基于能耗的温室生产优势区域选择——以江苏省为例_李正金.pdf

第48卷 第5期气象与环境科学Vol 48 No 5 2025年9月Meteorological and Environmental Sciences Sep 2025 收稿日期 2023 03 13 修订日期 2025 03 18 基金项目 江苏省 333工程 高层次人才培养科研项目 BRA2019348 拉萨市科技计划项目 LSKJ202002 江苏省气象局科技项目 KM201905 作者简介 李正金 1984 男 江苏句容人 副高级工程师 硕士 从事应用气象研究 E mail lizhengjin2008 163 com 通信作者 张佩 1984 女 安徽无为人 正高级工程师 硕士 从事应用气象研究 E mail 78073954 qq com 李正金 杨莹 吴洪颜 等 基于能耗的温室生产优势区域选择 以江苏省为例 J 气象与环境科学 2025 48 5 103 111 Li Zhengjin Yang Ying Wu Hongyan et al Energy Consumption Based Optimal Region Selection for Greenhouse Production A Case Study of Jiangsu Province J Meteorological and Environmental Sciences 2025 48 5 103 111 doi 10 16765 j cnki 1673 7148 2025 05 012 基于能耗的温室生产优势区域选择 以江苏省为例 李正金1 2 杨 莹3 吴洪颜1 任义方1 张 佩1 1 江苏省气象局 南京 210008 2 南京市气象局 南京 210019 3 徐州市气象局 江苏 徐州 221000 摘 要 采用江苏省69个站点1981 2020年气象资料 以玻璃温室为研究对象 从温室的周年生产能耗角度出 发 依据温室生产的光温条件需求 确定适宜温室作物生产的无能耗期 加温能耗期和降温能耗期等三个不同能耗 阶段 依据影响玻璃温室能耗的主要限制气象要素 并参照农业气候资源研究方法 确定了无能耗期天数及期间 的太阳总辐射和有效积温 加热能耗期长度及期间的太阳总辐射 有效积温和负积温 降温能耗期天数及期间的太 阳总辐射和有效积温10个温室气候区划指标 在分析江苏省玻璃温室作物生产不同能耗时期的持续天数及相应 时期的光温资源分布的基础上 采用主成分分析法 系统聚类方法和GIS技术 划定了基于能耗的江苏省玻璃温室 生产优势区域 其中 最适宜区位于省东北部和徐州丰县地区 适宜区主要位于江淮之间的大部 淮北东部地区 次适宜区主要位于苏南的大部分地区 关键词 温室生产 能耗 气象要素 优势区域 区划 中图分类号 S625 S162 文献标志码 B 文章编号 1673 7148 2025 05 0103 09 引 言 近年来我国设施农业规模不断扩大 设备投入 和设施整体质量也明显提高 其中 玻璃温室由于 具有透光率和空间利用率高 环境控制能力和抗气 象灾害能力强 使用年限长等优点 1 已经被越来 越多地用于开展工厂化 智能化高效生产 2 3 但 由于缺乏前期规划和气候评估论证 很多地方存在 无序建设 投入巨大而效益不高 资源利用率差等诸 多问题 其中最为突出的问题是 玻璃温室因冷季 加温和热季通风降温耗能大 1 4 属于典型的高耗 能产业之一 3 5 如果不进行充分的气候资源评估 不仅无法获得最大的生产效益 而且可能造成地区 资源和能源的极大浪费 不利于该产业的健康持续 发展 气候资源特别是光热资源 是影响温室作物生 长发育 产量和品质的关键要素 6 当前温室生产 区划研究多是从设施作物生长适宜性 7 12 及气象灾 害风险 13 15 等角度切入 而较少考虑温室生产的能 耗投入 气候资源直接影响玻璃温室作物生产的能 耗 影响温室作物生产的经济 生态效益 16 如何 充分利用气候资源 合理布局玻璃温室 实现节能减 排 获得最大的经济效益和生态效益 是温室生产建 设前应该重点解决的关键技术问题 江苏省是设施农业大省 经济水平高 为发展玻 璃温室提供了较好的基础 至2020年底 全省高效 设施农业面积累计达96 7万公顷 占粮食种植面积 的18 数据来自江苏省统计年鉴 居全国前列 气象与环境科学第48卷 本文以江苏省为例 从玻璃温室周年生产能耗视角 出发 将温室生产周年划分为无能耗期 加温能耗期 和降温能耗期等三个不同能耗时期 分析不同能耗 期的长度及期内的光热资源分布特征 