至 左右 达到中度冷害指标 冷害天气预警指标 日光温室喜温蔬菜冷害一般出现在当年 月 至次年 月 主要影响因素为温室外最低气温和光 照条件 不同季节 不同天气类型的天气预警指标 不同 根据 保证率安全法统计结果 结合个例 分析 确定冬季冷害的天气预警指标主要为室外最 低气温 其不同天气类型的指标值 晴天轻度冷害为 中度冷害为 多云轻度冷害为 中度冷害为 阴天轻度冷害为 中度冷害为 连阴天 含连阴转 晴后的第一日 轻度冷害为 中度冷害为 年 月至 年 月鲁中地区日光 温室喜温蔬菜冷害天气预警指标见表 表 年 月至 年 月鲁中地区日光温室 喜温蔬菜冷害天气预警指标 季节天气类型 轻度冷害预警 指标室外最 低气温 中度冷害预警 指标室外最 低气温 晴天 秋季多云 阴天 阴天 含连阴 转晴后的第一天 晴天 冬季 多云 阴天 阴天 含连阴 转晴后的第一天 晴天 春季多云 阴天 预警指标检验 利用 年 月至 年 月莱芜区两个生 长季内温室内 外观测资料及灾害调查资料对指标 进行检验 表 由表 可知 统计时段内温室内 最低气温低于 的样本共 个 均发生在冬季 春 秋季无冷害发生 个样本对应的温室内 外最 低气温均达到冷害预警指标 占温室内达到冷害指 标样本数的 其中晴天和阴天的占比分别为 和 多云天气样本数较少 占比为 达 到中度冷害的样本数占比为 表 表 年 月至 年 月莱芜区温室两个 生长季冷害天气预警指标检验 天气类型 温室内最低气温 达到低温冷害的总 样本数 中度冷害 样本数 个 温室内 外最低气温 均达到低温冷害指标 的样本数 中度冷害 样本数 个 晴天 多云 阴天 总计 结合冷害天气预警指标 随机开展实地调查 年 月 日鲁中大部分地区天气晴 最 低气温为 淄博 济南等部分地区的日 光温室出现了低于 的低温 年 月 日鲁中大部分地区天气晴 最低气温低于 部分未采取临时加温处理的日光温室出现了 以 下的低温 植株出现叶片萎蔫等症状 表明该指标可 满足该地区日光温室的冷害天气预警应用 结论与讨论 鲁中地区日光温室内最低气温是作物生长 的主要影响因子 不同季节 不同天气条件下 温室 气象与环境学报第 卷 内最低气温与温室外最低气温均有显著的相关关 系 温室内最低气温多出现在早晨揭帘前后 晴天及 多云条件下多为 或 前后 阴天时相对 较晚 多出现在 前后 晴天温室内 外最大温 差及气温日较差最大 多云次之 阴天最小 鲁中地区日光温室喜温蔬菜冷害一般出现 在当年 月至次年 月 主要影响因素为温室外最 低气温和光照条件 春季无冷害发生 秋季冷害以 寡照型天气为主 一般出现在 连阴天 含连阴 转晴后的第一日 情况下 冬季冷害天气类型为低 温型和寡照型 晴天 多云 阴天 种天气均可出现 天气预警指标为室外最低气温 温室作物生长受外界条件影响较大 冷害是 主要灾害之一 很多研究利用人工气候箱试验观测 结果获得冷害指标或采用温室内观测资料构建冷害 预警模型 本文考虑到天气预警指标更容易获取和 应用 以鲁中地区秋冬季 种天气类型下的温室外 最低气温为冷害预警指标 并划分不同季节及不同 天气条件 具有一定适用性 年 月至 年 月鲁中地区的中 度冷害样本数量有限 尤其是阴天日数 以上的 样本过少 会影响指标的统计结果 此外 实际生产 中 温室内温度受外部风速 辐射 温室结构与保温 材料 人工管理措施等因素影响 温室作物的冷害程 度与作物所处发育期 植株生长状况等密切相关 另外 不同类型冷害影响作物的机理存在差异 如寡 照不仅影响温室内蓄热及温度 还会减弱作物光合 作用等生理过程 本文仅分析了造成冷害的 