阳光玫瑰葡萄设施促早栽培小气候特征及预报模型

方莎莎，孟翠丽

(武汉农业气象试验站,湖北 武汉 430040)

葡萄是我国最主要的水果之一，有“水果皇后”之美誉。随着人们生活质量的提高，葡萄产业已从食品向化妆品、医药用品、生物制品等领域延伸[1]。面向旺盛的消费需求，近年我国葡萄种植面积和产量迅速扩张，葡萄产业面临着产量基本饱和、价格持续走低、销售市场不乐观等新问题[2-3]。采取“双天膜加地膜”覆盖方式的促早栽培措施，既可以使葡萄提早上市，实现淡季供应，又可减轻冻害、暴雨及高温热害的影响，具有减灾增效的优势，近年来迅速兴起[2-5]。

围绕大棚水果种植许多学者开展了一系列研究。在栽培技术方面，徐彦兵等[5]发现，设施葡萄“三棚一膜”促早栽培比单层棚栽培提早15 d成熟；徐小菊等[6-7]研究表明，双膜和升温处理可使葡萄成熟期提前，且坐果率、果实硬度、色泽、可溶性固形物含量等指标都有不同程度提高。在设施小气候预报方面，肖芳等[8]分析了设施葡萄小气候变化规律，建立了葡萄冬、春、夏季棚内日均气温、相对湿度预测模型；符国槐等[9]对浙江省慈溪市设施草莓大棚温、湿度进行模拟，建立了冬、春季棚内气温预报模型；袁静等[10]分析了山东大樱桃小气候特征，并利用逐步回归法建立棚内气温、相对湿度预报模型，预报效果较好。然而，针对促早栽培葡萄的大棚小气候研究仍较欠缺，设施葡萄精细化气象服务也有待深入开展。

武汉属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛、日照充足、四季分明，作为华中最大城市，具有强大水果需求和消费市场，葡萄经济效益居武汉主要种植水果之首[11]。近年，阳光玫瑰葡萄因其抗性强、口感佳、品质优、经济效益好等优点深受消费者和种植户青睐[11-12]。本研究以武汉市东西湖区群力大队阳光玫瑰葡萄为研究对象，通过分析设施促早栽培葡萄不同发育期的小气候特征，建立促早栽培葡萄小气候预报模型，研究不同天气条件下小气候调控措施，旨在为设施葡萄促早栽培环境管理和气象服务提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2021年1—8月在武汉市东西湖区东山办事处群力大队阳光玫瑰种植基地内进行。

1.2 试验材料

试验大棚为钢架结构，顶高3 m、长60 m、宽8 m，南北走向，覆盖无滴膜。种植葡萄品种为阳光玫瑰，采用促早栽培方法进行管理，1月上旬盖膜，3月中旬撤外层膜，5月底撤围膜，转避雨栽培。

1.3 试验方法

在试验大棚内离地面1.5 m处安装气温、相对湿度传感器，地表安装10、20 cm地温传感器，自动监测棚内气象要素，采集频率为10 min·次-1，记录时间为2021年2月4日至8月初葡萄采摘结束。棚外气象要素数据采用武汉观象台同期观测数据。本试验数据利用SPSS软件进行方差分析，并利用逐步回归法建立小气候预报模型。

2 结果与分析

2.1 葡萄大棚内小气候特征

2.1.1 气温变化特征

葡萄棚内、外日均气温变化如图1所示。可以看出，棚内外日均气温随时间变化趋势一致，随着外界气温升高，棚内气温也逐渐升高，且季节性变化明显。2月份外界气温偏低，葡萄覆盖双层膜后，白天太阳辐射使棚内气温上升，结合夜晚薄膜保温作用，使棚内平均气温达16.1 ℃，比同期棚外气温高4.8 ℃；3月上旬撤下外膜，棚内外温差减小；4月下旬，随着外界气温升高，尤其是晴天午后，棚内气温超过25 ℃，需要适时开棚通风降温，随着开棚次数增加，棚内外平均温差不断减少，5—6月降至1 ℃以内；7—8月棚外平均气温高于棚内。总的来看，棚外气温变化幅度大于棚内，2—8月棚内、外平均10 d气温变化率分别为1.6和2.4 ℃。

