日光温室气候适宜性研究——以北方地区为例*

张明洁，赵艳霞

(1.南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044;2.中国气象科学研究院，北京 100081)

我国现代设施农业起步于20世纪80年代，相继出现了塑料大棚、日光温室 (东、西、北三面为围护墙体的单坡面塑料温室，统称为日光温室)和大型连栋温室，20世纪90年代开始迅速发展。截止2008年，设施园艺面积达350万hm2，其中，塑料小拱棚130.6万hm2，塑料大中棚139.4万hm2，日光温室和加温温室78.2万hm2，形成了北方以塑料大棚、日光温室，南方以塑料棚、遮阳防雨棚为主的格局［1］，并逐步向规模化、集约化方向发展，技术水平有了大幅度提高，温室内环境调控能力增强。另外，自90年代中期以来，我国设施蔬菜面积一直居世界第一，目前约占世界的90%［2～3］，不仅较好地解决了我国冬春季节蔬菜供应问题，而且提高了土地利用效率。

我国北方大部分地区光热资源丰富，发展日光温室的气候条件优越，山东、河北、京津等省市先后出现了山东寿光型、河北永年型等代表性的日光温室类型［4］，已成为我国最大的设施园艺生产基地和日光温室的重点发展区域，陇东、宁夏大部、陕北高原、内蒙古阿拉善高原的部分地区发展适合当地类型的节能日光温室，也已成为我国西北地区重要的节能型日光温室蔬菜生产供应基地。

气候对温室的影响在温室建造和生产运行中都要充分考虑，其一方面影响温室的结构类型、生产运行方式、栽培模式和成本，另一方面还是温室内微气候环境形成的背景［5］。现代日光温室对蔬菜生长起关键作用的温、光、水、气、肥中的水、气、肥可以做到人为调节，但对地域差异较大的光照、温度条件的调节能力有限，对日光温室影响最大的灾害性天气如大风、暴雪等基本没有调节能力，抵御自然灾害的能力差，遇灾害性天气生产没有保障［6］。因此，分析气候资源、确定适宜发展区，对更好地利用气候资源、减轻和避免不利气象条件对温室生产的影响、防御灾害、提高经济效益等都具有重要的意义。

关于我国温室的气候区划，陈端生、张纪增、徐师华、邱仲华、吕国华、齐玉春、汪李平、张亚红、等分别从不同角度对全国或部分地区进行了研究［7-14］，业内专家也多次强调以节能为目标的设施园艺生产气候区划的重要性［15］。这些区划成果在过去10年左右的温室发展中起到了重要作用。鉴于近年来气候区划研究有了新的发展，如气象数据的细化、区划方法的更新、GIS技术的使用等［16-21］，以及设施农业发展的需要，该文拟在前人的研究基础上，利用北方地区的气象数据，对影响日光温室生产的气候因素进行分析，选取影响日光温室生产的主要气候因子作为区划指标进行气候适宜性区划和评价，在GIS技术支持下，将该地区日光温室发展的气候适宜性划分为最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级。

1 资料来源

研究所需的气象资料来源于中国气象科学数据共享网1980年～2009年的地面气候资料，包括中国地面气候日值数据、中国地面气候月值数据。从选择的136个站点看，能够代表北方地区的气候特征 (图1)。地理信息资料来源于国家基础地理信息系统中心提供的1:25万测绘地图用地理信息数据集。

图1 研究区域及站点分布

2 结果与分析

2.1 影响日光温室发展的主要气候因素分析

光照:太阳辐射是温室内光、热的重要来源，其大小直接影响室内获取能量的多少和温度的高低，并对蔬菜的品质和产量有重要影响，温室几何尺寸、采光、通风等的设计都要考虑光照条件。温室通常建在晴天日数多的地区，阴雨天多的地区即使冬季气温不低，作物也难获高产［22］。伴随低温的寡照天气是日光温室生产的主要灾害性天气之一，常导致蔬菜生长发育不良甚至死亡［23～24］。马占元等［25］研究表明，黄瓜在盛瓜期遭遇阴天时，产量会急剧下降，阴1天要减产30%，连阴4～5天产量会显著降低。2001年春节前后，豫北地区降雪达5次之多，阴天有60天之久，导致80%以上的温室瓜果类蔬菜绝收，早春50%以上的菜苗没有出苗或冻死，给农户造成很大损失［26］。

