日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用_赵华.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 山东省气象局气象科学技术研究青年项目 山东省气象局科学技术研究重点项目 和 山东省气象局气象科学技术研究面上项目 共同资助 作者简介 赵华 女 年生 工程师 主要从事气象服务与应用气象研究 通信作者 李树军 男 正高级工程师 赵华 高晓梅 李树军 等 日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用 气象与环境学报 日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用 赵华 高晓梅 李树军 袁静 封雅琼 潍坊市气象局 山东潍坊 摘 要 利用 年潍坊昌乐庵上湖设施农业智慧气象服务示范点日光温室西瓜试验观测资料 采用模糊数学理 论 构建了日光温室西瓜的气温 空气湿度 太阳辐射 地温和气温日较差 种要素的综合适宜度定量评价模型及评价指标 对 日光温室西瓜 年历史小气候条件进行了评价分析 应用受试西瓜样本的实际产量 品质以及典型灾害天气过程验 证了模型并评价了指标的适用性 结果表明 五种要素综合小气候适宜度指数与综合品质指数拟合优度 为 明显 优于 种要素综合小气候适宜度指数与综合品质指数拟合优度 为 说明建立的适宜度模型及评价指标能够很好 的表征日光温室西瓜生长发育过程中小气候环境的适宜性 日光温室西瓜小气候适宜度随生长发育呈增加趋势 从坐果期至 成熟期小气候适宜度高于移栽期和幼苗期 关键词 西瓜 日光温室 适宜度 中图分类号 文献标识码 引言 昌乐西瓜作为潍坊特色产品之一 以早熟 皮 薄 沙瓤和脆甜的品质享誉全国 也让昌乐成为全国 知名的西瓜主产区 随着现代农业结构的调整和优 化 日光温室西瓜的栽培面积越来越大 日光温室 西瓜生产成为昌乐县设施农业的主要产业 也是促 进当地乡村振兴发展的主要支柱 日光温室西瓜的优质高产在极大程度上受到温 室内小气候条件的影响 其生长状况对小气候要素 的响应主要体现在热量 水分和光照等方面 热量 通过日光温室内气温和地温影响西瓜生长 通过气 温日较差影响西瓜的糖分 水分和光照则主要通过 影响日光温室内空气相对湿度和太阳辐射强度来对 西瓜产量与品质产生影响 但目前对于日光温室西 瓜生长的气象条件定量评价尚未形成 国内外学者 针对气候适宜度研究已有一定的基础 不同学者针 对不同作物建立了多种的适宜度模型并进行针对性 改进 对冬小麦 玉米 水稻 等粮油作 物已经形成了气候适宜度评价评估技术 并逐渐向 产量预报 发育期预报 气候风险评估与区 划 等领域延伸 但适宜度评价研究针对大田 经济作物及露天林果方面居多 有关设施农业 小气候适宜度定量评价模型报道较少 近年来 国内针对日光温室内小气候适宜度也作了相关研 究 魏瑞江等 基于模糊数学理论 构建了日光温室 内光 温 湿三要素的小气候适宜度模型 该模型具 有明确的物理意义 能够很好地评价温室内光 温 湿小气候条件对作物生长发育与产量的适宜程度 在温室小气候环境监测评价业务应用与研究中被广 泛应用 李楠等 在魏瑞江三要素小气候适宜度模 型基础上 增加了 地温要素 构建了基于日光 温室内光 温 湿和地温的四要素小气候适宜度定量 评价模型 进一步提高了设施农业气象服务的技术 水平 在日光温室小气候适宜度评价研究中 不同作 物种类和品种对气象条件的需求各不相同 需针对 地区 作物对适宜度模型及指标进行本地化订正 目前日光温室西瓜小气候适宜性定量评价研究几近 空白 尤其农户关注的西瓜品质与气象条件之间的 关系 还需进一步探讨 因此 开展日光温室西瓜小 气候适宜度定量评价研究对拓宽小气候适宜度的外 延有积极意义 可为农户提供日光温室西瓜各生育 期的小气候条件跟踪式定量评价 为其科学调控日 光温室小气候环境 