基于10个温 室气候区划指标 采用主成分分析法 系统聚类方法 和GIS技术 划定基于能耗的江苏省玻璃温室生产 优势区域 1 材料与方法 1 1 数据及来源 本研究所选的69个气象台站分布情况见图1 站点信息和气象观测数据均来源于江苏省气象信息 中心 其中站点信息包括经度 Lo 纬度 La 和海 拔 H 气象观测数据包括1981 2020年逐日平均 气温 T 最高地表温度 TGMax 露点温度 TDP 日照时数 S 日照百分率 SR 日出时间 t1 日 落时间 t2 1 2 温室作物生产不同能耗期的确定方法 一般来说 当10 T 22 时 大部分温室 作物可正常生长 温室不需增温或降温 17 当T22 时 需采取降温措施 因此 根据温室作物生产特点 将 一年划分为三个不同能耗阶段 无能耗期 加热能耗 期和降温能耗期 图1 江苏省69个国家气象观测站空间分布 Fig 1 Spatial distribution of 69 national meteorological observation stations in Jiangsu Province 采用五日滑动平均法 18 计算历年稳定通过 10 22 的起止日期 以五日滑动平均气温稳 定通过10 和22 的日期为界 确定逐年温室生 产无能耗期 加热能耗期及降温能耗期的具体时间 1 3 基于能耗的温室生产气候区划指标 玻璃温室能耗由加热能耗期的采暖能耗及降温 能耗期的降温能耗决定 在进行温室生产布局前 要考虑各时期的光热资源 有效积温和负积温是表 征作物生长发育对热量的要求和评价热量资源的重 要指标 19 20 而太阳辐射也是设施生产必须考虑的 一个因素 21 因此 参照农业气候资源的研究方 法 22 确定无能耗期天数 太阳总辐射 10 有 效积温 加热能耗期天数 太阳总辐射 0 有效 积温和负积温 降温能耗期天数 太阳总辐射 22 有效积温10个气候区划指标 1 3 1 热量指标 有效积温 A 是指作物在某时期内有效温度的 总和 有效积温的计算公式为 A n i 1 Ti B 1 其中 Ti为日平均气温 B为界限温度 本文取0 10 22 当Ti1050 d 位于沿淮西部 江淮南部 苏南及南通东南部等地 图4a 加热能耗期内 0 有效积温为648 843 d 省 东南部超800 d 淮北北部不足700 d 加热 能耗期内的积温为 67 0 5 8 d 其分布特征 与 0 有效积温相反 省东南部为低值区 淮北北 部为高值区 图4b c 降温能耗期内 22 有效积温为326 543 d 高值区位于省西南部 普遍超过450 d 东北部 及射阳 大丰低于350 d 图4d 2 4 基于能耗的温室生产区划指标的因子分析 表1列出了对69个站点标准化后的10个区 划因子进行主成分分析运算得到的主成分系数 协方差矩阵特征值 贡献率等 根据特征值 1和 累积贡献率 90 提取前2个主成分因子 并通 过4次方差最大正交旋转 得到其主成分的特征 值 方差贡献率 累积方差贡献率及旋转后的荷载 矩阵 结合表1和表2可以看出 主成分因子1 中 降温能耗期 22 有效积温 降温能耗期天 数 降温能耗期太阳总辐射 加热能耗期 0 有 效积温 加热能耗期负积温 加热能耗期天数 加 热能耗期太阳总辐射等所占的载荷较大 基本体 现了产生能耗期间的气候资源状况 且主成分因 子1的特征值7 074 其对应的贡献率高达 70 736 表明温室生产产生能耗期间的气候资 源特征中大部分的信息包含在主成分因子1中 主成分因子2 中 无能耗期 10 有效积温 无 能耗期天数等所占的载荷较大 主要体现了无能 耗期的气候资源状况 主成分因子2的特征值为 2 083 对应的贡献率为20 828 基本上包括了 无能耗期的气候资源信息 601 第5期李正金等 基于能耗的温室生产优势区域选择 以江苏省为例 a 无能耗期内 10 有效积温 b 加热能耗期内 0 有效积温 c 加热能耗期内 0 负积温 d 降温能耗期内 22 有效积温 图4 1981 2020年江苏省温室生产不同能耗期和各类积温的空间分布 Fig 4 Spatial distribution of accumulated temperature types across different energy consumption periods for greenhouse production in Jiangsu Province during 1981 2020 表1 综合因子的方差分析结果 Table 1 Analysis of variance