温度:作物的生长受温度条件的限制。例如，黄瓜的适宜生长温度为25～32℃，5～10℃时有遭受冻害的可能，在0～2℃的条件下植株即冻死，35℃以上生育不良，超过40℃就会引起落花落果或产生畸形瓜。一地冷季的气温不但决定着冬季设施内叶菜能否安全越冬、果菜是否种植，也直接影响加温能耗的大小和运行成本的高低，并对温室设计的采暖及保温有影响。

灾害天气:遇大风天气白天揭草苫后易出现烂膜现象，夜间会将覆盖的草苫吹乱，使前屋面暴露，撕毁棚膜，导致室内作物遭受冻害，风速达到一定水平时，还可能发生骨架倒塌和风鼓毁膜的严重后果。发生强降雪天气时，造成外界气温急剧下降，白天不能揭起草苫，雪量大时还会压塌前屋面。因此，温室作为特殊的建筑，应该考虑到特殊情况下的安全性，即风压、雪压对设计荷载的影响［22］。

2.2 区划指标选取及指标界限值确定

2.2.1 区划指标的选取

根据气候区划的相关理论及设施农业对气候条件的要求，应选择地域差异较大且对温室生产有明确意义的气候因子作为区划指标。光照条件对日光温室生产的影响主要反映在太阳辐射 (光照的强弱)、日照时数 (光照时间的长短)等指标上;热量条件对温室生产的影响，一般用温度 (平均气温、极端最低气温等)来衡量;大风、积雪对日光温室的影响一般用最大风速、最大积雪深度来衡量。据此，首先选出多个气候特征值，计算其变异系数 (CV)，进行空间变异分析，变异系数大，则说明该气候特征值地域差异大，气候代表性好。

然后，计算选出的气候特征值之间的相关系数 (r)，若两个气候特征值相关显著，则表明二者差异不明显，取其一即可。

表1和表2分别是选出的北方地区气候特征值的空间变异性分析和相关性分析结果。由表1空间变异性分析可知，考虑光照条件时，冬季总辐射和生产季阴天日数的变异系数分别在表征辐射、日照时数的气候特征值中最大;又由表2的相关分析可知，二者的相关系数r=-0.49(|r|＜0.5，低度相关)，达到0.01的极显著水平。因此，可选择冬季总辐射和生产季阴天日数两个气候特征值作为评价光照资源的区划指标。

类似的分析可见，表征热量条件的冬季平均气温、1月平均气温、年极端最低气温的变异系数都相对较大，且两两之间相关系数都大于0.95，呈显著相关。考虑到平均气温表征一地的平均热量水平，极端低温表征一地的寒冷程度，我国北方冬季寒潮入境时，常引起气温骤降，出现极端低温天气，造成温室作物冻害，因此，选择变异系数相对较大的表征平均热量状况的冬季平均气温和表征寒冷程度的年极端最低气温作为评价热量资源的区划指标。

在选择评价大风对日光温室发展影响的区划指标时，五年一遇最大风速与生产季月最大风速均值的相关系数大于0.95，呈显著相关。因此，选择变异系数较大的生产季月最大风速均值一个指标作为区划指标即可。类似地，在选择评价积雪对日光温室发展影响的区划指标时，五年一遇最大积雪深度与年最大积雪深度均值的相关系数也大于0.95，呈显著相关。故选择变异系数较大的年最大积雪深度均值作为区划指标。

根据上述分析，该文最终选取冬季总辐射、生产季阴天日数、冬季平均气温、年极端最低气温、生产季月最大风速均值、年最大积雪深度均值6个气候特征值作为日光温室气候适宜性评价的区划指标。

表1 北方地区气候特征值的空间变异性分析

2.2.2 区划指标界限值的确定

外界的气候环境通过影响温室内的气候环境进而影响作物的生长发育。日光温室是在聚乙烯或聚氯乙烯塑料棚膜覆盖下的封闭环境中进行的农业生产活动，只有透过塑料薄膜的那部分光能为温室作物所利用。因此，温室内的光温条件与室外的太阳辐射、云量、日照时数、温度、风速、湿度以及温室建筑结构、围护材料等密切相关。关于温室内外气象条件的关系，我国科研工作者进行了大量的观测和研究工作［27-33］，如魏瑞江等［34］对河北省多年日光温室小气候的研究表明，只要每天日照小于3小时，并有寒潮不断入侵，温室内的温度就要下降，连阴3天时，温室内的温度就有可能下降到5℃左右;晴天时温室内外温差能达到20℃以上，云量较多时内外温差一般在10～15℃，寒潮或持续低温寡照时内外温差在10℃以下。傅理等［35］对宁夏地区日光温室的观测表明，冬季日光温室增温可达20℃，春季增温在10℃左右。

