吉林省日光温室蔬菜冻害预警模型.pdf

现代农业科技 2023年第12期资源与环境科学 吉林省日光温室蔬菜冻害预警模型 苏丽欣1 2 韩亚东3 王美玉1 2 高枞亭1 2 1吉林省气象科学研究所 吉林长春 130062 2长白山气象与气候变化吉林省重点实验室 吉林长春 130062 3沈阳农业大学 辽宁沈阳 110866 摘要 本文利用1980 2013年吉林省26个国家气象站气温资料 结合日光温室冻害指标 分析了吉林省 冬季日光温室冻害的时空分布和类型特征 通过温室内 外气象要素对比观测试验资料 建立了基于能量平衡且 符合吉林省日光温室主要结构的日光温室冻害预警模型 结果表明 对 于 同 一个日光温室 夜间温室内气温的 变化与室外气温的变化有很好的相关性 对 于 同 一种类型的日光温室来说 如果管理方式相同 统计模型也有很 好的预测效果 关键词 日光温室 冻害 预警模型 能量平衡 吉林省 中图分类号 S425 文献标识码 A 文章编号 1007 5739 2023 12 0166 04 DOI 10 3969 j issn 1007 5739 2023 12 041 开放科学 资源服务 标识码 OSID 近年来 设施农业在吉林省农业生产中所占的比 重逐渐增大 已经逐步成为吉林省现代农业发展不可 缺少的一种产业形态 通过日光温室的使用 吉林省 实现了蔬菜由季节性生产到周年生产的跨越 丰富了 城乡居民的菜篮子 成为农民增收的重要途径 但是 日光温室蔬菜生产受天气条件的影响很大 低温冻害 是吉林省设施农业的主要气象灾害之一 国内已有的研究主要有冻害类型与区划为主的 指标研究 张索铁等 1 对2011 2012年冬季公主岭地 区发生的日光温室蔬菜 番茄和青椒 冷 冻害的监测 和分析认为 公主岭地区温室蔬菜冻害分为寒潮强低 温和持续低温寡照2种类型 初步建立当地温室番茄 和青椒冷 冻害温度指标 孙智辉等 2 利用30年实测 气象资料 对延安市进行了冻害区域划分 以 最低气 温 20 作为温室可能发生冻害的指标 李 美荣等 3 分析了泾阳关中地区大棚蔬菜低温冻害的时间分布 特点 通过对蔬菜大棚内外温度观测 建立了不同天 气类型下棚内 外最低温度的回归模型 确定了大棚 蔬菜低温冻害的气象预报指标 并提出了不同低温冻 害等级下的防御对策 目前 关于预警指标模型的研究较少 而低温冻 害预警指标直接影响预警发布 因而有必要系统地研 究符合吉林省气候条件的蔬菜低温冻害指标 针对不 同结构日光温室建立预警指标模型 为农户提供优质 的农业气象服务 本研究通过统计分析吉林省不同 地区的气候条件 采用能量平衡方法建立日光温室内 温度与室外辐射 气温以及风速的关系模型 通过试验 构建日光温室蔬菜的冻害预警模型 1 资料与方法 1 1 日光温室概况 吉林省和辽宁省都处于东北地区 气候背景比较 接近 因而试验地点选在沈阳农业大学科研教育基地 辽沈 型日光温室 条件比较完善 东西走向 温室 内部东西长60m 南北跨度8m 脊高3 5m 北墙高 2 6m 厚度为0 5m 南 北 方 向 截 面面积约为18m2 北墙为40cm红砖墙 10cm苯板的外表面覆有一薄层 水泥表面的复合墙 后坡结构为2cm 胶合板 10cm 苯板 13cm炉渣 沥青油毡外表面 前坡覆盖透光塑 料薄膜 夜间加盖2cm厚的保温棉被 1 2 测定方法 使用HOBO温湿度数据采集器测定日光温室室 内外气温 一 个采集器挂在日光温室内部中央1 2m 基金项目 中国气象局关键技术项目 CMAHX20160309 沈阳大气环境研究所区域合作项目 2020SYIAE HZI 吉林省气象局项目 201911 201706 作者简介 苏丽欣 1980 女 黑龙江齐齐哈尔人 硕士 高级工程师 从 事 天 气气候等方面的研究工作 收稿日期 2022 10 28 166 高度处采集室内气温 另一个采集器挂在室外相同高 度处 并将2个仪器进行遮光处理 采集数据间隔为 5min 利用CYRD 4温度自动记录仪测量土壤 墙 体内部及表面的温度 将 记 录 仪 装 置 的 探 头 放 置 在 相 应的测量位置 温度受太阳辐射影响较大的测量位置 做遮光处理 记录数据间隔为5min 使用 RR 7160 土壤热通量测量系统测量各表面热通量 将 热 通量板 固定在测量位置 记录数据间隔为5min 1 3 资料来源与分析方法 