永丰蔬菜大棚冬季不同天气状况下小气候分析
2016-12-19玮胡晨刘
周 玮胡 晨刘 翀
(1.吉安市气象局,江西 吉安 343000;2.井冈山市气象局,江西 井冈山 343699;
3.永丰县气象局,江西 永丰 331500)
永丰蔬菜大棚冬季不同天气状况下小气候分析
周 玮1胡 晨2刘 翀3
(1.吉安市气象局,江西 吉安 343000;2.井冈山市气象局,江西 井冈山 343699;
3.永丰县气象局,江西 永丰 331500)
根据江西省永丰县冬季蔬菜大棚内外的气象观测资料,对3种不同天气状况下棚内的温度、湿度和总辐射的变化特征以及其与外界气象条件的关系进行对比分析,并对3种天气条件下大棚内外温湿气象要素关系进行回归相关分析,建立相应的回归方程,利用该组方程可以对冬季大棚内的温湿气象要素进行相应分析,用于指导大棚农业生产。
蔬菜;大棚;冬季;棚内小气候;变化特征
蔬菜大棚主要是利用薄膜对太阳短波辐射较强以及对地面长波辐射较弱的穿透特性,而达到增温保温的目的[1],是按照作物的生长需求,改善作物的光、温、湿等条件,人为地改变棚内小气候,从而促进作物生长发育,获得优质高产农产品的有效的农业技术措施。利用塑料大棚实行农业生产在小气候利用方面能起到趋利避害的作用,在寒冷的冬季利用大棚的透光和保温性能能有效抵御冬季的低温,只有充分了解当地天气条件对大棚内小气候的影响,合理地控制光温湿度等,再科学配置适宜的品种,在恶劣的天气条件下才能获得优质高产的农产品。为了探讨江西省吉安市蔬菜大棚内小气候变化规律,更好地利用吉安市气候资源,对永丰县蔬菜大棚内冬季小气候条件以及其与外界气象条件的差异规律进行分析研究,建立棚内外气象要素的数理关系,以期为有关部门和广大农民减灾增效提供依据。
1 测站地点与分析方法
1.1 测站地点
蔬菜大棚农田小气候观测站,地点设在永丰县佐龙乡蔬菜科研所的蔬菜生产基地,大棚
为七连栋大棚,小气候观测仪设置在中间大棚中。
1.2 选取项目
选取内容为2015年12月—2016年2月的晴天、多云天及阴雨天3种不同天气类型下蔬菜大棚内外的气温、相对湿度及总辐射照度。棚内资料采用蔬菜大棚农田小气候观测站资料,棚外同期的气象资料来源于永丰县气象局自动气象站观测资料。
1.3 统计分析方法
统计分析大棚内的气候特征,按日期和时间进行统计,日平均值为21:00至次日20:00;逐时平均值是按晴天、多云、阴雨天分白天(8:00—18:00)和夜晚(19:00—7:00)2个时段分类每小时平均统计计算;3种不同天气按照日照时间划分,≥6 h为晴天,3~6 h为多云,≤3 h为阴天,阴天有雨为雨天,阴天和雨天归为阴雨天[2,3];利用永丰县观测站的资料进行对比分析,运用回归分析方法,建立棚内外相关方程。
2 结果与分析
2.1 空气温度变化特征
2.1.1 棚内外气温变化比较
2.1.1.1 大棚内主要小气候特征之一是温度明显增高。棚内温度升高快,温差大,棚内外温度存在较大差异,棚内增温效应明显。大棚的增温效应使棚内温度明显高于棚外(除有时候出现“温度逆转”现象,即棚内温度低于棚外)。从平均、最高、最低3种气温的增幅情况看(见表1),最高气温>平均气温>最低气温。
2.1.1.2 不同天气状况大棚增温效应不同。晴天条件下因日照充足,棚内升温迅速,气温高,增温效果最为明显;其次是多云天气,阴雨天最小,但阴雨天可以提高棚内的最高温度,阴雨天大棚内部的平均日最高气温达到14.5℃,比棚外的9.5℃高5.0℃。表1为冬季大棚内外气温计算统计数据,从表1可以看到,晴天和多云天棚内的平均气温增幅为5.8℃和5.0℃,比阴雨天的3.0℃高2.8℃和2.0℃;平均日最高气温增幅为9.1℃和7.6℃,比阴雨天的5.0℃高4.1℃和2.6℃。可见大棚的增温效果晴天>多云>阴雨天。但棚内平均日最低气温阴雨天>多云>晴天,阴雨天一般空气湿度比较大,温度变化比较平稳,棚内温度高于棚外,体现出大棚的避雨及保温效果。
