黑龍江省典型日光溫室氣候生產潛力估算及分析

王 萍，朱海霞，王晾晾，王曉明，姜藍齊，李秀芬，姜麗霞，閆 平

（1黑龍江省氣象科學研究所，哈爾濱150030；2中國氣象局東北地區生態氣象創新開放實驗室，哈爾濱150030；3黑龍江省氣象數據中心，哈爾濱150030）

0 引言

黑龍江省地處中國最北部，氣候資源尤其是溫光資源有限[1-2]，設施農業生產受氣候條件的制約，氣候資源未得以充分有效利用[3-4]，因此在合理發展黑龍江省設施農業的同時，準確預估溫室大棚氣候生產潛力，從而使其有限的氣候資源得到充分高效的利用，為設施農業的穩產高產提供科學依據。

對于溫室大棚內小氣候方面研究很多，多集中于設施農業溫光資料源分析[5-7]、溫度預報模型研究[8-9]、災害風險區劃[10-13]、適宜性區劃[14-17]等，而生產潛力的估算主要為在黃秉維等[18]學者的研究基礎上，對溫度、水分等進行訂正[19-21]，對自然狀態下的玉米、大豆等大田作物生產潛力進行評價。目前設施農業生產潛力方面的研究相對較少，康西言等[22]以經驗模型中的逐級訂正模型為依據，日光溫室內的小氣候觀測資料為基礎，對高邑黃瓜光合、光溫生產潛力進行了估算，得出生產季光合生產潛力；許彥平等[23]通過對植物光溫生產潛力氣候估算模型的修訂，建立了天水節能日光溫室光溫生產潛力估算模型，估算并系統分析了天水不同生產區節能日光溫室光溫生產潛力及其地域分布特征；褚金翔等[24]利用利用TOMSIM模型對溫室番茄光合生產潛力的模擬計算；姚益平等[25]系統分析中國主要溫室作物不同能耗期的持續天數及相應的光熱資源分布情況，研究基于能耗與作物潛在產量的溫室氣候區劃方法。以上研究多為近年的日光溫室氣候生產潛力估算，對于多年的氣候生產潛力進行研究的報道較少。本文以黃秉維光合生產潛力估算模型為依據，以日光溫室內的小氣候觀測資料為基礎，構建黑龍江省典型日光溫室溫度預測模型，模擬1961—2020年溫室內溫度，對1961—2020年的不同地區的氣候生產潛力進行估算，并分析其分布規律，以期為設施農業生產布局提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

黑龍江省73個氣象觀測站1961—2020年的逐日平均氣溫、日照時數數據來源于黑龍江省氣象數據中心。研究區站點分布見圖1。

圖1 研究區站點分布示意圖

日光溫室觀測數據選擇同為果蔬溫室的林甸和友誼鎮蔬菜基地農業小氣候站觀測的平均氣溫數據，林甸蔬菜基地農業小氣候站位于124.74°E、47.3°N，海拔高度160 m，資料時間為2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月；友誼蔬菜基地農業小氣候站位于131.82°E、46.78°N，海拔高度70 m，2019年1月—2020年8月。

1.2 研究方法

1.2.1 天氣類型劃分方法 根據林甸和友誼鎮蔬菜基地農業小氣候站附近林甸和友誼氣象站觀測的逐日日照時數確定天氣類型。劃分標準如表1。

表1 天氣類型劃分方法

1.2.2 光合生產潛力計算方法 黃秉維光合生產潛力的估算簡式如式(1)所示[18,26]。

其中，B(R)為光合潛力(kg/hm2)，Q為年太陽總輻量(W/m2)。

因為光能只有透過塑料薄膜的那部分能為溫室內作物利用進行光合作用，因此加入塑料薄膜太陽輻射透射率，本研究取0.6[26]，對式(1)進行修訂如式(2)。

其中，B(Ri)為日光溫室光合生產潛力估算值(kg/hm2)，Qi為溫室生產季（4—10月）各月太陽總輻量(W/m2)。

1.2.3 光溫生產潛力計算方法 作物產量形成要受光溫條件的共同影響，光溫生產潛力的估算在光合生產潛力的基礎上，考慮溫度訂正，因此采用康西言等使用的溫度訂正系數[22]如式(3)。