气象资料主要为吉林省26个国家气象站1980 2013年逐日的气温资料 来 自 吉林省气象信息中心 选取1980 2010年 11月至次年3月冬半年日最低 气温资料 计算得到吉林省26个站点冬半年日最低 气温均值矩阵 计算其相关系数矩阵 并利用公式筛 选符合条件的特征值及对应的特征向量 i i 1 i 2n 式中 i为第i个特征向量 n表示第n年 考虑业务应用 本研究中以室外最低气温低于界 限温度作为判断低温冻害的指标 如果室外最低气温 低于界限温度 那么室内可能发生冻害 在对以往研 究数据进行统计分析的基础上 结合吉林省的气候特 点 确定三级冻害指标 1 日最低气温 22 为重 度 22 日最低气温 20 为中度 20 日最 低气温 18 为轻度 采用了EOF等统计方法进 行数据分析 2 结果与分析 2 1 吉林省冬半年气温和冻害分布特征 2 1 1 最低气温分布 吉林省不同地区气候条件不同 热量资源也不 同 依据吉林省多年各站点11月至次年3月平均日 最低气温 统计分析吉林省不同地区冬半年日最低气 温分布特征 表 1为1980 2010年吉林省26个站点冬半年 日最低气温均值数据计算出的特征值及其方差贡献 率 筛选出4个特征值分别为23 146420 1 486427 0 705096 0 386404 其累积方差贡献率达 85 以 上 说明全省多数年份冬半年气温的分布趋势一致 由吉林省冬半年日最低气温均值对应的4个特 征向量的空间分布和时间系数随时间变化的分布可 知 吉林省最低气温第一模态都为正值 辽源 梅河 口 四平 双阳 双辽 长岭 乾安 大安 双阳 蛟河 桦 甸 磐石等站数值较大 由大值中心分别向西 向东 向南递减 由时间系数可知 1984年 1989 1991年 2004 2009年共 10年均属于第一模态类型 1980 1981 年 1986 年 1994 1997 年 2001 2003 年 2010年共11年与图中类型相反 由此可见 吉林省 多数年份最低气温呈现出一致的变化趋势 9年增温 11年降温 说明最低气温没有明显增加 吉林省西北 地区与东南地区冬半年最低气温的分布为正 负 正类型 1987年最低气温趋于特征向量第一模态分 布 1982年相反 第二模态出现2年 分 别 以 反 相 出 现 吉林省冬半年最低气温的较小值分布在吉林省 的西北部 中北部及东部地区 其他地区为正值 1999年最低气温趋向于第三特征向量模态分布型 1985年 1993年 2000年与第三特征向量模态分布型 相反 均属于北负南正分布的格局 第三模态共出现 4年 其中3年反相出现 多数地区气温降低趋势 吉 林省西北地区与东部地区的冬半年最低气温特征向 量值为负 吉林省中部地区为正 属于负 正 负类型 1988 年最低气温趋于第四特征向量分布 1983 年 1992年 1998年最低气温趋于第四特征向量反相分 布 第四模态共出现4年 其中3年反相 降温趋势 比增温趋势数值偏大 吉林省冬半年最低气温分布 类型中 降温趋势的年份多于增温趋势的年份 当东 北气候增暖 4种分布类型中最低气温没有增加的趋 势 因此 室 外 最低气温并不稳定 对日光温室室内 气温的预测依然需要以实时室外预报为基础 通过室 内外温度的机理模型来预测室内温度 4 5 2 1 2 低温冻害类型特征分析 分析了吉林省26个站点1980 2013年11月至 次年3月不同程度冻害出现的频数 图1 三岔河为现 扶余 可以看出 3月和11月冻害次数最少 2月和 12月其次 1月冻害出现的次数最多 多数都为重冻 害类型 只有四平 和龙 延吉和集安重度冻害出现次 数相对较少 从图1 a 中还可以看出 12月至次年 2月重度冻害出现频次最多的台站有蛟河 磐石 靖宇 表1 吉林省冬半年气温特征值及累计方差贡献率 特征值 23 146420 1 486427 0 705096 0 386404 方差贡献率 85 727470 5 505286 2 611465 1 431128 累计方差贡献率 85 727470 91 232760 93 844220 95 275350 苏丽欣等 吉林省日光温室蔬菜冻害预警模型 167 现代农业科技 2023年第12期资源与环境科学 和松江 即松江河 图 1 b 是中度冻害出现频数 与图1 a 规律相似 1月中度冻害出现频数最多 其 次为12月和11月 