趋利避害 进一步挖掘西瓜生产 潜力提供理论支撑 第 期赵华等 日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用 资料与方法 数据来源 所用资料为 年在山东省潍坊市昌乐 县庵上湖村潍坊设施农业气象服务示范点西瓜日光 温室内的设施农业小气候站观测资料 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 海拔高度为 日光温室南北宽 东西长 高 后 墙和东西墙为土墙 墙体厚 棚膜厚为 设施农业小气候站在棚内中间部位布设 观测按照 国家标准 设施农业小气候观测规范日光温室和塑 料大棚 进行 本文所用气 象观测资料包括日光温室内气温 空气相对湿度 太 阳辐射 地温等逐时观测资料 供试西瓜选取当地主栽冰糖翠玉 全美 等生 长习性相似品种 种植密度为 株 西瓜于 当年播种育苗 月中上旬至次年 月移栽 全生育 期在 年共 期 于 月 日移 栽 年分期移栽试验共分为 期 分别为 年 月 日 年 月 日 年 月 日 年 月 日 年 月 日 年分期移 栽分为 期 分别为 年 月 日 年 月 日 年 月 日 西瓜成熟后采摘后拉秧时 测定受试样本的产量及品质数据 产量采取单瓜逐 个称重方式 单位为 保留 位小数 西瓜糖分采 用糖分检测器测定 每颗受试西瓜采集样本 次 保 留 位小数 分别记录 分析方法 日光温室西瓜每个生育期所需要的气象条件不 尽相同 结合前人对日光温室内小气候要素与西瓜 生长发育关系的研究 本研究引入对西瓜品质影 响较大的气温日较差因子 同时选取日光温室小气 候要素中的气温 空气相对湿度 太阳辐射和 地温作为适宜度模型因子 构建日光温室西瓜气温 空气相对湿度 太阳辐射 地温 气温日较差 五要素的复合因子适宜度模型 日光温室内的气温适宜度模型 本研究根据试验观测及专家 种植户调研 建立 健全了日光温室西瓜生长发育所需的温度指标 表 采用魏瑞江等 建立的温度适宜度模型 以 日光温室内全天 气温适宜度的平均值作为气温 适宜度日值 日光温室内空气湿度适宜度模型 西瓜具有耐旱不耐涝的特性 其正常生长发育 要求空气湿度保持在一定的范围 本研究采用魏瑞 江等 建立的日光温室内空气湿度适宜度模型 因 为夜间日光温室通风口关闭 日光温室内空气湿度 普遍保持在 以上的较高水平 对西瓜生长发育 的适宜性表征差异不大 所以本研究日空气湿度适 宜度以白天 各时刻空气湿度适宜度 的平均值作为日值 表 西瓜各发育期所需的最低气温 最适气温和最高气温 发育期最低气温最适气温最高气温 移栽期 幼苗期 伸蔓期 开花授粉期 坐瓜期 膨瓜期 成熟期 日光温室内太阳辐射适宜度模型 据李楠等 的研究成果 建立太阳辐射适宜度 模型 由于夜间日光温室内没有太阳辐射进入 且 冬季时段早晚气温较低 为维持日光温室内气温适 宜 作物免遭冻害 当地西瓜日光温室一般在 揭帘 盖帘 所以本研究日太阳辐射适宜度以 各时刻太阳辐射适宜度的平均值作为 日值 日光温室内地温适宜度模型 本研究采用李楠等 建立的日光温室内 地温适宜度模型 根据试验观测及专家 种植户调 研 确定日光温室西瓜生长发育所需的 地温 指标 表 表 西瓜各发育期所需的最低 地温 最适 地温和最高 地温值 时期最低 地温最适 地温最高 地温 移栽期 坐瓜期 膨瓜期 成熟期 日光温室内气温日较差适宜度模型 西瓜喜温耐热 生长发育对环境气温要求较高 尤其在糖分积累关键期 气温日较差的大小直接影 响西瓜糖分积累的多少 进而决定西瓜品质优劣 适宜的气温日较差 有助于有机物生成与消耗的差 气象与环境学报第 卷 值增加 含糖量提升 为定量表征气温日较差对西 瓜品质的影响 本研究引入气温日较差因子 来衡量 日光温室小气候条件对西瓜糖分累积的适宜程度 经试验观测 结合西瓜生长机理 采用普适性 函 数形式 建立日光温室西瓜气温日较差适宜度模型 见式 或 且 null null null null