基于不同發育期的日光溫室黃瓜低溫冷害風險評估研究*

陳思寧，柳 芳，黎貞發，劉淑梅（天津市氣候中心，天津 300074）

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·資源區劃·

基于不同發育期的日光溫室黃瓜低溫冷害風險評估研究*

陳思寧，柳 芳※，黎貞發，劉淑梅
（天津市氣候中心，天津 300074）

摘 要文章基于自然災害風險理論對天津日光溫室黃瓜低溫冷害進行風險評估。以溫室內、外氣象觀測數據為基礎，以天津設施農業種植區為研究區域，通過以往積累的觀測試驗結果與實地調查，確定不同發育期黃瓜低溫冷害溫室內致災指標，并使用80%保證率法，由溫室內致災指標推算溫室外致災指標；基于自然災害風險理論，估算日光溫室黃瓜低溫冷害風險概率；并實現基于不同發育期的溫室黃瓜低溫冷害風險評估與區劃。研究結果表明，（1）就不同發育期而言，近10年來，苗期黃瓜遭受輕度低溫冷害的風險明顯高于中度與重度低溫冷害，花期黃瓜遭受輕度與中度低溫冷害的風險普遍高于重度低溫冷害，果期黃瓜遭受重度低溫冷害的風險普遍較高；就黃瓜生長整個生育期而言，大部分越冬茬黃瓜果期遭受重度低溫冷害的風險普遍較高，這給黃瓜最終產量與經濟收入帶來較大影響，而越冬茬黃瓜苗期發生重度低溫冷害的風險最低；（2）就空間分布而言，果期重度低溫冷害的風險全天津最高，黃瓜苗、花、果期遭受輕度低溫冷害的風險也較高，而黃瓜苗期遭受重度災害的風險最低；（3）寶坻西北部與薊縣西南部邊緣在各生育期不同受災等級下都會成為高風險區，這是由于該區地勢低洼，冷空氣下沉，易造成低溫所致。

關鍵詞日光溫室 黃瓜 低溫冷害 風險評估 發育期

0 引言

黃瓜是起源于亞熱帶的喜溫作物。黃瓜雖喜溫暖但不耐高溫，同時對低溫也較敏感。近年來冬季黃瓜生產過程中，由于保護設施內的溫度環境條件不能完全滿足黃瓜正常生長發育需要，低溫冷害頻發，且在不同生育期災害表現不同。在黃瓜生育過程的任何一個時期都能發生冷害。發芽時遇到低溫，種子不能萌發或發芽遲緩；幼苗期遇到低溫，幼苗生長緩慢，節間縮短，顏色濃綠。開花結果期遇到低溫，黃瓜植株生長明顯受到抑制，節間縮短，葉片短縮不長，龍頭小，果實生長緩慢［1］。因此，針對不同生育期開展日光溫室黃瓜低溫冷害研究有十分重要的實際意義。盡管近30年來我國設施農業取得了長足的進步，但總體水平落后于發達國家。設施作物一般不直接觸及外界氣象條件，即不直接受益于或受損于外界天氣，但是災害性的天氣對設施作物的危害是顯而易見的［2］。