3月和11月中度冻害出现次数 最少 四平 靖宇 和龙和集安中度冻害较少 轻度冻 害频数3月和11月在 2次以内 12月至次年1月多 数为3 5次 见图1 c 双辽 白城 大安和乾安轻度 冻害出现次数超过5次 从冻害出现总频数上可以 看出 1月是出现冻害最多的月份 其次是12 月和 2 月 3月和11月冻害出现频数较低 多在5次以下 见图1 d 结合吉林省冬半年最低气温出现的频数 特点 有必要对吉林省日光温室蔬菜冻害预警模型进 行构建 长春 白城 大安 乾安 前郭尔罗斯 三岔河 农安 双辽 四平 双阳 永吉 蛟河 敦化汪清辽源 磐石 梅河口 靖宇 东岗 松江 和龙 延吉 通化 临江 集安 长白 11月 3月 12月 2月 1月 长春 白城 大安 乾安 前郭尔罗斯 三岔河 农安 双辽 四平 双阳 永吉 蛟河 敦化汪清辽源 磐石 梅河口 靖宇 东岗 松江 和龙 延吉 通化 临江 集安 长白 长春 白城 大安 乾安 前郭尔罗斯 三岔河延吉 通化 临江 集安 长白 长春 白城 大安 乾安 前郭尔罗斯 三岔河延吉 通化 临江 集安 长白 11月 3月 12月 2月 1月 11月 3月 12月 2月 1月 农安 双辽 四平 双阳 永吉 蛟河 敦化汪清辽源 磐石 梅河口 靖宇 东岗 松江 和龙 农安 双辽 四平 双阳 永吉 蛟河 敦化汪清辽源 磐石 梅河口 靖宇 东岗 松江 和龙 11月 3月 12月 2月 1月 a b dc 注 a b c分别为重度 中度 轻度冻害出现频数 d为所有冻害总频数 图1 1980 2013年各站点不同程度冻害出现的频数 2 2 吉林省日光温室蔬菜冻害预警指标和模型 日光温室是一个半封闭的系统 围护结构主要起 到保温作用 不 同 蔬菜对室内环境要求不同 通过能 量平衡可计算出室内温 湿度与室外气象要素之间的 关系 因此 根据日光温室外的天气预报 可预报出 日光温室内的最低温度及持续时间 再根据不同蔬菜 耐低温冻害的能力作出预警 但是 因为棚室内 外 最低温度出现时间和低温持续时间并不一致 所以可 构建能量平衡方程 采用对主要分量进行估算的方 法 预测室内低温强度 持续时间 对照蔬菜作物低温 冻害指标开展低温冻害预警 此外 可根据室内 外 温度建立统计模型 预测室内最低温度 2 2 1 日光温室内气温热量平衡模型 预测室内气温 以 低 于 室 内 蔬菜冻害指标 表 2 时的室外气温为气象业务上的冻害预警指标 不同 作物或者同一种作物不同的日光温室冻害预警指标 时间不相同 冻害预警指标也不同 因此 建立日光 温室室内气温预测模型 根据室内温度和蔬菜品种对 温度的需求 当室内温度达到蔬菜发生冻害的最低界 限温度时 对应的室外温度及发生时间作为蔬菜日光 温室冻害预警指标 1 室内空气热平衡方程 室内空气主要与地 面 后坡 墙体和透光覆盖面进行对流换热 其温度随 着能量的转移而变化 动态平衡关系式为 168 CaV tin tin 0 c1F1 t1 tin c2 F2 t2 tin c3F3 t3 tin c4 F4 t4 tin 式中 tin为室内空气温度 t in 0为室内空气上 一时刻气温 t 1 t 2 t 3 t 4 分别为地面 覆盖面 后 坡 墙内表面温度 为空气密度 kg m3 C a 为空 气比热 kJ kg V为温室容积 m3 为 300s F1 F2 F3 F4分别为地面 覆盖面 墙体 后坡内表面积 m2 c 1 c 2 c 3 分别为室内空气与地面 覆盖面 墙 体 后坡间的湍流交换系数 W m2 2 棚面 后坡热平衡方程 将一个物体内部划 分几个计算点 相当于网格点 其中线上的节点表示 接触面 棚面由外表面防水布 节点0 保温被 节点 1 3 透光薄膜 节点4 组成 后坡热平衡由外表面 油毡 节点0 锅炉渣 节点1 3 苯板 节点4 6 和 胶合板 节点7 9 组成 方程如下 c t 2t x2 q 2 2 2 日光温室内气温统计预测模型 模型建立如下 Tin ain cinc ou aou cinc ou Tou 式中 Tin Tou为室内 外气温 ain aou为室内 外气 温初始值 cin cou为室内气温斜率与室外气温斜率的 比值 当cin cou近似为常值时 由室外的预测值可以 得到室内任一时间的气温值 2 2 3 统计模型验证 以2017年 12月 8日实测值作为土壤 后墙 后 