表2 指标间相关性分析

根据以往温室内外气象条件的关系及日光温室生产对气象条件的要求，查阅相关的研究成果，确定了如下的日光温室气候适宜性区划指标的界限值 (表3)。

表3 区划指标界限值

2.3 日光温室气候适宜性区划与评价

2.3.1 数据的小网格推算

首先对气象资料进行无量纲化处理:采用均值化方法其中，是原始变量，是变量的均值;然后利用ArcMap空间分析模块中的“Interpolate to Raster”命令，采用空间分析中常用的反距离加权插值法将站点气象资料推算到网格点上，建立研究区域格点数据库，供区划研究使用。

在反距离加权插值法中，距离插值点较近的数据点被给定一个较高的权重份额，对于一个较小的方次，权重比较均匀的分配给各数据点。样点对目标点P的影响是随距离的k次方衰减的，即

式中n为已知点个数，Zi为第i个已知点的值，dip为第i个已知点到目标点p的距离，k为衰减阶数。

2.3.2 单一气候指标适宜性区划与评价

根据选取的6个区划指标及确定的指标界限值，对研究区域单一气候指标的适宜性进行最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级的划分，区划结果见图2～7。

图2 以冬季总辐射 (MJ/m2)为单一指标的区划结果

图3 以生产季阴天日数 (d)为单一指标的区划结果

图4 以冬季平均气温 (℃)为单一指标的区划结果

图5 以年极端最低气温 (℃)为单一指标的区划结果

图6 以生产季月最大风速均值 (m/s)为单一指标的区划结果

图7 以年最大积雪深度均值 (cm)为单一指标的区划结果

(1)光照条件评价。总体而言，我国北方大部分地区光照资源丰富，适宜发展日光温室，但区域内光照资源仍有差别。根据计算及图2和图3可知，内蒙古高原、黄土高原的宁夏大部、冀北高原冬季总辐射值920～1 040 MJ/m2，阴天日数少于30天，太阳辐射总量大、光照时间长，属太阳能丰富区，最适宜发展日光温室;黄土高原大部 (除山西的临汾运城盆地)、华北平原 (除冀中冀南、鲁西南、豫北)总辐射值在800～920 MJ/m2之间，日照时数1 271～1 548小时，阴天日数30～52天，属太阳能较丰富区，也适宜发展日光温室;黄土高原西端的陇东、关中平原北部、山西的临汾运城盆地、豫西、豫北、冀中的石家庄、冀南、鲁西南地区，总辐射值700～800 MJ/m2，日照时数996～1 331小时，阴天日数在52～80天，日照相对不足，部分地区阴雨雪天气较多，寡照是主要的不利气候条件，为日光温室的次适宜发展区;关中平原南部、陕南盆地、豫南，日照时数641～1 141小时，阴天日数超过80天，光照相对较差，寡照灾害严重，不适宜发展日光温室。因此，不同地区温室生产设计上应采取不同的措施，光照充足的地区要充分利用，光照弱、阴天日数多的地区，温室结构设计上要以增加太阳光照为主，生产上也要采取措施，尽可能充分利用太阳光能。

(2)热量条件评价。与光照条件相比，我国北方的热量资源不如光照条件好，但大部分地区能够满足温室生产的需要。根据计算及图4和图5可知，随纬度升高，气温逐渐降低，寒冷程度加剧。关中平原、陕南盆地、华北平原南部 (河南、冀南、冀中、鲁南)，冬季平均气温高于0℃，年极端最低气温高于-10℃，对日光温室来说，热量充足，为最适宜发展区;黄土高原大部 (除陕北的榆林、晋北的大同)、华北平原大部，冬季平均气温在-5～0℃之间，年极端最低气温高于-20℃，也适宜发展日光温室;内蒙古高原西部、陕北榆林、冀东北冬季平均气温略低，在-8～-5℃之间，年极端最低气温低于-20℃，日光温室生产的保温要求严格，为次适宜发展区;内蒙古高原中部、晋北由于纬度、海拔、冬季寒潮等原因，冬季平均气温-12～-8℃，部分地区年极端最低气温达-30℃，温室作物极易遭受冻害，不适宜发展日光温室。