图1 葡萄大棚内外日均气温变化

研究表明，棚内气温受天气条件影响较大[8-10]。根据日照百分率将天空状况分为晴天、多云、阴天3种天气类型[13](日照百分率S>60%为晴天，20%多云>阴天。

图2 不同天气状况下棚内外气温日变化

2.1.2 相对湿度变化特征

从图3可以看出，棚内相对湿度整体高于棚外，2—8月棚内、外平均相对湿度分别为90.7%、78.3%。2—5月棚内、外相对湿度变化趋势一致，6月中旬以后，随着外界气温升高，棚内相对湿度几乎达饱和。由图4可见，棚内相对湿度白天低、夜间高，与气温日变化相反。晴天和多云天气时，9:00前棚内相对湿度大于棚外，日出后随着气温升高，棚内外相对湿度逐渐下降，分别在15:00和12:00左右达最低值，9:00—13:00棚外相对湿度大于棚内，16:00后随着气温降低棚内相对湿度又大于棚外；阴天时，棚内外相对湿度日变化幅度很小，棚内相对湿度全天大于棚外。总的来看，相对湿度变化幅度白天大于夜间，且晴天时相对湿度日较差最大，阴天时日较差最小。同一时刻的相对湿度为阴天>多云>晴天。

表1为棚内与棚外的气温及相对湿度的相关系数。可以看出，夜间棚内外气温的相关系数均大于0.8，大于同一天气类型下白天的值，这是因为夜间棚内气温主要来自地面、植物释放的白天储存的热能，棚外气温也影响着热能向外界的释放，因此，夜间棚内、外气温相关性较好。不同天气类型下，阴天棚内外气温的相关性大于晴天和多云天气，这与符国槐等[9]研究结果一致。各种气候条件下棚内、外相对湿度的相关性均小于气温的相关性。

图3 葡萄大棚内外日均相对湿度变化

图4 不同天气状况下棚内外相对湿度日变化

表1 观测期不同天气条件下棚内、外气温、相对湿度相关性

2.2 大棚小气候预报模型的建立

2.2.1 日平均气温、相对湿度预测模型

研究中采用逐步回归模型对大棚内气象要素进行预测，该模型为:

Y=b0+b1Xi+b2Xj+，…，+bnXn。

式中，b0是常数；Xi为逐步回归模型中选入的变量；b1～bn为变量的相关系数。大棚是一个相对封闭的系统，但它又时刻以辐射、对流和传导等方式与外界进行热量交换。白天，太阳以短波辐射的形式照进大棚，转换为土壤、墙壁、植物表面的热能，夜间这些热能又通过传导、对流、长波辐射等方式散布到大棚空气中。选择当天及前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度、地表平均温度和最高、最低温度、日照时数等作为自变量，棚内气温、相对湿度为因变量，应用逐步回归方法建立数学模型。因冬季低温期间大棚覆盖双膜，随着外界气温升高，3月份撤下外层膜，5月下旬撤下内层膜，因此，将葡萄生育期按不同覆盖条件分为双膜覆盖期(2月5日至3月13日)、单膜覆盖期(3月14日至5月27日)、避雨栽培期(5月28日至8月7日)3个时间段进行小气候预报模型分析。

不同天气状况下棚内日平均气温、相对湿度的预测模型见表2～4。T0、RH0分别代表棚内平均气温、平均相对湿度，T1、Tmax1、Tmin1、RH1、RHmin1、S1、Tsur1、Tsmax1、Tsmin1分别代表棚外当天的平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度、日照时数、日平均地表温度、日最高和最低地表温度，T2、Tmax2、Tmin2、RH2、RHmin2、S2、Tsur2、Tsmax2、Tsmin2分别代表棚外前一天的对应要素。