國內外學者已針對設施農業氣象災害風險評估方面進行了大量研究。由于國外發達國家設施農業具備設施設備完善、技術成套、生產規范、產量穩定、質量較高等特點，形成了穩定的產業體系［3］，可根據植物生長所需的最適生態條件在設施內進行環境自動控制，能夠不受氣候條件影響，因此風險評估往往側重于經濟風險、社會風險及環境風險等研究［4-5］。我國的眾多學者也針對設施農業氣象災害做了大量的工作，如魏瑞江 （2003）確定了河北省溫室蔬菜低溫寡照災害等級指標，分析了低溫寡照的時空分布規律［6］；張明潔 （2011）等通過對我國北方地區影響日光溫室生產的主要氣候因素進行分析，從光、溫、風、雪等4個方面選取了多個氣象因子作為氣候適宜性區劃指標，在GIS技術支持下，得到北方地區日光溫室發展的氣候適宜性區劃圖［7］；魏瑞江 （2005）等基于河北省日光溫室多年小氣候觀測資料，并結合果菜類蔬菜生長發育所需要的氣象條件及其遭受低溫寡照災害后的減產程度，得出果菜日光溫室適宜發展的氣象因子指標，并確定果菜日光溫室適宜發展區域［8］；蔡冰 （2011）等對江蘇省設施農業氣象3種主要氣象災害 （寡照災害、低溫災害、高溫災害）進行風險等級區劃［9］；黃川容 （2012）等研究了日光溫室風災等級劃分的量化標準，并對日光溫室風災風險的時空變化進行了評估［10］；黎貞發 （2012）等結合溫室小氣候觀測數據分析了天津溫室蔬菜生產季主要氣象災害、發生特點與風險，并從溫室設計、標準制定及災害預警服務等方面提出對策與建議［11］；楊再強 （2013）等構建了基于實數編碼的加速遺傳算法與投影尋蹤的日光溫室氣象災害風險評價模型，并對北方地區日光溫室主要生產月氣象災害風險進行逐月評價［12］。綜合國內外研究進展 （特別是國內研究）不難發現，在設施農業各類氣象災害的評價指標方面都取得了比較一致的結果，能綜合考慮多個致災指標對設施農業的影響，并能根據當地實際情況準確界定作物不同受災程度致災指標的臨界值，在業務服務應用中取得一定的成效。但仍存在一些問題:（1）溫室作物不同于大田作物，大田作物是完全暴露于外界自然環境中的，其受災情況直接受外界環境要素的影響（如各氣象要素），但溫室作物生長于溫室內，盡管也受外界環境的間接影響，但更直接受作用于溫室內小氣候環境的影響。而現有研究仍多以經驗與實地調查的方式確定影響溫室作物氣象災害的溫室外氣象要素，這一做法既忽略了溫室內外氣象要素間的聯系，更未考慮溫室內氣象要素對溫室作物的直接影響；（2）現有研究仍多以溫室作物的整個生長期為研究對象，事實上，處于不同發育期的溫室作物，其氣象災害的影響因素與影響結果不完全相同，因此，有必要針對不同發育期評估溫室作物的氣象災害風險；（3）多數研究尚未考慮溫室類型在溫室作物氣象災害評估中的影響，而不同溫室類型的保溫作用存在明顯差異，故忽略溫室類型對溫室作物的影響而評估溫室作物氣象災害顯然是不合適的。

針對上述問題，該研究以都市型設施農業種植區——天津為研究區，以日光溫室黃瓜為研究對象，以溫室內、外氣象觀測數據為基礎，通過以往積累的觀測試驗結果與實地調查，根據溫室內、外氣象要素對應關系確定不同發育期黃瓜低溫冷害溫室內、外災害指標；基于自然災害風險理論，估算日光溫室黃瓜低溫冷害風險概率；并實現基于不同發育期的溫室黃瓜低溫冷害風險評估與區劃。

1 材料與方法

1.1 研究區、溫室簡介及數據

1.1.1 研究區

天津地處華北平原東北部，北依燕山，東臨渤海，處于山地向濱海平原的過渡地帶，境內分布有山地丘陵、平原及海岸灘涂，瀕臨150km2以上的海岸線。多樣的地形地貌與豐富的氣候資源，形成了天津特色的農業種植業、養殖業及林果業。近年來設施農業生產迅速興起，設施種植的蔬菜、花卉面積及產出不斷增加，成為新的增長點。

1.1.2 溫室簡介

日光溫室位于天津西青第六埠，溫室長度80m，跨度6.5m，脊高3.1m，后墻高2.5m，后屋面投影0.67m，側墻厚度0.37m，側墻與后墻均為磚墻，后坡材料為水泥，后坡厚度0.15m，保溫被厚度0.04m。1.1.3 數據

研究數據包括由天津市氣候中心提供的天津13個氣象要素觀測站2005～2015年逐小時溫室外氣象數據 （氣溫、日照時數、相對濕度等）與西青第六埠溫室2011～2012年、2012～2013年、2013～2014年越冬茬黃瓜3個完整生育期 （當年10月至次年5月）每10min觀測一次的溫室內小氣候觀測數據 （氣溫、地溫、相對濕度、輻射等）。由于部分溫室內小氣候數據缺測，研究采用基于BP神經網絡的日光溫室氣溫模擬模型［13］模擬溫室內逐時氣溫。該模型利用室外逐時溫度、室外日照時數日累積量、室外相對濕度及相對時刻模擬溫室內逐時氣溫。考慮到數據的完整性，將2012～2013年數據作為建模數據，2011～2012年與2013～2014年數據作為驗證數據，檢驗模型對于西青日光溫室內逐時溫度的模擬結果。