nullnull null nullnull 式 中 为日光温室内第 日的气 温日较差对西瓜生长发育的适宜度 为日光温室 内第 日的气温日较差 分别为西瓜糖分 累积发育期内所需的气温日较差最小 最大和最适 值 最适气温日较差为最适昼温与最低夜温之差 最高气温日较差为西瓜生长发育所需气温的上限与 下限值之差 日光温室综合小气候适宜度模型 西瓜果实含糖量是评价西瓜品质的重要指标之 一 单福成等 和杨玉梅等 研究发现 西瓜中主 要的可溶性糖是蔗糖 葡萄糖和果糖 在西瓜幼果 时期 就需要一定的气温日较差来保持白天光合作 用旺盛 夜间呼吸消耗维持在相对较低的水平 以保 证西瓜果实最大的糖分积累 因此本研究以西瓜开 始形成幼果 一般以西瓜幼果横纵径 左右始 计 至西瓜完全成熟采摘止 作为西瓜果实糖分累 积时期始末 考量气温日较差对西瓜果实糖分积累 的影响 在西瓜膨瓜期 成熟期两个糖分累积关键 期 增加气温日较差因子 采用等权重法建立综合小 气候适宜度模型 见式 日 日 日 日 移栽期至坐瓜期 日 日 日 日 膨瓜期至成熟期 null 式 中 为日光温室内某一日的综合小气候适宜 度指数 日为气温适宜度指数日值 日为空气湿度 适宜度指数日值 日为太阳辐射适宜度指数日值 日为地温适宜度指数日值 为气温日较差适宜 度指数日值 适宜度评价指标确定 对 年日光温室西瓜单要素和综合 适宜度的逐日适宜度指数数据集进行统计分析 采 用自然断点法和西瓜生长期内的典型灾害天气过 程 将气温 空气湿度 太阳辐射 地温 气温日 较差五个因子的适宜度指数以及五要素复合因子综 合适宜度指数进行三级分割 确定日光温室西瓜小 气候条件的不适宜 较适宜 适宜三级评价指标 表 和表 表 日光温室西瓜单要素小气候适宜度等级评价指标 要素气温空气湿度太阳辐射 地温气温日较差 不适宜 较适宜 适宜 表 日光温室西瓜综合小气候适宜度等级评价指标 发育阶段移栽期至坐瓜期膨瓜期至成熟期 不适宜 较适宜 适宜 结果分析 建立综合适宜度评价模型 将样本西瓜果实的重量 糖分数据标准化后 按 照等权重计算出西瓜的综合品质指数 将日光温室 西瓜综合小气候适宜度指数与其综合品质指数进行 相关性分析 对适宜度模型进行检验 并将四要素综 合小气候适宜度和五要素复合因子的综合小气候适 宜度进行对比 图 基于试验中的 个西瓜综 合品质指数可以看出 研究所建适宜度模型得出的 日光温室内综合小气候适宜度指数越高 西瓜果实 综合品质越高 其小气候条件越有利于西瓜生长发 育 符合西瓜生长发育规律 由图 可知 年日光温室西瓜综合品质与日光温室内光 温 湿 地温 气温日较差五要素复合因子的综合小气候 适宜度指数的拟合优度 为 且通过 第 期赵华等 日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用 图 五要素 和四要素 综合适宜度与西瓜综合品质散点图 显著性检验 将五要素综合小气候适宜度模型与四 要素小气候适宜度模型进行对比 年日 光温室西瓜综合品质与四要素小气候适宜度指数的 拟合优度 为 通过 显著性检验 五 要素模型明显优于四要素模型 典型灾害天气过程适宜度及评价指标确定 典型灾害天气过程适宜度分析 西瓜在幼苗期受到寒潮引起的低温寡照及其复 合灾害 以及生长后期的连阴雨寡照 均是造成日光 温室西瓜生长发育及产量 品质受到影响的主要气 象灾害 冷空气过境时 会造成温室内气温降低 寡 照导致日光温室内接收太阳辐射不足 西瓜光合作 用减弱 影响西瓜品质 因此 本研究选取日光温室 西瓜幼苗期和膨瓜期的 次典型灾害天气过程 对 建立的气温 空气湿度 太阳辐射 地温 气温日较差 复合因子适宜度模型进行分析并验证 分析在灾害 天气情况下 日光温室西瓜适宜度的变化情况 同时 验证模型对日光温室西瓜在灾害天气过程中的适 用性 年 月 日昌乐地区受寒潮天气影 响 出现低温寡照复合灾害天气过程 图 日光 温室内气温降低 太阳辐射强度减弱 月 日温室 