坡及棚面和室内空气表面换热系数的参数模拟校正 日 当参数确定后 选取初值为19 00土壤和墙体表 面热通量 土壤 前棚 前坡和墙体表面温度 室内气 温 室外气温 各材料物理参数 以室外19 00至次 日7 00预报温度为已知 通过模型来预报室内气温 用室外实测气温作为预报温度来模拟室内气温 并与 实测气温进行对比 模型检验日期为2017 年 12 月 9日 10日及2017年4月1日 2017年 12月 9 日不同位置模拟值与实测值对 比 结果表明 模拟值与实测值误差多数在1 之内 坡内表误差超过1 2017年12月 10日模拟值和 实测值误差较小 都在1 之内 对2017年4月1日 的模拟值和实测值在19 00 19 25有较大波动 之 后误差在1 2 以内 图2为cin和 cou不同日期数值 及其比值状况 可以看出 cin cou比较稳定 均值为 1 198 代入公式中 选取1月10日 1月17日 1月 18日 1月 19 日 1 月 22日 1月 25 日 1 月 26日 1 月29日 1月30日进行验证 图3 22d平均误差 0 5 因此 统计模型有很好的预测效果 2 2 4 2种模型评价 热量平衡模型为机理模型 对给定日光温室的材 料及相关参数 可以通过盖帘后的室内 外温度及室 外夜间温度来预报室内的气温 统计模型简单 对于 固定的日光温室 需要计算出室内气温 室外气温及 二者的关系 对于同一种类型的日光温室来说 夜间 日光温室内气温的变化与室外气温的变化有很好的 下转第183页 表2 不同蔬菜叶温发生冻害的最低界限温度 蔬菜 番茄 茄子 青椒 黄瓜 菠菜 最低界限温度 5 10 12 8 8 蔬菜 芹菜 白菜 韭菜 茼蒿 萝卜 最低界限温度 5 5 2 8 8 单位 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 12 0 14 0 16 系 数 1 4 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 比 值 201 7 0 1 1 0 201 7 0 1 1 2 201 7 0 1 1 4 201 7 0 1 1 6 201 7 0 1 1 8 201 7 0 1 2 0 201 7 0 1 2 2 201 7 0 1 2 4 201 7 0 1 2 6 201 7 0 1 2 8 201 7 0 1 3 0 日期 cin cou cin cou 1 2 图2 不同日期cin和cou及其比值状况 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 气 温 19 00 20 00 21 00 22 00 23 00 0 00 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 时间 2017 01 10 2017 01 10 2017 01 17 2017 01 17 2017 01 18 2017 01 18 2017 01 19 2017 01 19 2017 01 22 2017 01 22 2017 01 25 2017 01 25 2017 01 26 2017 01 26 2017 01 29 2017 01 29 2017 01 30 2017 01 30 注 表示模拟值 其余为实测值 图3 不同日期室内实测值与模拟值比较 苏丽欣等 吉林省日光温室蔬菜冻害预警模型 169 州特色的民俗文化 历史文化 美食文化 运河文化等 深入融合 例如 打造稻渔生态博物馆 农 渔 耕文 化馆 展现宣传农 渔 耕文化发展历史 举办农耕文 化节庆 非遗博览会 展示农 渔 耕民俗 将 插 秧 号 子 17 渔歌 打 渔 令 等文化遗产在稻田唱响 开发 文化体验项目 让游客体验插秧收割 出湖捕鱼等传 统劳作方式 积极申报 渔民习俗 为扬州市非物质文 化遗产 研创富有 农 渔 耕文化 和 扬州味道 的特色 文创产品 18 促进传统文化 农 渔 耕文化 农村文化的 传承与保护 提升 好 地 方 新 农 村 建 设 的 文 化 品 位 4 参考文献 1 朱凌宇 张家宏 寇祥明 等 江苏里下河地区 一稻两虾 共作模式生产技术规程 J 湖北农业科学 2017 56 15 2811 2813 2 张家宏 