2.1.1.3 棚内昼夜温差大且高于棚外气温日较差。大棚内气温的日变化幅度比外界剧烈,主要是由于白天光照水平较高,大棚内部的温度升高幅度大,而夜间逆辐射,棚内热量损失,致使温度降低,加上单层棚膜的保温力度相对不强,棚内外温差不大,因而大棚具有气温日较差明显偏大的特点[4]。3种天气状况下棚内气温日较差为5.7~20.2℃,高于棚外日较差2.5~6.4℃(见表1),棚内气温日较差高于棚外,体现了大棚的增温优势,在作物生长温度范围内,日较差越大,越有利于作物有机物质的积累及品质的提高[5]。昼夜温差依天气状况而异,晴天白天由于太阳辐射强,外界光照条件好,棚内增温迅速,日较差最大,多云天次之,阴雨天最小,晴天棚内昼夜温差可达20.0℃以上(见表1)。
表1 不同天气类型棚内外气温统计值
2.1.1.4 3种天气均有“温度逆转”现象出现。从棚内外气温观测数据对比中看到,3种不同天气均有“温度逆转”现象出现(晴天9 d、多云天7 d、阴雨天3 d出现“温度逆转”现象),出现的日数晴天多于多云天多于阴雨天,出现的时间晴天长于多云天长于阴雨天,下降的幅度晴天>阴雨云>多云;晴天一般16:00—7:00、多云天16:00—2:00、阴雨天21:00—7:00之间连续或间断地出现“温度逆转”现象,晴天和多云天各有一天甚至从13:00—14:00开始一直持续到第2天8:00,降幅晴天为0.1~7.0℃,多云天为0.1~5.4℃,阴雨天为0.1~6.0℃。
2.1.2 棚内气温日变化规律。图1、2、3为冬季大棚在晴天、多云天、阴雨天3种天气状况下棚内外逐时平均气温日变化特征图,从图1、2、3中可以看出,3种不同天气状况棚内气温日变化曲线均呈单峰型,与棚外气温变化趋势相似,存在明显的日变化周期。棚内气温的日变化随着太阳高度、日照状况和外界温度的变化而变化,白天温度升高,夜间温度降低,气温日变幅明显大于棚外。
光照强度是影响大棚内温度变化的主导因素。揭帘后,在晴天条件下大棚开始受光照影响温度逐步上升,棚内外温差逐渐加大,8:00—11:00升高最快,在密闭较好的情况下,1 h最快可升高5.0~9.0℃。为防止气温上升过高,10:00—11:00后农户会开始通风,气温转为缓慢上升或先下降再上升,13:00—14:00达到全天最高值,比棚外气温提前1~2 h,棚内外气温最大差值出现在中午时刻,大棚通风可以调节最高温度出现的时间,并降低棚内最高温度;之后随着太阳光照减弱以及大气温度的下降开始下降,初始下降缓慢,15:00—16:00后下降速度加快,日落后由快到慢,盖帘后棚内没有了外来的热源,完全处于热量的耗损状态,温度逐渐下降,棚内外气温最小差值出现在19:00;夜间温度下降平稳,次日日出前与外界同时达到最低值,棚内最低气温与外界最低气温为同步生降的趋势,夜间棚内温度水平取决于大棚自身的保温能力和保温措施。3种天气状况夜间棚内外温差均不大,棚内平均日最低气温比棚外高1.8~2.7℃。
图1 晴天棚内外气温日变化
图2 多云天棚内外气温日变化
图3 阴雨天棚内外气温日变化
多云天气时,棚内气温也有明显的日变化,变化趋势与晴天相似,但变化幅度没有晴天剧烈,增温或降温都较晴天小。
阴雨天由于全天有云覆盖,棚外光照弱,太阳辐射升温不强,棚内有薄膜的保温作用,气温日变化较为平缓,升幅较小,降辐也小,大棚内外温差也小,气温变化相对稳定性较晴天和多云天气小。
大棚内气温的变化主要是受太阳辐射的影响,不同天气状况接收到的太阳辐射有不同的变化,导致棚内气温的变化也有所不同。图4是3种不同天气状况下棚内气温日变化特征对比图,可以看出,不同天气状况棚内气温随时间变化趋势基本一致,气温日变幅晴天>多云天>阴雨天;3种天气同一时间的棚内气温,晴天、多云天与阴雨天之间,10:00—18:00有明显差异,日最高值出现时差值最大;19:00—9:00差异较小,白天气温差值大于夜间,21:00—8:00同一时间的气温阴雨天>多云>晴天,其他同一时间气温晴天>多云>阴雨天。3种天气状况全天最低气温均出现在6:00—7:00。