内最低气温 日低温寡照灾害期间 气 温 太阳辐射 地温以及综合适宜度均偏低 日天 况转好 各要素适宜度回升 整个过程适宜度变化情 况与低温寡照复合灾害影响过程规律一致 图 年 月 日幼苗期 和 年 月 日膨瓜期 低温寡照天气过程适宜度变化 年 月 日昌乐地区出现持续阴雨 寡照天气 连续 日照时数为 图 受天气 影响 西瓜日光温室内接收到的太阳辐射微弱 内太阳辐射适宜度持续维持在不适宜条件 较弱的 太阳辐射导致日光温室内气温持续走低 气温日较 差减小 气温 日较差适宜度与太阳辐射同步呈下降 趋势 阴雨寡照天气导致日光温室内通风不良 空气 湿度增大 日日光温室内空气相对湿度全天在 以上 空气湿度适宜度下降明显 由于日光温室 及地膜的覆盖作用 地温适宜度下降幅度相对较缓 整个过程各小气候要素基本呈现不同程度的 型 变化趋势 与寡照灾害过程的影响规律一致 适宜度评价结果检验及应用 基于建立的适宜度模型及等级评价指标 对 年日光温室西瓜全发育期小气候适宜度 进行定量评价 表 为 年日光温室西 瓜不同发育期 不同要素适宜度等级分别为 适宜 较适宜 不适宜 的日数比例 气象与环境学报第 卷 表 日光温室西瓜不同发育期各个小气候要素适宜度等级出现日数百分率 要素适宜度等级移栽期幼苗期伸蔓期开花授粉期坐瓜期膨瓜期成熟期 不适宜 气温较适宜 适宜 不适宜 空气湿度较适宜 适宜 不适宜 太阳辐射较适宜 适宜 不适宜 地温较适宜 适宜 不适宜 气温日较差较适宜 适宜 图 年日光温室西瓜不同等级综合小气 候适宜度各发育期出现日数占比 图 为日光温室西瓜自移栽至成熟各发育期综 合适宜度不同等次占比变化趋势图 可见 日光温 室西瓜小气候适宜度随生长发育呈大体增加趋势 在坐瓜期至成熟期小气候适宜度整体高于移栽期和 幼苗期 而该现象正是由于本研究日光温室西瓜多 在冬季移栽 与冬季气温 地温偏低 日照时间短 冷 空气影响频繁 低温寡照过程频繁发生的实际情况 相一致 如 年 月 日 年 月 日和 年 月 日大范围寒潮天气过程 均导致气温 太阳辐射因子不适宜比例偏高 西瓜幼 苗出现生长速度减缓 植株部分叶片泛黄 萎蔫等现 象 且冬季地温适宜度维持在偏低水平 而此时正值 西瓜移栽初期幼苗生根的重要时机 地温适宜度偏 低抑制了西瓜幼苗根系发育 造成综合适宜度偏低 的现象 随着西瓜生长发育 气温升高 太阳辐射增 强 地温缓慢升高 西瓜植株长势向好 各气象因子 适宜度和综合适宜度也呈现出移植期 幼苗期 不适 宜 比例偏高 随着时间推移 适宜度升高的趋势 年 月 日 受强寒潮影响 当地先后 出现寡照 剧烈降温并伴随暴雪 此时西瓜幼苗正处 在移栽缓苗期 接连的寡照 低温天气 造成部分西 瓜幼苗出现生长停滞 叶片萎蔫的现象 应用本研 究模型及评价指标对该灾害天气过程的前 中 后西 瓜日光温室小气候条件适宜度进行计算并评价分 级 结果如图 和表 所示 自 月 日起当地连续 出现阴天寡照天气 日日光温室内接收到的太阳辐射基本为 温 室内全天气温均在 以下 低于西瓜幼苗生长所 需的气温最低值 在此期间太阳辐射 气温适宜度均 为 地温适宜度也下降到 不适宜 等 级 暴雪寡照天气导致日光温室内空气湿度偏高 第 期赵华等 日光温室西瓜小气候适宜度定量评价模型研究及应用 图 年 月 日西瓜移栽期寒潮天气过程适宜度 日日光温室内全天空气相对湿度维持在 以上的较高水平 空气湿度适宜度下降明显 为 不 适宜 等级 日白天逐渐转晴 日光温室内太阳辐 射适宜度回升至 较适宜 等级 由于太阳辐射增温 作用 正午前后日光温室内气温有所回升 但受强冷 空气影响 日 日凌晨阶段日光温室内气温走低 最低气温在 不适宜西瓜幼苗生长 因此 日 日气温适宜度仍维持在 不适宜 等级 日 升高至 较适宜 等级 整个寒潮暴雪灾害天气的前 中后过程 日光温室小气候综合适宜度呈现 适宜 不适宜 较适宜 的变化规律 随着各小气候因子 和综合适宜度的转好 西瓜幼苗逐渐恢复生长 本 研究所建立的适宜度模型及评价指标可为日光温室 