ANOVA results for comprehensive factors 主成分因子特征值方差贡献率 累积方差贡献率 1 7 074 70 736 70 736 2 2 083 20 828 91 563 3 0 390 3 899 95 462 4 0 268 2 684 98 146 5 0 111 1 108 99 254 6 0 035 0 348 99 602 7 0 020 0 203 99 805 8 0 012 0 125 99 930 9 0 007 0 070 100 000 10 6 002 10 16 6 002 10 15 100 000 表2 旋转后因子荷载 Table 2 Rotated factor loadings 标准化后区划指标主成分因子1主成分因子2 无能耗期 10 有效积温0 360 0 841 无能耗期天数0 137 0 971 无能耗期太阳总辐射 0 891 0 180 加热能耗期 0 有效积温0 769 0 555 加热能耗期负积温0 762 0 587 加热能耗期天数 0 890 0 434 加热能耗期太阳总辐射 0 902 0 370 降温能耗期 22 有效积温0 980 0 115 降温能耗期天数0 989 0 110 降温能耗期太阳总辐射0 874 0 221 2 5 江苏省温室生产优势区域划定 通过主成分分析 得到各区划站点主成分因子 701 气象与环境科学第48卷 1 因子2得分的标准化值 以各因子得分的标准化 值FACl与其对应因子的特征值的算术平方根 l 相乘得到各因子的得分 再以各个主成分因子的方 差贡献率COl对主成分因子的得分进行加权平均 求得69个区划站点的主成分综合得分H 图5 以 此作为最终用于温室生产气候区划的新指标 图6 为江苏省69个站点主成分综合得分的系统聚类谱 系图 从图中可以看出 69个站点被划分为3类 图5 江苏省69个区划站点主成分因子得分矩阵气泡图 Fig 5 Bubble diagram of principal component factor score matrix for 69 zoning stations in Jiangsu Province 图6 江苏省69个区划站点主成分综合得分的系统聚类谱系 Fig 6 Systematic clustering dendrogram of principal component comprehensive scores for 69 zoning stations in Jiangsu Province 运用ArcGIS对69个站点的聚类结果进行插 值 获得空间上连续分布的栅格数据 划定了基于能 耗的江苏省温室生产优势区域 图7 表3 最适宜区位于东北部和徐州丰县地区 该区降 温能耗期内能耗水平最低 主要因为能耗期天数最 少 22 有效积温最低 太阳总辐射量最少 该 801 第5期李正金等 基于能耗的温室生产优势区域选择 以江苏省为例 区无能耗期内 虽然能耗期天数和 10 有效积温 偏少 但太阳总辐射量更高 有利于作物生长及产量 和经济效益的提高 该区加热能耗期内存在天数较 长 0 有效积温较低 负积温较多等不利条件 但太阳总辐射量明显更高 较其他两区高11 99 24 59 利于温室增温蓄热 可以部分抵消生产的 能耗 适宜区主要位于江淮之间的大部 淮北东部地 区 较最适宜区在降温能耗期内的能耗更高 主要 因为降温能耗期延长5天 22 有效积温增加 18 98 太阳总辐射量略偏多 次适宜区主要位于苏南的大部分地区 该区降 温能耗期内能耗水平最高 主要因为能耗期天数最多 超100天 22 有效积温最多 达499 d 太阳辐射总量最多 该区在加热能耗期内 虽然有 能耗期天数和负积温偏少 0 有效积温较多等 优势 但太阳总辐射量较其他两区明显偏少 10 20 抵消了大部分优势 同样 该区无能耗期天 数及 10 有效积温较其他两个区的略有优势 但 期间太阳总辐射量偏低 也抵消了长度和热量资源 的优势 图7 基于能耗的江苏省温室生产优势区域分布 Fig 7 Distribution of energy consumption based advantageous zones for greenhouse production in Jiangsu Province 表3 江苏省温室生产三个不同等级适宜区的气候资源指标 Table 3 Climatic resource indicators of three suitability classes for