日光溫室氣候適宜性研究——以北方地區為例*

張明潔，趙艷霞

(1.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044;2.中國氣象科學研究院，北京 100081)

我國現代設施農業起步于20世紀80年代，相繼出現了塑料大棚、日光溫室 (東、西、北三面為圍護墻體的單坡面塑料溫室，統稱為日光溫室)和大型連棟溫室，20世紀90年代開始迅速發展。截止2008年，設施園藝面積達350萬hm2，其中，塑料小拱棚130.6萬hm2，塑料大中棚139.4萬hm2，日光溫室和加溫溫室78.2萬hm2，形成了北方以塑料大棚、日光溫室，南方以塑料棚、遮陽防雨棚為主的格局［1］，并逐步向規模化、集約化方向發展，技術水平有了大幅度提高，溫室內環境調控能力增強。另外，自90年代中期以來，我國設施蔬菜面積一直居世界第一，目前約占世界的90%［2～3］，不僅較好地解決了我國冬春季節蔬菜供應問題，而且提高了土地利用效率。

我國北方大部分地區光熱資源豐富，發展日光溫室的氣候條件優越，山東、河北、京津等省市先后出現了山東壽光型、河北永年型等代表性的日光溫室類型［4］，已成為我國最大的設施園藝生產基地和日光溫室的重點發展區域，隴東、寧夏大部、陜北高原、內蒙古阿拉善高原的部分地區發展適合當地類型的節能日光溫室，也已成為我國西北地區重要的節能型日光溫室蔬菜生產供應基地。

氣候對溫室的影響在溫室建造和生產運行中都要充分考慮，其一方面影響溫室的結構類型、生產運行方式、栽培模式和成本，另一方面還是溫室內微氣候環境形成的背景［5］。現代日光溫室對蔬菜生長起關鍵作用的溫、光、水、氣、肥中的水、氣、肥可以做到人為調節，但對地域差異較大的光照、溫度條件的調節能力有限，對日光溫室影響最大的災害性天氣如大風、暴雪等基本沒有調節能力，抵御自然災害的能力差，遇災害性天氣生產沒有保障［6］。因此，分析氣候資源、確定適宜發展區，對更好地利用氣候資源、減輕和避免不利氣象條件對溫室生產的影響、防御災害、提高經濟效益等都具有重要的意義。

關于我國溫室的氣候區劃，陳端生、張紀增、徐師華、邱仲華、呂國華、齊玉春、汪李平、張亞紅、等分別從不同角度對全國或部分地區進行了研究［7-14］，業內專家也多次強調以節能為目標的設施園藝生產氣候區劃的重要性［15］。這些區劃成果在過去10年左右的溫室發展中起到了重要作用。鑒于近年來氣候區劃研究有了新的發展，如氣象數據的細化、區劃方法的更新、GIS技術的使用等［16-21］，以及設施農業發展的需要，該文擬在前人的研究基礎上，利用北方地區的氣象數據，對影響日光溫室生產的氣候因素進行分析，選取影響日光溫室生產的主要氣候因子作為區劃指標進行氣候適宜性區劃和評價，在GIS技術支持下，將該地區日光溫室發展的氣候適宜性劃分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個等級。

1 資料來源

研究所需的氣象資料來源于中國氣象科學數據共享網1980年～2009年的地面氣候資料，包括中國地面氣候日值數據、中國地面氣候月值數據。從選擇的136個站點看，能夠代表北方地區的氣候特征 (圖1)。地理信息資料來源于國家基礎地理信息系統中心提供的1:25萬測繪地圖用地理信息數據集。

圖1 研究區域及站點分布

2 結果與分析

2.1 影響日光溫室發展的主要氣候因素分析

光照:太陽輻射是溫室內光、熱的重要來源，其大小直接影響室內獲取能量的多少和溫度的高低，并對蔬菜的品質和產量有重要影響，溫室幾何尺寸、采光、通風等的設計都要考慮光照條件。溫室通常建在晴天日數多的地區，陰雨天多的地區即使冬季氣溫不低，作物也難獲高產［22］。伴隨低溫的寡照天氣是日光溫室生產的主要災害性天氣之一，常導致蔬菜生長發育不良甚至死亡［23～24］。馬占元等［25］研究表明，黃瓜在盛瓜期遭遇陰天時，產量會急劇下降，陰1天要減產30%，連陰4～5天產量會顯著降低。2001年春節前后，豫北地區降雪達5次之多，陰天有60天之久，導致80%以上的溫室瓜果類蔬菜絕收，早春50%以上的菜苗沒有出苗或凍死，給農戶造成很大損失［26］。