西瓜生产实践和气象服务提供技术支撑 为农户科 表 年 月 日西瓜移栽期适宜度等级 日期气温空气湿度太阳辐射 地温综合要素 较适宜适宜较适宜适宜适宜 不适宜较适宜不适宜较适宜不适宜 不适宜不适宜不适宜不适宜不适宜 不适宜不适宜不适宜不适宜不适宜 不适宜较适宜较适宜不适宜不适宜 不适宜适宜较适宜不适宜较适宜 较适宜适宜较适宜较适宜较适宜 学调控温室小气候环境 趋利避害 进一步挖掘西瓜 生产潜力提供理论依据 结论 本研究确立并健全了日光温室西瓜全发育 期生长发育的气象指标 结合西瓜生长特性 在西瓜 糖分累积关键期 引入气温日较差因子 构建了日光 温室西瓜光 温 湿 地温 气温日较差等五要素的综 合小气候适宜度模型 日光温室西瓜综合品质与五 要素综合适宜度指数显著相关 建立的模型可靠且 效果优于四要素适宜度模型 能够很好的表征日光 温室西瓜生长发育过程中小气候环境的适宜性 选择代表不同发育期的 次典型灾害天气 过程 分析气象条件对西瓜生长发育是否适宜的影 响情况 确定西瓜日光温室内气温 空气湿度 太阳 辐射 地温 气温日较差五个单因子以及五要素综合 要素的不适宜 较适宜 适宜三级评价指标 基于本研究所建适宜度模型及等级评价指 标 对 年日光温室西瓜全发育期小气候 单要素 综合要素的适宜度进行了定量评价 统计分 析了日光温室西瓜小气候适宜度等级占比情况 并 对西瓜幼苗遭受寒潮暴雪灾害天气影响的前中后过 程进行了应用与验证 结果表明 本研究模型及评 价指标在灾害天气过程中的适用性较好 日光温室 西瓜小气候适宜度随生长发育呈大体增加趋势 在 坐瓜期至成熟期小气候适宜度整体高于移栽期和幼 苗期 参考文献 刘新 赵艳丽 刘林春 等 内蒙古玉米气候适宜度及 其变化特征 干旱气象 王春玲 李宏宇 曾剑 等 黄土高原半干旱区马铃薯 气候适宜度模拟及其时空变化特征 干旱气象 张佩 田娜 赵会颖 等 江苏省冬小麦气候适宜度动态 模型建立及应用 气象科学 侯英雨 张艳红 王良宇 等 东北地区春玉米气候适 宜度模型 应用生态学报 气象与环境学报第 卷 邱美娟 郭巧 郭春明 等 吉林省春玉米农业气候资 源适宜度时空分布特征 气象与环境学报 张建军 马晓群 许莹 安徽省一季稻生长气候适宜性 评价指标的建立与试用 气象 魏瑞江 宋迎波 王鑫 基于气候适宜度的玉米产量动 态预报方法 应用气象学报 李树岩 余卫东 基于气候适宜度的河南省夏玉米产量 预报研究 河南农业大学学报 邱美娟 宋迎波 王建林 等 农业气象产量预报方法 中权重系数的确定 气象与环境学报 王展 刘荣花 薛明 等 基于气候适宜度的夏玉米发 育期模拟模型 气象科学 李昊宇 王建林 郑昌玲 等 气候适宜度在华北冬小 麦发育期预报中的应用 气象 侯英雨 王良宇 毛留喜 等 基于气候适宜度的东北 地区春玉米发育期模拟模型 生态学杂志 梁颖 马树庆 张明 基于模糊隶属函数的吉林市烤烟 种植气候适宜性区划 气象与环境学报 吴利红 娄伟平 柳苗 等 油菜花期降水适宜度变化 趋势及风险评估 中国农业科学 段海来 千怀遂 李明霞 等 中国亚热带地区柑桔的 气候适宜性 应用生态学报 李瑞英 任崇勇 张翠英 山东菏泽牡丹的气候适宜性 分析 干旱气象 李丽纯 周广胜 陈惠 等 台湾青枣在福建主产区的 气候适宜度 应用生态学报 魏瑞江 王鑫 气候适宜度国内外研究进展及展望 地球科学进展 魏瑞江 王鑫 朱慧钦 日光温室黄瓜小气候适宜度定 量评价模型 气象 李楠 薛晓萍 日光温室小气候适宜度定量评价模型 改进及应用 干旱气象 国家市场监督管理总局 国家标准管理委员会 设施 农业小气候观测规范日光温室和塑料大棚 北京 中国标准出版社 李树军 唐俊贤 赵华 等 昌乐县温室西瓜膨大期裂 果与室内小气候要素的关系 气象与环境学报 单福成 王如英 谭俊杰 西瓜果实发育中糖分转化及 其甜度增长规律的研究 河北农业大学学报 杨玉梅 张显 于蓉 等 西瓜不同种质资源糖分积累 规律的研究 西北农业学报