2.1.3 棚内外气温的相关性分析。根据棚内外气温观测资料按不同天气和不同时间段建立棚内气温(y)与棚外气温(x)的相关方程(见表2),方程均通过0.01信度的显著性检验。从表2看到,3种天气类型棚内外气温的相关性,19:00—7:00时段高于8:00—18:00时段,白天的相关性较差,夜间的相关性较好。
2.2 空气湿度变化特征
2.2.1 棚内外相对湿度变化比较。大棚内的水汽主要来源于土壤蒸发和作物叶面蒸腾[6]。大棚是一个密闭的环境,塑料薄膜的通透性能极差,由于大棚常处于封闭或半封闭状态,棚内空气与外界空气无法畅通交换,棚内水汽不易外逸,造成棚内湿度远大于外界,经常处于饱和或接近饱和状态,因此空气湿度大成为了设施栽培的主要特点之一。
表3是3种天气状况下棚内外逐时平均相对湿度日变化比较。由表3可知,3种天气棚内平均相对湿度均在80%以上,明显高于棚外,晴天时高于棚外20%以上,阴雨天、多云天高于棚外10%~12%;夜间高于白天,夜间棚内湿度大变化小,3种天气相对湿度均在95%以上的高湿状态。3种天气棚内平均相对湿度阴雨天>多云>晴天,晴天时相对湿度分别低于多云天和阴雨天10%和16%;19:00-9:00 3种天气棚内相对湿度均较高且差异小,其他同一时间差异较大,并且三者均在午后达到最小值。
表2 棚内气温(y)与棚外气温(x)的回归模式
表3 不同天气类型棚内外相对湿度
图4 3种不同天气状况下棚内气温日变化
晴天与多云天时大棚内空气湿度有明显的日变化,白天下降,最小值分别为40%和66%;夜间升高,最大值达到98%。8:00左右棚内湿度达到最大值,揭帘后随着温度的升高,棚内湿度开始下降,14:00—15:00达到最小,与升温形成对应关系;盖帘后棚内湿度随着温度的下降而逐渐增大,直至次日揭帘前。
阴雨天时,棚内相对湿度全天均维持在92%以上的高湿状态,18:00—10:00几乎接近饱和,全天变化较平稳,下降不大,只是在中午时刻略有下降。在阴雨天、夜间,尤其是低温寡照连阴雨天气时,棚内温度低,湿度又经常处于饱和状态,这种高湿低温寡照状态,不仅造成植株生长弱,影响作物的开花结实,也易感染病害和遭受冷冻害,棚户应特别注意。
2.2.2 棚内外空气相对湿度的关系。根据棚内外空气相对湿度观测资料,建立棚内空气相对湿度(y)与棚外空气相对湿度(x)的相关方程:Y=0.536 4X+ 49.757 0,相关系数为0.577 9。当信度为0.01时,T检验达显著水平。
2.3 棚内太阳辐射变化特征
太阳辐射是形成大棚内微环境的一个重要因素,是提高棚内温度,维持蔬菜正常生长发育与产量形成的基础,棚内总辐射是棚外太阳辐射经过大气衰减和棚膜削弱过滤后到达的太阳直接辐射和散射辐射之和,是大棚获取能量的唯一来源。太阳辐射对蔬菜的光合作用、呼吸作用、开花结果及品质都有影响,光照充足,叶片光合作用强,营养积累多,不但有利于蔬菜生长、增加产量,并且能提高蔬菜品质。
由于云层对太阳辐射的反射最为明显,不同天气状况接收到的太阳辐射有所不同。根据大棚观测资料统计计算,冬季大棚内接受到的平均总辐射为60.07 W/m2;晴天棚内总辐射平均为118.90 W/m2,阴雨天为29.65 W/m2,为晴天平均总辐射的25%;多云天则介于两者之间,为73.21 W/m2。3种天气在冬季各月棚内接受到的太阳辐射平均值均相差不大,12月和2月更相差微小,晴天时12月和2月平均总辐射为119.34 W/m2和119.98 W/m2,大于1月平均总辐射114.42 W/m2;多云天时为71.89 W/m2和71.60 W/m2,小于1月平均总辐射76.36 W/m2;阴雨天时为31.88 W/m2和31.12 W/m2,大于1月平均总辐射24.77 W/m2。
图5是3种天气状况下棚内逐时平均总辐射量日变化特征对比图。从图5可以看出,3种天气状况棚内逐时平均总辐射照度日变化基本均呈单峰型变化特征(晴天还出现一个小峰值),棚内辐射照度的日变化与棚外的太阳辐射变化具有同步性,变化趋势基本一致,只是由于棚膜对太阳光的反射和削弱作用,在同一时间棚内接受到的辐照强度比棚外低。3种天气同一时间的总辐射强度晴天>多云>阴雨天,逐时平均最大值分别为217.40 W/m2>127.40 W/m2>44.10 W/m2;逐时平均最大总辐射晴天和多云天均出现在13:00左右,阴雨天出现在12:00。