溫度:作物的生長受溫度條件的限制。例如，黃瓜的適宜生長溫度為25～32℃，5～10℃時有遭受凍害的可能，在0～2℃的條件下植株即凍死，35℃以上生育不良，超過40℃就會引起落花落果或產生畸形瓜。一地冷季的氣溫不但決定著冬季設施內葉菜能否安全越冬、果菜是否種植，也直接影響加溫能耗的大小和運行成本的高低，并對溫室設計的采暖及保溫有影響。

災害天氣:遇大風天氣白天揭草苫后易出現爛膜現象，夜間會將覆蓋的草苫吹亂，使前屋面暴露，撕毀棚膜，導致室內作物遭受凍害，風速達到一定水平時，還可能發生骨架倒塌和風鼓毀膜的嚴重后果。發生強降雪天氣時，造成外界氣溫急劇下降，白天不能揭起草苫，雪量大時還會壓塌前屋面。因此，溫室作為特殊的建筑，應該考慮到特殊情況下的安全性，即風壓、雪壓對設計荷載的影響［22］。

2.2 區劃指標選取及指標界限值確定

2.2.1 區劃指標的選取

根據氣候區劃的相關理論及設施農業對氣候條件的要求，應選擇地域差異較大且對溫室生產有明確意義的氣候因子作為區劃指標。光照條件對日光溫室生產的影響主要反映在太陽輻射 (光照的強弱)、日照時數 (光照時間的長短)等指標上;熱量條件對溫室生產的影響，一般用溫度 (平均氣溫、極端最低氣溫等)來衡量;大風、積雪對日光溫室的影響一般用最大風速、最大積雪深度來衡量。據此，首先選出多個氣候特征值，計算其變異系數 (CV)，進行空間變異分析，變異系數大，則說明該氣候特征值地域差異大，氣候代表性好。

然后，計算選出的氣候特征值之間的相關系數 (r)，若兩個氣候特征值相關顯著，則表明二者差異不明顯，取其一即可。

表1和表2分別是選出的北方地區氣候特征值的空間變異性分析和相關性分析結果。由表1空間變異性分析可知，考慮光照條件時，冬季總輻射和生產季陰天日數的變異系數分別在表征輻射、日照時數的氣候特征值中最大;又由表2的相關分析可知，二者的相關系數r=-0.49(|r|＜0.5，低度相關)，達到0.01的極顯著水平。因此，可選擇冬季總輻射和生產季陰天日數兩個氣候特征值作為評價光照資源的區劃指標。

類似的分析可見，表征熱量條件的冬季平均氣溫、1月平均氣溫、年極端最低氣溫的變異系數都相對較大，且兩兩之間相關系數都大于0.95，呈顯著相關。考慮到平均氣溫表征一地的平均熱量水平，極端低溫表征一地的寒冷程度，我國北方冬季寒潮入境時，常引起氣溫驟降，出現極端低溫天氣，造成溫室作物凍害，因此，選擇變異系數相對較大的表征平均熱量狀況的冬季平均氣溫和表征寒冷程度的年極端最低氣溫作為評價熱量資源的區劃指標。

在選擇評價大風對日光溫室發展影響的區劃指標時，五年一遇最大風速與生產季月最大風速均值的相關系數大于0.95，呈顯著相關。因此，選擇變異系數較大的生產季月最大風速均值一個指標作為區劃指標即可。類似地，在選擇評價積雪對日光溫室發展影響的區劃指標時，五年一遇最大積雪深度與年最大積雪深度均值的相關系數也大于0.95，呈顯著相關。故選擇變異系數較大的年最大積雪深度均值作為區劃指標。

根據上述分析，該文最終選取冬季總輻射、生產季陰天日數、冬季平均氣溫、年極端最低氣溫、生產季月最大風速均值、年最大積雪深度均值6個氣候特征值作為日光溫室氣候適宜性評價的區劃指標。