指标 并未结合低温冷害的作物生理生长变化 比如 随阴天日数的累积 低温和寡照对作物生长的影响 会发生改变 需结合小气候 作物生理过程等方面的 观测 进一步分析温室喜温蔬菜低温冷害指标 参考文献 王月 李辑 焦敏 等 中国大范围极端低温事件的特 征分析 气象与环境学报 李煜姗 李平 杨再强 等 低温寡照影响番茄幼苗根 系有机酸代谢和养分吸收 中国农业气象 张艳艳 赵玮 杨帅 等 红颜 草莓果实生长与光热 条件的关系 干旱气象 刘雪梅 尚庆茂 张志刚 辣椒不同品种种子萌芽期耐 低温性及评价方法研究 中国生态农业学报 于红 宫志宏 李春 等 夜间低温对温室番茄及黄瓜 苗期生长的影响 北方园艺 张淑杰 孙立德 马成芝 等 日光温室番茄低温冻害 指标确定及温度预报模型建立 气象与环境学报 王丽娟 李天来 李国强 等 夜间低温对番茄幼苗光 合作用的影响 园艺学报 赵和丽 杨再强 低温和寡照单因素胁迫对温室黄瓜 叶片光合 器官干物质分配及果实品质的影响 北 方园艺 江梦圆 杨再强 王明田 等 花期低温寡照对番茄植 株生长及果实发育的影响 江苏农业科学 张瑛 张甜 王艳 等 设施瓜果类蔬菜耐低温冷害研 究进展 江苏农业科学 王孝卿 李楠 薛晓萍 寿光日光温室小气候变化规律 及模拟方法 中国农学通报 魏瑞江 王西平 常桂荣 等 连阴天气塑料日光温室 内外温度的关系及调控 中国农业气象 魏瑞江 王春乙 范增禄 石家庄地区日光温室冬季小 气候特征及其与大气候的关系 气象 李石 张菁 张淑杰 等 沈阳地区日光温室内最低气 温变化特征及其预报模型研究 气象与环境学报 李楠 薛晓萍 张继波 等 日光温室黄瓜低温冷害预 警模型构建技术研究 山东农业科学 李美荣 刘映宁 赵军 等 陕西省关中地区大棚蔬菜 低温冻害预报服务方法 干旱地区农业研究 孙东磊 魏瑞江 王鑫 等 冀中 寿光五代 温室番茄 冻害气象指标及时间变化特征 气象与环境学报 李楠 陈辰 张继波 等 近 年山东省日光温室番茄 低温冷害发生规律研究 山东农业科学 柳芳 陈思宁 黎贞发 低温对天津日光温室黄瓜产量 的影响 气象与环境科学 刘可群 黎明锋 杨文刚 等 大棚小气候特征及其与 大气候的关系 气象 李文科 陈辰 李楠 等 不同天气状况下日光温室气 温与外界气象条件定量关系 湖北农业科学 杨欢欢 设施蔬菜应对冬季恶劣天气措施分析 中 国果菜 董在成 王锐竹 李海燕 等 冬季设施蔬菜应对连阴 雨雪雾霾天气技术措施 天津农林科技 第 期陈辰等 鲁中地区典型日光温室喜温蔬菜冷害预警指标研究 段若溪 姜会飞 农业气象学 北京 气象出版社 魏瑞江 日光温室低温寡照灾害指标 气象科技 毛留喜 魏丽 特色农业气象服务手册 北京 气 象出版社 马凤莲 魏瑞江 王鑫 等 日光温室黄瓜生长积温研 究 气象与环境学报 孙秋良 王贤 蔬菜冬季栽培新技术 北京 科学 技术文献出版社 贺红梅 高蓉 包振贤 白银市大棚蔬菜低温冻害预报 指标研究 陕西农业科学 张传坤 魏珉 刘福胜 等 日光温室夜间后墙不同高 度放热量差异的理论分析 中国农业大学学报 吴春艳 赵新平 郭文利 日光温室作物热环境模拟及 分析 农业工程学报 王英师 陈建中 陈永杰 揭帘 盖帘时间与日光温室 内气温变化的关系 湖北农业科学 刘璎瑛 丁为民 张剑锋 日光温室保温帘揭盖时间的 确定 农业工程学报 张继波 薛晓萍 李楠 等 持续寡照对温室番茄开花 座果 产量及果实品质的影响 气象与环境学报 熊宇 刁家敏 薛晓萍 等 持续寡照对冬季日光温室 黄瓜生长及抗氧化酶活性的影响 中国农业气象