晴天时,棚内接受到的太阳辐射具有明显的日变化。正午前后大,早晚小,18:00—7:00基本无辐射;揭开草帘后,棚内总辐射开始增加,7:00—18:00总辐射变化呈先上升后下降的趋势,上午随着太阳高度角的增高也迅速升高,中午前后达到最大,下午随着太阳高度角的减小而迅速减小,上下午基本对称。日最大总辐射为160.00~344.00 W/m2,日最大平均值为244.18 W/m2,冬季最大值出现在2月,为344.00 W/m2。多云天时,棚内总辐射的日变化趋势与晴天相似,日最大平均值较晴天低,为164.17 W/m2,日最大值为70.00~221.00 W/m2,冬季最大值出现在2月,为221.00 W/m2。阴雨天时棚内日最大总辐射为1.00~198.00 W/m2,日最大平均值为58.83 W/m2,为晴天日最大总辐射平均值的24%;冬季最大值出现在12月,为198.00 W/m2。
图5 3种不同天气状况下棚内总辐射量日变化
3 结论
3.1 温度
大棚的主要特点之一是具有很好的增温保温性能,棚内温度明显高于棚外(除有时候出现“温度逆转”现象);不同天气类型增温效应不同,3种天气增温效果晴天>多云>阴雨天;棚内气温日较差大且高于棚外气温日较差,晴天日较差最大,多云天次之,阴雨天最小,这些与许多研究结果一致。
3种天气状况均有“温度逆转”现象出现,最大降幅达到5.4~7.0℃。同时,3种天气棚内外平均最低气温温差为1.8~2.7℃,在外界温度较低时,如果棚内温度低于作物生长的最低耐受温度下限,易出现低温危害,应注意增强大棚的增温防寒保温措施,降低大棚内热量的损失,以保持夜间大棚内较高的温度,有条件的应增加增温设备,以防低温造成作物灾害。
3种天气状况棚内气温20:00—8:00均下降至10.0℃以下,在栽培喜温蔬菜的大棚,20:00前后应进行增温,使棚内气温能够维持在蔬菜适宜生长的下限温度之上。
3.2 相对湿度
3种天气棚内相对湿度全天均表现为增湿,平均相对湿度均在80%以上,远高于棚外,高于棚外10%~21%。蔬菜类作物进行光合作用的适宜空气湿度一般在60%~85%,当空气湿度低于40%或高于90%时,光合作用会受到抑制[7],棚内增湿效应造成湿度长时间持续90%以上的高湿,不仅影响作物的光合作用和对矿质营养的吸收,还易引起许多病虫害的滋生蔓延,所以除湿是大棚的一项重要任务。因此,在生产上应视棚内温度和天气情况,在确保棚温对作物安全的条件下,针对选种品种生长所需的湿度条件酌情采取降湿措施或选种喜湿品种。
3.3 光照
大棚内接受到的总辐射和棚外的太阳辐射变化具有同步性,辐照强度随着外界自然辐照强度的增加而增加。因此,为了有利于提高大棚内的辐照强度,在生产上应注意定期清洁棚膜或更换新的、透光率高的棚膜。
3种天气条件下大棚内总辐射平均值和日最大平均值晴天>多云>阴雨天,阴雨天时棚内总辐射平均值和日最大平均值为晴天时的25%和24%。晴天和多云天棚内接受到的太阳总辐射日最大值分别为160.00~344.00 W/m2和70.00~221.00 W/m2,一般最大值出现在正午前后;阴雨天时棚内接受到的总辐射日最大值每日变化比较大,一般在1.00~198.00 W/m2,规律性较差。生产者可根据棚内总辐射值大小、日变化规律和作物对太阳光照的需求规律,采取补光或遮阴措施,从而避免因中午前后辐照过强造成作物烧伤或阴雨天光照不足形成弱苗、植株长势较差的现象,还可达到合理调控棚内温湿度的目的。
3.4 回归方程的建立
棚内外温湿要素具有较好的相关性,运用统计方法建立了回归方程,根据这些方程,可用棚外温湿数据来推算棚内温湿气象要素,为冬季大棚生产管理提供支持。
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1674-7909(2016)23-78-5