表2 双膜覆盖期不同天气条件下棚内日平均气温、相对湿度预测方程

2.2.2 逐小时气温、相对湿度预测模型

选择棚外前一天的气温、相对湿度、地表温度、日照时数以及棚内前2 h气温(T3)、相对湿度(RH3)等作为自变量，棚内逐时气温、相对湿度为因变量，建立数学模型。不同天气状况下棚内逐小时气温、相对湿度的预测模型见表5～7。

表3 单膜覆盖期不同天气条件下棚内日平均气温、相对湿度预测方程

表4 避雨栽培期不同天气条件下棚内日平均气温、相对湿度预测方程

表5 双膜覆盖期不同天气条件下棚内逐小时气温、相对湿度预测方程

表6 单膜覆盖期不同天气条件下棚内逐小时气温、相对湿度预测方程

表7 避雨栽培期不同天气条件下棚内逐小时气温、相对湿度预测方程

2.2.3 预报模型的检验

利用2021年2—8月葡萄生育期的气象资料，对不同天气状况下葡萄大棚内的日平均和逐小时气温、相对湿度模型进行拟合检验，结果见表8、9。可以看出，不同天气状况下，棚内日均气温模型模拟的标准误差(RMSE)在3 ℃以内，日均相对湿度的RMSE在5%以内。除避雨栽培期晴天和多云时气温的预测值与观测值的决定系数(R2)为负、个别预测值与观测值的R2较小外，其余模型均通过0.05的显著性水平检验。

由表9可看出，逐小时气温模型模拟的RMSE在7 ℃以内，相对湿度模型的RMSE在14%以内，所有模型均通过了0.001的显著性水平检验，拟合结果精确度较高。同一覆盖条件下，晴天时R2和RMSE更大。相同天气状况下，避雨栽培期模型模拟的RMSE更小，这与随着外界气温升高，大棚揭膜次数增加，棚内、外小气候差异减小有关。

表8 棚内日均气温、相对湿度模型检验

表9 棚内逐小时气温、相对湿度模型检验

3 小结与讨论

本试验以武汉市群力大队阳光玫瑰葡萄为研究对象，分析设施促早栽培葡萄不同生育期小气候变化规律，建立促早栽培葡萄不同覆盖条件、不同天气状况下的小气候预报模型。结果表明：

双膜覆盖期棚内平均气温高于棚外，避雨栽培期棚外平均气温高于棚内。2—8月棚内外气温日变化均呈单峰型，棚内外气温最低值均出现在5:00左右，棚内、外气温最高值分别出现在正午12:00—13:00和下午15:00—16:00。晴天和多云天气时，白天棚内气温明显高于棚外，阴天时棚内外温差较小。气温日较差为晴天>多云>阴天，同一时刻的气温为晴天>多云>阴天。

棚内相对湿度白天低、夜间高，与气温日变化相反。3种天气状况下棚内相对湿度最高值均出现在5:00前后，晴天时相对湿度最低值出现在下午15:00，阴天和多云时相对湿度最低值出现在12:00—13:00。相对湿度变化幅度白天大于夜间，相对湿度日较差为晴天>多云>阴天，同一时刻的相对湿度为阴天>多云>晴天。

逐步回归方法能够较好地反映不同覆盖条件下葡萄大棚内、外气象要素间的相互关系。对预报模型进行拟合检验，不同天气状况下棚内日均气温模型的RMSE均小于3 ℃，日均相对湿度模型的RMSE均低于5%，大部分结果通过0.05的显著性水平检验；逐小时气温模型的RMSE小于7 ℃，相对湿度模型的RMSE小于14%，所有模型均通过0.001的显著性水平检验，拟合精确度较高。

本试验中日均气温、相对湿度的模型拟合基于不同覆盖条件、不同天气状况下的观测数据，因此样本量较少，对结果代表性有一定影响，仍需更深入的观测研究进行验证。