greenhouse production in Jiangsu Province 分区 无能耗期 长度 天 太阳 总辐射 W m2 10 有效 积温 d 加热能耗期 长度 天 太阳 总辐射 W m2 0 有效 积温 d 负积温 d 降温能耗期 长度 天 太阳 总辐射 W m2 22 有效 积温 d 1 130 1959 1035 143 1381 716 45 92 1512 371 2 132 1903 1071 136 1243 772 23 97 1580 435 3 133 1838 1077 130 1142 807 11 102 1649 486 3 讨 论 温室生产是一种抗逆性强的耗能型产业 1 本文着眼于玻璃温室地理布局 研究了温室生产优 势区域的选择方法 并最终科学划定温室生产的优 势区 光 热等要素的不同组合 导致设施类型气候区 的差异 也决定着不同地域温室生产的能耗大小 因此 在选择温室生产优势区域时 应充分考虑各地 的热量与辐射资源情况 本文根据温室生产的周年 901 气象与环境科学第48卷 能耗特征 划分出无能耗 加热能耗和降温能耗三个 时期 并基于以上三个时期的持续时间及气候资源 特征构建了10个区划指标 因子分析法可在繁杂变量中提取少数代表性的 综合因子 在解决因子间共线性问题的同时也简化 了数据结构 24 很多学者采用该方法将多个区划 因子转化为少数综合因子作为新的区划指标 25 而聚类分析则可根据区划指标特征的亲疏程度 用 数学的方法将它们逐步分型划类 最终得到一个能 反映区划站点间亲疏关系的分类系统 26 27 这种 定量确定样本之间亲疏关系的方法被广泛应用于各 类区划研究中 27 30 本文采用主成分分析法对确 定的10个区划指标因子变量进行因子分析 根据特 征值和累积贡献率指标提取得到的2个主成分因子 基本包含了所有指标信息 其中主成分因子1包含 了温室生产产生能耗期间的气候资源特征中大部分 的信息 主成分因子2则主要体现了无能耗期的气 候资源状况 这说明了基于这2个主成分因子形成 的综合结果 可作为温室生产优势区域选择的新 指标 4 结 论 本文从国家乡村振兴和 双碳 目标的战略高 度出发 基于设施生产的实际能耗情况出发 综合考 虑区域气候资源特征与温室生产能耗的相关关系 研究温室生产优势区域的选择方法并最终科学划定 温室生产的优势区域 从温室周年生产能耗角度确定了10个温室生 产区划指标 并通过统计分析1981 2020年江苏省 69个站点的气候数据 得到江苏省温室生产不同能 耗期天数 辐射资源及热量资源空间上总体呈纬向 分布的特征 在此基础上 对69个站点的主成分综 合得分进行系统聚类 并利用GIS技术实现聚类结 果的空间连续性 划定了基于能耗的江苏省温室生 产优势区域 其中 最适宜区主要位于省东北部和 徐州丰县地区 该区降温能耗期天数最短 且期间光 热水平也较其他地区的低 使期内温室生产的能耗 水平最低 而无能耗期和加热能耗期热量资源略差 但辐射资源较其他区有较大优势 对温室的增温蓄 热有利 适宜区和次适宜区则普遍由于降温能耗期 天数较长 期间光热水平高 造成期内能耗水平高 这一区划结论可为合理布局温室生产 获得最 大的经济效益和生态效益提供理论依据 也是贯彻 落实国家乡村振兴和生态文明战略的具体措施 然 而 温室投入生产后 其运行能耗的大小除了受外部 气象条件的影响外 还与温室物理结构 室内环境调 控目标及所采取的措施 室内种植作物种类等密切 相关 此外 在考虑区域气候资源和温控目标的差 异条件下 温室增温和降温能耗还需考虑作物生长 发育和最终产量的需要 寻找能耗和作物产量 收益 之间的平衡点 实现温室作物生产节能减排与经济 效益的最大化 因此 可进一步开展温室作物周年 生产的单位产量能耗的定量分析和估算研究 这为 温室投资风险评估和温室气候节能优化控制提供更 精确的依据 参考文献 1 周波 孙维拓 郭文忠 等 连栋玻璃温室天沟结构对栽培区光 环境的影响分析 J 农业机械学报 2021 52 5 286 292 2 刘佳 李旭 王朝栋 等 玻璃连栋温室正压通风降温系统的设 计与试验 J 中国农业大学学报 2020 25 1 152 162 3 陈教料 陈教选 杨将新 等 基于自加速遗传粒子群算法的半 封闭式温室能耗预测 J 农业工程学报 2015 31 24 186 193 4 张观山 李天华 侯加林 考虑动态吸收率的玻璃温室覆盖层 温度预测模型 J 农业工程学报 2020 36 5 201 211 5 Katsoulas N Sapounas A De