叶浩 朱凌宇 等 江淮地区 一稻三虾 综合种养 绿色生产技术 J 湖北农业科学 2019 58 8 110 113 3 姚义 谢成林 陆佩玲 等 扬州市稻田高效种养模式应用 现状及发展对策 J 中国稻米 2017 23 5 28 31 4 莫渟 王颖 姚义 等 城郊型稻田综合种养模式的实践与 思考 J 湖北农业科学 2019 58 4 20 24 5 吴俊 王桂良 张家宏 等 高邮市稻田农业面源污染防治 示范及成效分析 J 浙江农业科学 2017 58 5 882 884 6 叶浩 张家宏 徐卯林 稻虾综合种养产业发展存在的问 题及对策研究 以江苏省扬州市为例 J 农业科技管理 2021 40 5 63 65 7 孙益豪 张家宏 金涛 江苏省稻田综合种养现状 存在的 问题与对策 J 农业展望 2021 17 11 33 39 8 田洁 董长生 张玉华 等 扬州市广陵区稻田综合种养发 展现状及对策 J 安徽农业科学 2022 50 3 74 75 9 唐建军 李巍 吕修涛 等 中国稻渔综合种养产业的发展 现状与若干思考 J 中国稻米 2020 26 5 1 10 10 赵江海 闵思桂 高 汝 霞 等 高 邮 市 稻田综合生态种养 现状及发展对策 J 现代农业科技 2020 11 221 222 11 张凯淳 种养加销一体化生态循环农业模式中各主体利 益联结机制研究 D 大庆 黑龙江八一农垦大学 2020 12 车阳 程爽 田晋钰 等 不同稻田综合种养模式下水稻 产量形成特点及其稻米品质和经济效益差异 J 作物学 报 2021 47 10 1953 1965 13 张家宏 一稻三虾 绿色高效生态种养模式图 M 南京 江苏凤凰科学技术出版社 2019 14 中国稻渔综合种养产业发展报告 2020 J 中国水产 2020 10 10 19 15 隆斌庆 陈灿 黄璜 等 稻田生态种养的发展现状与前 景分析 J 作物研究 2017 31 6 607 612 16 朱凌宇 王守红 何榕 等 三生融合 视角下江淮生态 大走廊水生态文明建设初探 以 扬 州 为 例 J 环境与可 持续发展 2021 46 4 58 63 17 袁野 冯凌燕 扬州田秧号子的当代传承与发展探究 J 四川戏剧 2019 12 111 114 18 马顺圣 陈京都 唐建鹏 等 江苏省扬州市优质稻米产 业发展现状与对策 J 江苏农业科学 2021 49 21 28 32 上接第169页 相关性 如果管理方式相同 统计模型也有很好的预 测效果 但是不同季节 不同天气需要建立多个模型 3 结论 1 根据室外日最低气温分析了吉林省1980 2013年11月至次年3月不同站点的低温冻害类型特 征 全省平均以重度冻害为主 其次为中度和轻度 冻害 从月份上看 12月至次年2月冻害月分别为 15次 23次 13次 而11月和3月月平均都不到2次 2 建立了吉林省主要蔬菜日光温室冻害预警模 型 根据室内温度和蔬菜品种对温度的需求 当室内 温度达到蔬菜发生冻害的最低界限温度时 以 对 应 的室外温度及发生时间作为蔬菜日光温室冻害预警 指标 3 以 19 00的土壤表面温度 土壤热通量 室内 外气温 墙体表面温度和热通量值作为初值 在室外 预报气温为已知情况下 构建了19 00至揭帘前日光 温室室内气温预测模型 对于同一种类型的日光温 室来说 如果管理方式相同 统计模型也有很好的预 测效果 但是不同季节不同天气需要建立多个模型 4 参考文献 1 张索铁 庞义 丁志勇 等 公主岭市温室蔬菜冻害监测分 析及其灾害指标初探 J 安徽农业科学 2013 41 30 12093 12094 2 孙智辉 李宏群 郑小阳 延安日光温室冬季低温冻害天 气分析与预报 J 中国农业气象 2005 26 3 197 199 3 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 J 干旱地区农业研究 2007 25 5 204 207 4 王美玉 王冬妮 郭春明 等 三种热量指数预测方法在热 量年型预测中的应用 J 东北农业科学 2018 43 1 51 58 5 韩勇 武欣怡 杨倩楠 2000 2019年我国农业气象灾害 灾情特征分析 J 现代农业科技 2022 12 133 137 朱凌宇等 稻渔综合种养产业发展现状及提升路径研究 以扬州市为例 183