1.2 溫室黃瓜低溫冷害風險評估方法

表1 溫室黃瓜發育期

1.2.1 黃瓜生育期

由日光溫室黃瓜生產實踐知，天津市溫室黃瓜通常在每年的10月1日前定植，幼苗期一般持續23d左右；只開花不結果需經歷10d左右；在開花后為既開花又結果期，可一直持續到次年5～6月，但2月底以后基本不存在低溫冷害，所以，將溫室黃瓜生育期確定如表1。

1.2.2 溫室黃瓜低溫冷害致災指標構建

基于本課題組以往的試驗結果、結合天津溫室黃瓜種植區實地調查［14］與參考溫室黃瓜生長栽培資料［15-17］，確定基于不同生育期的黃瓜溫室內低溫冷害致災指標。天津日光溫室種植區面積較大，但目前尚未實現每一個溫室都裝有小氣候實時監測系統，而天津現有200多個氣象要素觀測自動站，基本上形成了一個分布均勻、實時監測的氣象要素觀測網，因此，獲得黃瓜低溫冷害溫室外致災指標對于區域風險評估更具實際意義。該研究根據溫室內黃瓜低溫冷害等級指標，分別挑選溫室內不同等級溫度對應的溫室外氣溫數據，按照80%的保證率的對應關系選取，取其平均值作為黃瓜溫室外低溫冷害指標值。保證率是指某氣象要素值小于或大于某一數值的可靠程度，通常以某氣象要素在長時期內小于或大于某一數值的累積頻率來表示。

1.2.3 溫室黃瓜低溫冷害災害強度風險評估模型構建

首先，以天津13個氣象觀測站2005～2006年、2006～2007年、2007～2008年、2008～2009年、2009～2010年、2010～2011年、2011～2012年、2012～2013年、2013～2014年、2014～2015年越冬期（該研究以當年10月1日至次年2月28或29日作為溫室黃瓜越冬期）溫室外氣溫為基礎，構建黃瓜低溫冷害致災指標序列；然后，對不同發育期、不同致災等級下的致災指標序列分別進行概率密度函數擬合檢驗，選擇最優的理論概率分布函數計算各發育期、各級低溫冷害事件的風險概率值，獲得13個站10個越冬期溫室黃瓜不同發育期、各級低溫冷害的概率值；再對各站的10個概率值求平均，進而得到各站不同發育期、不同受災等級溫室黃瓜低溫冷害的風險評估值。

2 結果與分析

2.1 溫室內氣溫模擬結果

圖1為黃瓜花期 （a）與果期 （b）西青溫室逐時氣溫度模擬結果，表2為逐時氣溫模擬結果與實測值的誤差分析情況。由圖1與表2可見，溫室內逐時氣溫模擬值與實測值比較接近，特別是果期氣溫的模擬結果，且逐時氣溫模擬值與實測值的最大誤差為-1.92℃、最小誤差為0.07℃、平均誤差為-0.35℃、相對誤差為0.04℃、標準差為3.03℃，總體上，逐時氣溫模擬值精度可以滿足需要。

2.2 溫室黃瓜低溫冷害指標

黃瓜低溫冷害溫室內致災指標基于課題組前期研究成果［13］與實地調查結果而得 （表3），并根據溫室黃瓜低溫冷害致災指標構建方法，確定黃瓜低溫冷害外致災指標 （表4）。天津日光溫室多在10月20日左右覆膜，因此認定黃瓜苗期溫室內、外氣溫相同，即黃瓜苗期低溫冷害溫室內、外指標相同。表3與表4僅給出溫室黃瓜低溫冷害溫室內、外致災指標，而沒有給出指標持續的時間，這是因為課題組在以往的試驗中［18］，僅針對黃瓜苗期采用人工氣候箱進行低溫冷害試驗，即可以準確確定黃瓜苗期致災指標的持續時間，而花期與果期不適宜用人工氣候箱進行試驗，該文結合溫室黃瓜低溫冷害的實地調查情況認為，當表2與表3內的致災指標持續24h以上時，即發生相應災害。