其中a為常數，當日平均氣溫T≤20℃時a=-1，當日平均氣溫T＞20℃時a=-2。

光溫生產潛力計算如式(4)。

2 結果與分析

2.1 溫室內外溫度關系模型

2.1.1 天氣類型 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月、友誼2019年1月—2020年8月的各種天氣型的天數如表2～3。從表中可以看出，晴天、陰天、多云天氣在各月的分布規律友誼與林甸相似：每月晴天居多，其次為陰天、多云天氣相對較少；每月晴天天數多在14～28天，陰天天數在0～13天，多云天數多在0～9天；在夏秋季，陰天天數基本多于多云天數，而在冬春季節，陰天天數和多云天數沒有明顯的規律。

表2 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月晴、陰、多云的天數 d

表3 友誼2019年1月—2020年8月晴、陰、多云的天數 d

2.1.2 溫室內溫度預測模型建立 將林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友誼2019年1月—2020年8月的溫室內平均溫度及溫室外（以林甸和友誼的氣象觀測站觀測資料代替）的平均溫度按照已經劃分好天氣型（晴、多云、陰）的日期進行劃分，并且剔除缺測及影響反映實際情況的資料，分別按照不同的天氣類型，以棚外溫度為自變量，以棚內溫度為因變量，建立相關模型（表4）。

表4 林甸、友誼日光溫室平均氣溫預測模型

模型檢驗：由于資料序列較短，因此進行回代檢驗。將林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友誼2019年1月—2020年8月的溫室外平均溫度代入上述預測模型，預測室內溫度，并計算其誤差。4個季節不同天氣型的平均氣溫預報值平均絕對誤差大部時段在0.1～4.8℃之間，林甸誤差小于友誼，晴天小于陰天和多云天氣。絕對誤差≤1℃準確率各季節不同天氣類型差距較大，總體來說林甸大于友誼，晴天高于陰天和多云天氣。

2.2 生產潛力估算及其分布規律

2.2.1 溫度訂正系數 根據黑龍江省溫室大棚生產的實際情況，溫室一般當年10月—次年5月進行生產，因此利用上述林甸和友誼的平均氣溫預測模型對1961—2020年各縣的溫室內氣溫進行預測，其中西部采用林甸的預測模型，東部采用友誼的預測模型，得到每日平均氣溫，進而計算各月平均氣溫，代入溫度訂正系數公式，得到1961—2020年及2021—2060年溫度訂正系數如表5。

表5 溫度訂正系數

2.2.2 光合生產潛力估算及其分布 將研究區73個站各月溫室生產季逐月太陽總輻射代入光合生產潛力公式，得到各地溫室光合生產潛力估算值，利用ArcGIS進行插值，得到黑龍江省1961—2020年光合生產潛力空間分布狀況。

從空間分布來看（圖2），黑龍江省日光溫室大棚1961—2020年溫室生產季節光合生產潛力由東北向西南逐漸增大，在54301～66323 kg/hm2之間變化，撫遠最小，為 54301 kg/hm2，肇州最大，為 66323 kg/hm2，黑河東北部、伊春北部、三江平原東北部在58000 kg/hm2以下，西南部及東南部半山區大部地區在62000 kg/hm2以上，其他大部地區在58000～62000 kg/hm2之間。

圖2 黑龍江省溫室大棚光合生產潛力分布示意圖(kg/hm2)

從時間分布來看，1961—2020年各地溫室生產季節光合生產潛力呈現逐年減小的趨勢（圖3），年平均為60184 kg/hm2，最小值出現在2015年，為56455 kg/hm2，最大值出現在2020年，為65707 kg/hm2。從各年代際來看，生長季光合生產潛力1961—1970年最大，為61487kg/hm2，其次為1981—1990年代，為60585kg/hm2，再次依次為1971—1980、1991—2000、2011—2020年，分別為 60566、59747、59555 kg/hm2，最小為 2001—2010年，為59165 kg/hm2。從各月份來看，1961—2020年生長季光合生產潛力5月最高，為13725 kg/hm2，12月最低，為3496 kg/hm2，各年代季的月光合生產潛力分布規律與1961—2020年月平均光合生產潛力基本一致。