表1 北方地區氣候特征值的空間變異性分析

2.2.2 區劃指標界限值的確定

外界的氣候環境通過影響溫室內的氣候環境進而影響作物的生長發育。日光溫室是在聚乙烯或聚氯乙烯塑料棚膜覆蓋下的封閉環境中進行的農業生產活動，只有透過塑料薄膜的那部分光能為溫室作物所利用。因此，溫室內的光溫條件與室外的太陽輻射、云量、日照時數、溫度、風速、濕度以及溫室建筑結構、圍護材料等密切相關。關于溫室內外氣象條件的關系，我國科研工作者進行了大量的觀測和研究工作［27-33］，如魏瑞江等［34］對河北省多年日光溫室小氣候的研究表明，只要每天日照小于3小時，并有寒潮不斷入侵，溫室內的溫度就要下降，連陰3天時，溫室內的溫度就有可能下降到5℃左右;晴天時溫室內外溫差能達到20℃以上，云量較多時內外溫差一般在10～15℃，寒潮或持續低溫寡照時內外溫差在10℃以下。傅理等［35］對寧夏地區日光溫室的觀測表明，冬季日光溫室增溫可達20℃，春季增溫在10℃左右。

表2 指標間相關性分析

根據以往溫室內外氣象條件的關系及日光溫室生產對氣象條件的要求，查閱相關的研究成果，確定了如下的日光溫室氣候適宜性區劃指標的界限值 (表3)。

表3 區劃指標界限值

2.3 日光溫室氣候適宜性區劃與評價

2.3.1 數據的小網格推算

首先對氣象資料進行無量綱化處理:采用均值化方法其中，是原始變量，是變量的均值;然后利用ArcMap空間分析模塊中的“Interpolate to Raster”命令，采用空間分析中常用的反距離加權插值法將站點氣象資料推算到網格點上，建立研究區域格點數據庫，供區劃研究使用。

在反距離加權插值法中，距離插值點較近的數據點被給定一個較高的權重份額，對于一個較小的方次，權重比較均勻的分配給各數據點。樣點對目標點P的影響是隨距離的k次方衰減的，即

式中n為已知點個數，Zi為第i個已知點的值，dip為第i個已知點到目標點p的距離，k為衰減階數。

2.3.2 單一氣候指標適宜性區劃與評價

根據選取的6個區劃指標及確定的指標界限值，對研究區域單一氣候指標的適宜性進行最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個等級的劃分，區劃結果見圖2～7。

圖2 以冬季總輻射 (MJ/m2)為單一指標的區劃結果

圖3 以生產季陰天日數 (d)為單一指標的區劃結果

圖4 以冬季平均氣溫 (℃)為單一指標的區劃結果

圖5 以年極端最低氣溫 (℃)為單一指標的區劃結果

圖6 以生產季月最大風速均值 (m/s)為單一指標的區劃結果

圖7 以年最大積雪深度均值 (cm)為單一指標的區劃結果

(1)光照條件評價。總體而言，我國北方大部分地區光照資源豐富，適宜發展日光溫室，但區域內光照資源仍有差別。根據計算及圖2和圖3可知，內蒙古高原、黃土高原的寧夏大部、冀北高原冬季總輻射值920～1 040 MJ/m2，陰天日數少于30天，太陽輻射總量大、光照時間長，屬太陽能豐富區，最適宜發展日光溫室;黃土高原大部 (除山西的臨汾運城盆地)、華北平原 (除冀中冀南、魯西南、豫北)總輻射值在800～920 MJ/m2之間，日照時數1 271～1 548小時，陰天日數30～52天，屬太陽能較豐富區，也適宜發展日光溫室;黃土高原西端的隴東、關中平原北部、山西的臨汾運城盆地、豫西、豫北、冀中的石家莊、冀南、魯西南地區，總輻射值700～800 MJ/m2，日照時數996～1 331小時，陰天日數在52～80天，日照相對不足，部分地區陰雨雪天氣較多，寡照是主要的不利氣候條件，為日光溫室的次適宜發展區;關中平原南部、陜南盆地、豫南，日照時數641～1 141小時，陰天日數超過80天，光照相對較差，寡照災害嚴重，不適宜發展日光溫室。因此，不同地區溫室生產設計上應采取不同的措施，光照充足的地區要充分利用，光照弱、陰天日數多的地區，溫室結構設計上要以增加太陽光照為主，生產上也要采取措施，盡可能充分利用太陽光能。

(2)熱量條件評價。與光照條件相比，我國北方的熱量資源不如光照條件好，但大部分地區能夠滿足溫室生產的需要。根據計算及圖4和圖5可知，隨緯度升高，氣溫逐漸降低，寒冷程度加劇。關中平原、陜南盆地、華北平原南部 (河南、冀南、冀中、魯南)，冬季平均氣溫高于0℃，年極端最低氣溫高于-10℃，對日光溫室來說，熱量充足，為最適宜發展區;黃土高原大部 (除陜北的榆林、晉北的大同)、華北平原大部，冬季平均氣溫在-5～0℃之間，年極端最低氣溫高于-20℃，也適宜發展日光溫室;內蒙古高原西部、陜北榆林、冀東北冬季平均氣溫略低，在-8～-5℃之間，年極端最低氣溫低于-20℃，日光溫室生產的保溫要求嚴格，為次適宜發展區;內蒙古高原中部、晉北由于緯度、海拔、冬季寒潮等原因，冬季平均氣溫-12～-8℃，部分地區年極端最低氣溫達-30℃，溫室作物極易遭受凍害，不適宜發展日光溫室。