圖1 黃瓜花期 （a）與果期 （b）西青溫室逐時氣溫度模擬結果

表2 逐時氣溫模擬結果與實測值的誤差分析

表3 黃瓜發育期溫室內低溫冷害指標

表4 黃瓜發育期溫室外低溫冷害指標

2.3 溫室黃瓜低溫冷害風險評估與區劃

圖2所示為近10年來溫室黃瓜越冬期低溫冷害風險變化情況。苗期，黃瓜遭受輕度低溫冷害的風險明顯高于中度與重度低溫冷害，黃瓜苗期遭受輕度低溫冷害的風險概率值普遍位于0.25 ～0.40之間；花期，黃瓜遭受輕度與中度低溫冷害的風險普遍高于重度低溫冷害；果期，黃瓜遭受重度低溫冷害的風險普遍較高、其次為中度、再次為輕度。就黃瓜生長整個生育期而言，苗期發生重度低溫冷害的風險最低，近10年來風險概率值均未超過0.1；而從2008年年底到2013年初，黃瓜果期遭受重度低溫冷害的風險普遍高于其他等級災害風險，這給黃瓜最終產量與經濟收入都帶來較大影響。

圖2 溫室黃瓜近10年越冬期低溫冷害風險概率變化

圖3 天津日光溫室黃瓜低溫冷害風險區劃

由圖3可見，針對不同發育期、不同災害等級，天津溫室黃瓜低溫冷害的風險分布情況不同。苗期:輕度低溫冷害的高風險區位于薊縣，而中、重度低溫冷害的高風險區位于寶坻西北部與薊縣西南部邊緣，苗期3級低溫冷害的較低風險區均位于市區與濱海新區，且苗期輕度低溫冷害的風險明顯高于中度與重度災害；花期:輕災高風險區位于濱海新區的中部與東北部，中災的高風險區位于寶坻西北部與薊縣，重災的高風險區位于寶坻西北部與薊縣西南部邊緣，輕災的低風險區位于寶坻西北部與薊縣西南部邊緣，中、重災的高風險區位于市區與濱海新區，且花期輕度低溫冷害的風險明顯高于中度與重度災害；果期:輕災的高風險區位于市區、濱海新區中部及東北部，中災的高風險區位于東麗、濱海新區中部及東北部，重災的高風險區位于寶坻西北部與薊縣西南部邊緣，且果期重度低溫冷害的風險明顯高于輕度與中度災害。縱觀溫室黃瓜整個生育期，果期重度低溫冷害的風險全天津最高，最高風險概率值達0.392，這也直接影響了黃瓜的最終產量與經濟收入，黃瓜苗、花、果期遭受輕度低溫冷害的風險也較高，而黃瓜苗期遭受重度災害的風險最低。另外，寶坻西北部與薊縣西南部邊緣在各生育期不同受災等級下都會成為高風險區，這與該區的地理位置有關，該區地勢低，又位于北部山區下的平原地區，寶坻南部比較高，冬天刮西北風有狹管效應，易造成低溫。

3 討論

設施作物的氣象災害風險評估研究與大田農作物相關研究相比，既有“共性”，也有“特性”。設施作物的生長發育既受溫室內小氣候的直接影響，也受室外大氣條件的間接影響。該研究以溫室黃瓜低溫冷害溫室內致災指標為出發點，以保證率算法推算溫室外致災指標，基于自然災害風險評估理論，計算越冬茬溫室黃瓜不同發育期、不同等級低溫冷害事件概率，獲得溫室黃瓜近10年越冬期低溫冷害風險概率變化情況與風險區劃圖。與前人研究［6-12］相比，該研究重點考慮了在不同發育期溫室黃瓜遭受的低溫冷害影響不同，初步實現了基于溫室黃瓜不同發育期的低溫冷害風險評估。另外，溫度是影響溫室黃瓜低溫冷害的主要因子，但由于設施的特殊性，黃瓜低溫冷害還與日照時數有關，該文暫未考慮日照的影響，這一工作也將在后續研究中繼續補充。

