膠東地區日光溫室周年溫濕度變化規律分析及預測

劉煥, 楊延杰, 史宇亮, 李敏*, 邢曼曼

(1.青島農業大學園藝學院, 設施環境實驗室, 山東 青島 266109; 2.青島市氣象局, 山東 青島 266071)

膠東地區包括煙臺、威海的丘陵地區及青島市區、濰坊市等膠萊河兩岸的平原地區，該地區冬季比較溫和，夏季無酷暑，且具有充足的光熱資源，是我國主要的設施蔬菜生產基地之一。日光溫室是膠東地區一種主要的園藝生產設施類型，具有結構簡單、高效節能、造價低等特點[1]，能實現冬春果菜的無加溫生產[2]。但在實際周年生產中，會出現夏季日光溫室內部溫度過高無法進行越夏栽培，冬季由于其保溫蓄熱能力有限、日間及夜間溫度低于作物生長最適溫度，以及冬春季節溫室內容易產生低溫高濕等問題，從而影響作物的生長發育[3]。番茄是溫室栽培的主要作物之一，其生長發育受溫室內環境的影響較大[4]。其中，溫度、相對濕度是影響番茄生長發育的2個重要因素。研究表明，番茄生長的最適溫度為20～30 ℃，當低于15 ℃或高于35 ℃時，番茄即停止發育，甚至死亡[5]；番茄生長最適空氣相對濕度為50%～60%[6]。

監測并分析日光溫室內部環境周年變化規律，并建立預測模型可以對實際生產中作物栽培時期選擇及內部溫濕度調節進行指導。韋婷婷等[7]針對江蘇省塑料大棚及玻璃溫室，利用不同數學方法建立了設施內不同季節、不同天氣下的逐時氣溫模型，但沒有對內部環境變化情況進行分析；李全平等[8]分析了青海大通縣四季日光溫室內不同天氣類型平均溫度日變化，并利用逐步回歸方法建立了溫室內平均溫度、最低溫度的預報模型。但沒有對不同月份溫室環境進行分析比較，且預報模型沒有針對不同季節不同天氣分別進行構建；袁靜等[9]對山東壽光地區冬季不同天氣條件下日光溫室內溫度變化情況進行分析，并利用不同溫室內因子(平均相對濕度、溫度及氣溫，不同深度地溫的平均、最高、最低值)建立不同天氣狀況下日光溫室內最低氣溫預報模型，但沒有對其他季節溫室內環境進行分析。以上研究均沒有對溫室內相對濕度進行分析及建立預測模型。針對以上問題，本研究以膠東地區一典型日光溫室為研究對象，通過分析全年不同月份溫室內外平均溫濕度，根據氣溫進行溫室內季節劃分，分析不同季節溫室內外溫濕度日變化規律，探究全年不同季節、月份、時段溫室內番茄栽培的環境適宜性，并根據溫室外部相關環境因子建立室內溫濕度多元回歸預測模型，旨在為膠東地區日光溫室作物栽培環境適宜性的分析及其內部溫濕度預測模型的建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1日光溫室 試驗在山東省青島市氣象局(36.55° N，120.68° E)典型日光溫室中進行。溫室長60 m，東西向延長，南北總寬10 m，脊高4.0 m，后墻高3.0 m，墻體采用空心磚墻，三面墻厚度均為1.0 m。骨架采用輕鋼組裝結構，拱桿采用熱鍍鋅鋼管(直徑48 mm，壁厚2.0 mm)，拱間距1.0 m，縱梁為熱鍍鋅鋼管(直徑20 mm，壁厚2.0 mm)。前屋面覆蓋材料采用長壽無滴膜(厚度0.08 mm)。在溫室的頂部設置一套電動卷膜外開啟天窗，窗的開啟寬度為1 m左右，包括電動卷膜機、卷軸、導桿、壓膜線、40目防蟲網等。

日光溫室內栽培作物為番茄，栽培方式為常規栽培，土壤表面覆蓋黑色地膜,水肥管理方式為利用滴灌帶進行膜下滴灌。通風方式為南底角及溫室上方脊處扒膜通風。夏季(7—8月)溫室進行悶棚管理，殺菌消毒。春秋季通風時間為7:00—16:30，保溫被揭蓋時間為7:00，溫室外部利用遮陽網進行適當遮陰。冬季通風時間為9:00—14:30，保溫被揭蓋時間為8:30，內部加蓋二層膜保溫。