圖3 黑龍江省溫室大棚光合生產潛力逐年分布示意圖

2.2.3 光溫生產潛力估算及其分布 利用溫度訂正函數對光合生產潛力進行訂正，得到光溫生產潛力估算值，利用ArcGIS進行插值，得到黑龍江省1961—2020年光溫生產潛力空間分布狀況。

從空間分布來看（圖4），黑龍江省日光溫室大棚1961—2020年生長季光溫生產潛力分布規律與光合生產潛力一致，由東北向西南逐漸增大，在31947～38979 kg/hm2之間變化，撫遠最小，為31947 kg/hm2，肇州最大，為38979 kg/hm2，黑河東北部、伊春北部、三江平原東北部在34000 kg/hm2以下，西南部及東南部半山區大部地區在36000 kg/hm2以上，其他大部地區在34000～36000 kg/hm2之間。

圖4 黑龍江省溫室大棚光溫生產潛力分布示意圖(kg/hm2)

從時間分布來看，1961—2020年各地溫室生長季光溫生產潛力與光合生產潛力分布規律一致，呈現逐年減小的趨勢（圖5），年平均為35458 kg/hm2，最小值出現在1995年，為32043 kg/hm2，最大值出現在2020年，為38838 kg/hm2。從各年代際來看，生長季光溫生產潛力1961—1970年最大，為36236 kg/hm2，其次為 1981—1990年 ，為 35746 kg/hm2，再 次 依 次 為1971—1980、1991—2000、2011—2020 年 ，分 別 為35626、35206、35026 kg/hm2，最小為2001—2020年，為34906 kg/hm2。從各月份來看，1961—2020年生長季光溫生產潛力5月最高，為10047 kg/hm2，12月最低，為1685 kg/hm2，各年代季的月光溫生產潛力分布規律與1961—2020年月平均光溫生產潛力基本一致。

圖5 黑龍江省溫室大棚光溫生產潛力逐年分布示意圖

3 結論

（1）2017—2020年研究時段內西部的林甸和東部的友誼各種天氣類型的分布規律友誼與林甸相似，每月晴天居多，其次為陰天、多云天氣相對較少，大部月份兩地的晴天天氣均在20天以上，說明兩地光照資源對于日光溫室內作物來說是有利的，能夠滿足溫室內作物生長發育的需求。

（2）建立的林甸和友誼典型日光溫室平均氣溫預測模型，均通過信度檢驗(P≤0.05)，回代檢驗中不同季節不同天氣型的平均氣溫預報值平均絕對誤差大部時段在0.1～4.8℃之間，且林甸誤差小于友誼，晴天小于陰天和多云天氣。

（3）黑龍江省日光溫室1961—2020年溫室生產季節光合生產潛力和光溫生產潛力時空分布規律基本一致，均是由東北向西南逐漸增大，且逐年減小，5月最高，12月最低。光合生產潛力在54301～66323 kg/hm2之間變化，最小值出現在2015年，最大值出現在2020年；光溫生產潛力在31947～38979 kg/hm2之間變化，最小值出現在1995年，最大值出現在2020年。

（4）從光合生產潛力與光溫生產潛力的分布來看，西南部與東南部最高，適宜發展日光溫室生產，北部及東部較低，日光溫室生產風險大；但從各月的光合生產潛力和光溫生產潛力來看，冬季尤其是12月和1月生產潛力較低，這是由于黑龍江省位于中國最北部，冬季寒冷漫長，光溫條件對溫室大棚生產不利，尤其是溫度條件不充足，為了保證日光溫室內作物正常生長，采取適當的保暖措施十分必要，因此日光溫室生產存在較大風險。

（5）筆者借鑒了大田作物生產潛力的計算方法，即黃秉維光合生產潛力估算方法，對黑龍江省的不同地區的光合生產潛力及光溫生產潛力進行估算，研究結果對黑龍江省日光溫室生產有一定的指導作用。日光溫室內的小氣候條件除了受外界天氣的影響制約外，還與溫室所用材料、大小、結構、作物品種、農事活動、保暖方式等因素有關，因此不同地區、不同類型的溫室光合生產潛力和光溫生產潛力不同，本研究選擇了位于黑龍江省西部的林甸和東部的友誼，時間段選擇了主要溫室生產季節10月—次年5月，研究成果有一定代表性，可以為黑龍江省日光溫室生產布局提供科學依據。