4 結論

（1）近10年來，苗期黃瓜遭受輕度低溫冷害的風險明顯高于中度與重度低溫冷害，花期黃瓜遭受輕度與中度低溫冷害的風險普遍高于重度低溫冷害，果期黃瓜遭受重度低溫冷害的風險普遍較高；就黃瓜生長整個生育期而言，大部分越冬茬黃瓜果期遭受重度低溫冷害的風險普遍高于其它等級災害風險，這給黃瓜最終產量與經濟收入都帶來較大影響，而越冬茬黃瓜苗期發生重度低溫冷害的風險最低。

（2）縱觀溫室黃瓜整個生育期，果期重度低溫冷害的風險全天津最高，黃瓜苗、花、果期遭受輕度低溫冷害的風險也較高，即溫室黃瓜在各發育期都存在發生輕度低溫冷害的風險，而黃瓜苗期遭受重度災害的風險最低。

（3）寶坻西北部與薊縣西南部邊緣在各生育期不同受災等級下都會成為高風險區，這是由于該區地勢低洼，冷空氣下沉，易造成低溫所致。

參考文獻

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ESTIMATION OF LOW TEMPERATURE DISASTER RISK OF SOLAR GREENHOUSE CUCUMBERS BASED ON DIFFERENT GROWTH-DEVELOPMENT STAGES

Chen Sining，Liu Fang※，Li Zhenfa，Liu Shumei
（Tianjin Climate Center，Tianjin 300074，China）

AbstractThe low temperature disaster risk of solar greenhouse cucumbers in Tianjin was estimated based on natural disaster risk theory.The low temperature disaster indexes were determined using the meteorological data of insidesolar greenhouse obtained from the observation，test and fieldwork.And the low temperature disaster indexes of outside the solar greenhouse were determined based on 80%guarantee rate method.According to natural disaster risk estimation theory，the risk probability of low temperature disaster of solar greenhouse cucumbers was estimated，and the different grade risk regions were divided based on different growth-development phase.The study results showed that（1）In terms of different growth-development stages，in recent 10 years，the cold damage risk caused by the mild low temperature was obviously higher than that by the moderate and severe low temperature during cucumber seeding stage.Both the risks caused by the mild and moderate low temperature were higher than that by the severe low temperature during the flowering phase.The severe low temperature risk was generally high during fruiting stage.With respect to the whole growth-development stage，most overwintering greenhouse cucumbers suffered obvious severe low temperature damage risk during fruiting stage，which had an important impact on the ultimate yield and economic income of greenhouse cucumbers.The severe low temperature risk of the overwintering cucumbers during seeding stage was the lowest.（2）In terms of the space distribution of chilling damage risk，the severe chilling damage risk during fruiting stage was the highest，and the mild risk was higher during the seeding，flowering and fruiting stages.（3）Because the cold air can sink to the low-lying area，and easily lead to the low temperature，the northwest of Baodi district and southwest of Jixian were the regions that always beard higher disaster risk at different growth-development stages and different disaster levels.

Keywordssolar greenhouse；cucumbers；low temperature disaster；risk estimation；growth-development stages

中圖分類號：S625.2；S642.2；S42

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0154-07

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160226

收稿日期：2015-11-10

作者簡介：陳思寧 （1983—），女，黑龍江哈爾濱人，工程師。研究方向:設施農業氣象災害及農業生態遙感。※通訊作者:柳芳（1977—），女，河南南陽，高級工程師。研究方向:農業氣候資源評價及設施農業災害風險評估。Email:672107718@qq.com

*資助項目：中國氣象局氣候變化專項“日光溫室蔬菜種植氣象災害風險評估與管理” （CCSF201521）；江蘇省農業氣象重點實驗室（JKLAM）開放課題“日光溫室氣象災害綜合評估研究”（KYQ1305）；天津市氣象局博士基金“日光溫室番茄低溫寡照影響評估與風險評價研究”（BSJJ201505）；公益性行業 （氣象）科研專項“華北日光溫室小氣候資源高效利用技術研究”（GYHY201306078）