(3)大風條件評價。根據計算及圖6可知，隴東、陜西 (除延安以北地區)、山西大部、華北平原大部生產季月最大風速均值小于11m/s，為日光溫室的最適宜發展區和適宜發展區;內蒙古高原，黃土高原的寧夏北部、陜北榆林地區、晉北風速略大，在11～14 m/s之間，冬春季節常出現七八級大風，對溫室建筑防風要求嚴格，為次適宜發展區;山東半島沿海達14～17m/s，八級以上大風頻繁，不適宜發展日光溫室。

(4)積雪條件評價。根據計算及圖7可知，內蒙古西部的阿拉善高原、寧夏、甘肅天水、陜南年最大積雪深度均值小于5cm，為日光溫室的最適宜發展區;內蒙古中部的鄂爾多斯、陜北的榆林、冀北部分地區、京津、山東大部在5～7cm之間，為適宜發展區;關中、陜南、晉南、河南大部在7～10cm之間，為次適宜發展區，溫室建造應注意雪荷載;隴東的部分地區、關中的洛川、山西東南部、豫南、山東半島的煙臺超過10cm，雪壓大，不適宜發展日光溫室。

2.4 綜合氣候指標適宜性區劃與評價

從上述單一氣候要素適宜性評價可知，不同地區既有各自發展日光溫室的氣候優勢，也有各自的氣候劣勢。對于一個地區，綜合考慮多種氣候要素，其總體適宜性如何呢?該文采用基于GIS的加權指數求和法［36］作為評價方法，即根據不同區劃指標影響程度的差異，給定與該區劃指標影響程度相對應的權重，將區劃指標的權重和指標值的乘積之和作為量化指標進行分級，從而對一個地區發展日光溫室的適宜性做出綜合評價。評價模型為:

其中，Y為格點的綜合氣候指標值;Pi為第i個區劃指標的權重;Xi為區劃指標i的實際值;n為區劃指標數，取值為6。

2.4.1 氣候區劃指標權重 (Pi)確定

由于各氣候要素對日光溫室的影響不同，如何將多個評價指標綜合起來，形成一個綜合的區劃指標，該文引入層次分析法。

層次分析法［37］是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標 (或準則、約束)的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序 (權數)和總排序，以作為目標 (多指標)、多方案優化決策的系統方法。其一般步驟如下。

(1)建立層次結構模型。首先是確定氣候區劃指標的層次結構模型，按其對適宜性的影響程度不同，分成3個層次:第一層為目標層，即日光溫室氣候適宜性區劃層;第二層為準則層，即光溫風雪4個氣候因素;第三層為指標層，即選取的6個氣候區劃指標。

(2)構造判斷矩陣。將同一層中各因素相對于上一層而言進行兩兩比較，對每一層中各因素相對重要性給出一定的判斷，采用1～9比率標度進行定量化，并進行兩兩因素之間的比較，就形成了判斷矩陣［38］。該判斷矩陣必須滿足以下3個特征:①Aij=1;②Aij=1/Aji(i，j=1，2，3…n);③Aij≥0(i，j=1，2，3…n)。其中，i，j表示在判斷矩陣中的因子所處的行列數。只有滿足上述3個特征的判斷才具有完全一致性。

(3)CR檢驗。為了判別權重是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗公式為:

其中，CR為判斷矩陣的一次性比率;CI為判斷矩陣的一致性指標，由 (6)式計算得到;RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標 (見表4);λmax為矩陣的最大特征根，n為因子個數。

當CR＜0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權數的分配是合理的，否則就需要對判斷矩陣進行調整。當n＜3時，判斷矩陣永遠具有完全一致性。層次分析法確定的指標權重見表5，CR=0.022556＜0.1，表明權數的分配是合理的。

表4 平均隨機一致性指標R.I.(1000次正互反矩陣計算結果)

表5 AHP法確定的指標權重

將表6中各權重代入 (4)式即為格點的綜合氣候指標值:

注:均值化處理后，由指標性質來看，冬季總輻射C1值越大越適宜日光溫室的發展，而生產季陰天日數C2、冬季平均氣溫C3、年極端最低氣溫C4、生產季月最大風速均值B3、年最大積雪深度均值B4的值越小越適宜日光溫室的發展。

將表3的指標界限值代入 (7)式，得到綜合氣候指標值Y的不同等級的界限值，即:Y最適宜≤0.456，0.456≤Y適宜≤1.007，1.007≤Y次適宜≤1.501，Y不適宜≥1.501。

2.4.2 綜合氣候區劃結果

通過計算每個格點綜合氣候指標值Y，然后對照Y的不同等級的界限值，在GIS的支持下，對研究區域日光溫室發展的氣候適宜性進行最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個等級的劃分，區劃結果見圖8。

綜合考慮光、溫、風、雪4個氣候因素對日光溫室發展的影響時，我國北方絕大部分地區氣候條件優越，適宜發展日光溫室。最適宜發展區主要集中于陜南盆地，此區域熱量充足、風雪壓小，冬季溫室生產的保溫要求低，因此溫室生產的成本低，但光照資源相對比較匱乏，陰雨雪天氣引起的寡照及低溫是主要的不利氣候條件，溫室設計和建造時要盡可能地考慮增加光照。適宜發展區分布在內蒙古阿拉善高原南部、黃土高原西部南部 (包括寧夏、隴東、關中、陜北的延安、山西的臨汾運城盆地、豫西)以及華北平原地區，此區域光照條件優于最適宜發展區，太陽輻射總量大、日照時間長、光熱資源配置良好，緯度高的地區溫度略低，冬季溫室生產需注意保溫。其中，關中平原、河南、冀中冀南、魯西南地區冬春季節寡照災害嚴重，在溫室設計和生產中應注意采光;河南、冀中等地區雪壓較大，溫室建造還應注意雪荷載，發生強降雪天氣時及時清掃，防止積雪過重壓垮棚室;寧夏、天津、山東半島沿海溫室建造要注意風荷載，阿拉善高原因常年大風頻繁，日光溫室發展不多，目前多為牧區。內蒙古中部、陜北、晉北、冀北高原光照條件較好，但寒冷季節需加溫才能保證溫室內作物安全越冬，可發展日光溫室進行春提前秋延后的作物栽培，因此，綜合評定為次適宜發展區。不適宜發展區分布在晉北的右玉、五寨、河北壩上的部分地區，此區域緯度高、海拔高，冬季溫室生產受低溫威脅大，另外，部分地區風速很大，也是不適宜日光溫室發展的重要原因。

圖8 日光溫室氣候適宜性區劃

3 結論與討論

以北方地區為例，根據日光溫室生產對氣候條件的要求，結合氣候資源特點及其分布特征，合理選取影響日光溫室生產的氣候因子作為區劃指標，在GIS技術支持下，應用加權指數求和法，開展日光溫室的氣候適宜性研究，將研究區域劃分為最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區4個等級。最適宜區主要在陜南盆地;適宜區主要包括內蒙古阿拉善高原的南部、寧夏、隴東、關中、陜北的延安、山西的臨汾運城盆地、豫西以及華北平原;次適宜區包括內蒙古中部、陜北、晉北、冀北高原;不適宜區包括山西的右玉、五寨、河北壩上的部分地區。

該文從光、溫、風、雪4個氣候要素角度考慮，對北方地區日光溫室發展的氣候適宜性進行了區劃，區劃指標及其界限值主要是根據溫室生產對氣候條件的要求，并參考前人的研究成果，利用合理的數理統計方法得出的。從區劃結果看，與現有的實際情況總體相符，但有個別局部地區與實際略有差異;另外，某一地區綜合評定為適宜發展區并不代表該區域的各單項指標都是最優的，也存在某方面的風險，實際生產中仍要注意防災減災，特別是對于極端氣候事件 (如瞬時大風、強降雪等)。因此，對于具體地區，還可進行更精細化的區劃，有針對性地選擇一些區劃指標，如考慮到日光溫室的使用壽命在5～10年，在風、雪壓較大的地區評價溫室發展前景時，可選擇五年或十年一遇的風雪要素作為評價指標，可能對局地的生產實踐更具指導意義。另外，在實踐中，經濟、交通、科技水平等的影響也應加以考慮，這樣才能為合理利用氣候資源，避免不利氣候條件對溫室生產的影響，科學規劃溫室的發展布局，提供更加詳細的參考依據，促進日光溫室的合理、高效發展。

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