Zwart F et al Reducing ventilation requirements in semi closed greenhouses increases water use efficiency J Agricultural Water Management 2015 156 90 99 6 季方 甘佩典 刘男 等 LED光质和日累积光照量对番茄种苗 生长及能量利用效率的影响 J 农业工程学报 2020 36 22 231 238 7 张明洁 赵艳霞 北方地区日光温室气候适宜性区划方法 J 应用气象学报 2013 24 3 278 286 8 张馨宇 张琪 杨再强 等 不同播期下我国设施农业气候适宜 性评价 J 中国农业资源与区划 2022 43 11 215 227 9 张山清 普宗朝 李新建 等 气候变化对天山北坡经济带设施农业 气候适宜性的影响 J 中国农业气象 2016 37 5 495 504 10 范轶 黄海静 覃文娜 江苏省设施塑料大棚发展气候适宜性 评价 J 中国农学通报 2013 29 35 170 177 11 魏瑞江 赵春雷 基于GIS 的河北果菜日光温室最佳发展区域 确定 J 中国农业资源与区划 2005 26 1 35 38 12 赵子征 彭高军 辛本胜 我国西北地区节能型日光温室蔬菜 生产气候区划 J 农机化研究 2006 5 87 90 13 杨再强 张婷华 黄海静 等 北方地区日光温室气象灾害风 险评价 J 中国农业气象 2013 34 3 342 349 14 李德 杨太明 刘瑞娜 等 安徽省设施农业冬季低温风险分 析和区划 J 中国农业气象 2013 34 6 703 709 15 陈思宁 刘芳 黎贞发 等 基于不同发育期的日光温室黄瓜 低温冷害风险评估研究 J 中国农业资源与区划 2016 37 2 154 160 16 戴剑锋 罗卫红 李永秀 等 基于小气候模型的温室能耗预 测系统研究 J 中国农业科学 2006 39 11 2313 2318 17 K rner O Bakker M J Heuvelink E Daily temperature integra 011 第5期李正金等 基于能耗的温室生产优势区域选择 以江苏省为例 tion a simulation study to quantify energy consumption J Biosys tems Engineering 2004 87 333 343 18 徐华军 杨晓光 王文峰 等 气候变化背景下中国农业气候 资源变化 青藏高原干旱半干旱区农业气候资源变化特征 J 应用生态学报 2011 22 7 1817 1824 19 陈杨 王磊 白由路 等 有效积温与不同氮磷钾处理夏玉米 株高和叶面积指数定量化关系 J 中国农业科学 2021 54 22 4761 4777 20 谌洁 吕腾飞 王志强 等 青菜 油菜茬口下水稻不同栽植方 式对温光资源利用和产量的影响 J 应用生态学报 2022 33 2 405 411 21 许红军 曹晏飞 李彦荣 等 日光温室太阳辐射模型构建及 应用 J 农业工程学报 2019 35 7 160 169 22 李世奎 中国农业气候资源和农业气候区划 M 北京 科学 出版社 1988 341 23 张佩 高苹 谢小萍 等 不同日照情况下太阳日辐射估算方 法研究 以江苏为例 J 中国生态农业学报 2022 30 2 314 324 24 张佩 陈郑盟 刘春伟 等 冬小麦产量结构要素预报方法 J 农业工程学报 2020 36 8 78 87 25 康锡言 马辉杰 徐建芬 因子分析在农业气候区划建立模型 中的应用 J 中国农业资源与区划 2007 28 4 40 43 26 王秀红 多元统计分析在分区研究中的应用 J 地理科学 2003 23 1 66 71 27 王静 王莉晶 聂芳曈 等 基于聚类分析的新疆棉花生产风 险区划研究 J 棉花科学 2021 43 3 15 22 28 方创琳 刘海猛 罗奎 等 中国人文地理综合区划 J 地理 学报 2017 72 2 179 196 29 谢明霞 王家耀 陈科 地理国情分类区划模型构建及实证研究 以河南省为例 J 地理科学进展 2016 35 11 1360 1368 30 申效诚 刘新涛 任应党 等 中国昆虫区系的多元相似性聚 类分析和地理区划 J 昆虫学报 2013 56 8 896 906 Energy Consumption Based Optimal Region Selection for Greenhouse