(3)大风条件评价。根据计算及图6可知，陇东、陕西 (除延安以北地区)、山西大部、华北平原大部生产季月最大风速均值小于11m/s，为日光温室的最适宜发展区和适宜发展区;内蒙古高原，黄土高原的宁夏北部、陕北榆林地区、晋北风速略大，在11～14 m/s之间，冬春季节常出现七八级大风，对温室建筑防风要求严格，为次适宜发展区;山东半岛沿海达14～17m/s，八级以上大风频繁，不适宜发展日光温室。

(4)积雪条件评价。根据计算及图7可知，内蒙古西部的阿拉善高原、宁夏、甘肃天水、陕南年最大积雪深度均值小于5cm，为日光温室的最适宜发展区;内蒙古中部的鄂尔多斯、陕北的榆林、冀北部分地区、京津、山东大部在5～7cm之间，为适宜发展区;关中、陕南、晋南、河南大部在7～10cm之间，为次适宜发展区，温室建造应注意雪荷载;陇东的部分地区、关中的洛川、山西东南部、豫南、山东半岛的烟台超过10cm，雪压大，不适宜发展日光温室。

2.4 综合气候指标适宜性区划与评价

从上述单一气候要素适宜性评价可知，不同地区既有各自发展日光温室的气候优势，也有各自的气候劣势。对于一个地区，综合考虑多种气候要素，其总体适宜性如何呢?该文采用基于GIS的加权指数求和法［36］作为评价方法，即根据不同区划指标影响程度的差异，给定与该区划指标影响程度相对应的权重，将区划指标的权重和指标值的乘积之和作为量化指标进行分级，从而对一个地区发展日光温室的适宜性做出综合评价。评价模型为:

其中，Y为格点的综合气候指标值;Pi为第i个区划指标的权重;Xi为区划指标i的实际值;n为区划指标数，取值为6。

2.4.1 气候区划指标权重 (Pi)确定

由于各气候要素对日光温室的影响不同，如何将多个评价指标综合起来，形成一个综合的区划指标，该文引入层次分析法。

层次分析法［37］是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标 (或准则、约束)的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序 (权数)和总排序，以作为目标 (多指标)、多方案优化决策的系统方法。其一般步骤如下。

(1)建立层次结构模型。首先是确定气候区划指标的层次结构模型，按其对适宜性的影响程度不同，分成3个层次:第一层为目标层，即日光温室气候适宜性区划层;第二层为准则层，即光温风雪4个气候因素;第三层为指标层，即选取的6个气候区划指标。

(2)构造判断矩阵。将同一层中各因素相对于上一层而言进行两两比较，对每一层中各因素相对重要性给出一定的判断，采用1～9比率标度进行定量化，并进行两两因素之间的比较，就形成了判断矩阵［38］。该判断矩阵必须满足以下3个特征:①Aij=1;②Aij=1/Aji(i，j=1，2，3…n);③Aij≥0(i，j=1，2，3…n)。其中，i，j表示在判断矩阵中的因子所处的行列数。只有满足上述3个特征的判断才具有完全一致性。

(3)CR检验。为了判别权重是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，检验公式为:

其中，CR为判断矩阵的一次性比率;CI为判断矩阵的一致性指标，由 (6)式计算得到;RI为判断矩阵的平均随机一致性指标 (见表4);λmax为矩阵的最大特征根，n为因子个数。

当CR＜0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数的分配是合理的，否则就需要对判断矩阵进行调整。当n＜3时，判断矩阵永远具有完全一致性。层次分析法确定的指标权重见表5，CR=0.022556＜0.1，表明权数的分配是合理的。

表4 平均随机一致性指标R.I.(1000次正互反矩阵计算结果)

表5 AHP法确定的指标权重

将表6中各权重代入 (4)式即为格点的综合气候指标值:

注:均值化处理后，由指标性质来看，冬季总辐射C1值越大越适宜日光温室的发展，而生产季阴天日数C2、冬季平均气温C3、年极端最低气温C4、生产季月最大风速均值B3、年最大积雪深度均值B4的值越小越适宜日光温室的发展。

将表3的指标界限值代入 (7)式，得到综合气候指标值Y的不同等级的界限值，即:Y最适宜≤0.456，0.456≤Y适宜≤1.007，1.007≤Y次适宜≤1.501，Y不适宜≥1.501。

2.4.2 综合气候区划结果

通过计算每个格点综合气候指标值Y，然后对照Y的不同等级的界限值，在GIS的支持下，对研究区域日光温室发展的气候适宜性进行最适宜、适宜、次适宜和不适宜4个等级的划分，区划结果见图8。

综合考虑光、温、风、雪4个气候因素对日光温室发展的影响时，我国北方绝大部分地区气候条件优越，适宜发展日光温室。最适宜发展区主要集中于陕南盆地，此区域热量充足、风雪压小，冬季温室生产的保温要求低，因此温室生产的成本低，但光照资源相对比较匮乏，阴雨雪天气引起的寡照及低温是主要的不利气候条件，温室设计和建造时要尽可能地考虑增加光照。适宜发展区分布在内蒙古阿拉善高原南部、黄土高原西部南部 (包括宁夏、陇东、关中、陕北的延安、山西的临汾运城盆地、豫西)以及华北平原地区，此区域光照条件优于最适宜发展区，太阳辐射总量大、日照时间长、光热资源配置良好，纬度高的地区温度略低，冬季温室生产需注意保温。其中，关中平原、河南、冀中冀南、鲁西南地区冬春季节寡照灾害严重，在温室设计和生产中应注意采光;河南、冀中等地区雪压较大，温室建造还应注意雪荷载，发生强降雪天气时及时清扫，防止积雪过重压垮棚室;宁夏、天津、山东半岛沿海温室建造要注意风荷载，阿拉善高原因常年大风频繁，日光温室发展不多，目前多为牧区。内蒙古中部、陕北、晋北、冀北高原光照条件较好，但寒冷季节需加温才能保证温室内作物安全越冬，可发展日光温室进行春提前秋延后的作物栽培，因此，综合评定为次适宜发展区。不适宜发展区分布在晋北的右玉、五寨、河北坝上的部分地区，此区域纬度高、海拔高，冬季温室生产受低温威胁大，另外，部分地区风速很大，也是不适宜日光温室发展的重要原因。

图8 日光温室气候适宜性区划

3 结论与讨论

以北方地区为例，根据日光温室生产对气候条件的要求，结合气候资源特点及其分布特征，合理选取影响日光温室生产的气候因子作为区划指标，在GIS技术支持下，应用加权指数求和法，开展日光温室的气候适宜性研究，将研究区域划分为最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区4个等级。最适宜区主要在陕南盆地;适宜区主要包括内蒙古阿拉善高原的南部、宁夏、陇东、关中、陕北的延安、山西的临汾运城盆地、豫西以及华北平原;次适宜区包括内蒙古中部、陕北、晋北、冀北高原;不适宜区包括山西的右玉、五寨、河北坝上的部分地区。

该文从光、温、风、雪4个气候要素角度考虑，对北方地区日光温室发展的气候适宜性进行了区划，区划指标及其界限值主要是根据温室生产对气候条件的要求，并参考前人的研究成果，利用合理的数理统计方法得出的。从区划结果看，与现有的实际情况总体相符，但有个别局部地区与实际略有差异;另外，某一地区综合评定为适宜发展区并不代表该区域的各单项指标都是最优的，也存在某方面的风险，实际生产中仍要注意防灾减灾，特别是对于极端气候事件 (如瞬时大风、强降雪等)。因此，对于具体地区，还可进行更精细化的区划，有针对性地选择一些区划指标，如考虑到日光温室的使用寿命在5～10年，在风、雪压较大的地区评价温室发展前景时，可选择五年或十年一遇的风雪要素作为评价指标，可能对局地的生产实践更具指导意义。另外，在实践中，经济、交通、科技水平等的影响也应加以考虑，这样才能为合理利用气候资源，避免不利气候条件对温室生产的影响，科学规划温室的发展布局，提供更加详细的参考依据，促进日光温室的合理、高效发展。

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