Production A Case Study of Jiangsu Province Li Zhengjin1 2 Yang Ying3 Wu Hongyan1 Ren Yifang1 Zhang Pei1 1 Jiangsu Meteorological Service Nanjing 210008 China 2 Nanjing Meteorological Office of Jiangsu Province Nanjing 210019 China 3 Xuzhou Meteorological Office of Jiangsu Province Xuzhou 221000 China Abstract In this study the glass greenhouse production is chosen as the study object Then based on the meteorological data from 69 surface observation stations from 1981 to 2020 according to the re quirements of suitable light and temperature conditions for greenhouse crop growth this paper determines three energy consumption stages namely no energy consumption period heating energy consumption period and cooling energy consumption period from the perspective of annual greenhouse production en ergy consumption In accordance with the main limiting meteorological factors that affect the glass green house energy consumption and the research methods of agricultural climate resources this paper also de termines ten greenhouse climate zoning indexes such as the period length the total solar radiation and the effective accumulated temperature for each of the three stages and the negative accumulated tempera ture during the heating energy consumption period Moreover the principal component analysis method systematic clustering method and the geographical information system are used in delineating the advanta geous areas of glass greenhouse production in Jiangsu Province based on energy consumption The results show that the most suitable areas lie in the northeast of Jiangsu Province and Fengxian County of Xuzhou City the suitable areas are mainly between the Yangtze River and the Huaihe River and in the northeast ern regions of the Huaihe River and the sub suitable areas are mainly located in southern Jiangsu Key words greenhouse production energy consumption meteorological elements advantageous areas zoning 111