1.1.2環境參數 溫室內部環境測量儀器為DZZ4新型自動氣象站(江蘇省無線電科學研究所有限公司)，其測量并記錄的環境參數為：氣溫(WUSH-TW100高精度溫度傳感器，測量精度0.05 ℃)、濕度(DYC2濕度傳感器，分辨率1% RH，最大允許誤差±3% RH)、風速(ZQZ-TF測風傳感器，分辨率0.1 m·s-1，精度±0.1 m·s-1，v為實際風速)、雨量(SL3-1型翻斗式雨量傳感器，分辨率0.1 mm，精度±0.4 mm)。溫室外部環境測量儀器為ZQZ-A自動氣象站(江蘇省無線電科學研究所有限公司)，其測量并記錄的環境參數為風向風速(ZQZ-TF型測風傳感器，風向分辨力2.8°，精度±5°；風速分辨力0.1 m·s-1，精度±0.1 m·s-1、溫度(HMP45D濕度與溫度探測器，分辨力0.1 ℃，精度±0.2 ℃)、相對濕度(HMP45D濕度與溫度探測器，分辨力1%RH，精度±5%RH)、雨量(SL3-1型遙測雨量傳感器，分辨力0.1 mm，精度±0.4 mm)。

1.2 試驗方法

1.2.1數據處理及溫室內外周年溫濕度分析

選取2019-06-01至2020-05-31溫室內外氣溫、相對濕度、溫室外部風速等數據，計算全年及每月溫室內外平均溫濕度，每月最低、最高氣溫。根據張寶堃[10]提出的季節劃分標準對日光溫室內外進行季節劃分。根據番茄日間及夜間生長適宜溫度計算全年各月份不適宜番茄生長日期數。

1.2.2溫室不同季節內外環境設定 以春分(2020-03-20)、夏至(2019-06-21)、秋分(2019-09-23)、冬至(2019-12-22)四個典型節氣為代表，設定夜間為0:00—7:00及18:00—24:00，日間為7:00—18:00，分析不同季節溫室內外全天(24 h)的氣溫、相對濕度變化情況，并設定溫室內氣溫為Tin，溫室外氣溫為Tout，溫室內相對濕度為Hin，溫室外相對濕度為Hout。

1.2.3建立預測模型及模型檢驗 將試驗期間的天氣類型劃分為晴天、多云、雨天(冬季為雨雪)，利用溫室外氣象因子(氣溫、相對濕度、風速)對不同季節不同天氣條件下溫室內部氣溫、相對濕度進行多元回歸分析，分別建立相應的回歸預測模型。利用根均方差(root mean square error，RMSE)對模型模擬預測值和實測值之間的符合度進行統計分析[11]。RMSE計算公式如下。

(1)

1.3 數據統計分析

利用Excel 2020對試驗數據進行統計，采用SPSS軟件進行相關性分析并建立多元回歸預測模型，利用GraphPad Prism軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 日光溫室周年溫濕度

2.1.1溫室內外每月溫度 經測定，溫室外部全年平均氣溫為13.7 ℃，全年中出現的最高氣溫為38.6 ℃(2019-07-24)、最低氣溫為-9.9 ℃(2019-12-06)；而溫室內部全年平均氣溫為21.1 ℃，相較于溫室外部全年平均氣溫高7.4 ℃，全年中出現的最高氣溫為46.9 ℃(2019-07-26、2019-08-08)、最低氣溫為5.3 ℃(2020-01-07)。

由表1可知，溫室內、外月平均氣溫于2019年7月達到最高，分別為29.7和27.1 ℃，之后逐漸下降，至2020年1月達到最低，分別為14.1和0.6 ℃，2020年2月后持續回升。溫室內外月平均氣溫相差最大月份為12月，此時室內氣溫較室外高13.8 ℃；溫室內外月平均氣溫相差最小月份為6月，此時室內氣溫較室外高2 ℃。

表1 溫室內外周年各月氣溫變化

2.1.2日光溫室栽培季節 ①溫室內外季節劃分。我國北方地區四季分明，對一些溫室作物來說，春秋季適宜其生長，而夏季過熱、冬季過冷，都容易超過作物的致死溫度，不適宜多數溫室作物生長。將溫室內氣候劃分季節，探討與溫室外界相比不同季節提早與延遲時間，從而確定適宜作物的生產時期。由表2可知，溫室內部春季與秋季日期數相較于溫室外部增加78 d，冬季減少118 d，極大延長了適宜作物生長的時間。但溫室內部夏季時長相較于外部增加了20 d。

表2 溫室內外氣候學季節劃分

②溫室內環境不適宜栽培日期。根據番茄生長四段變溫式管理[12]，本研究中，設定白天(9:00—17:00)番茄生長適宜氣溫為20～30 ℃，其余時段適宜氣溫為10～20 ℃。發育下限氣溫為15 ℃(白天)，發育上限氣溫為35 ℃。

結果表明，周年中，日光溫室內部不適宜栽培番茄的時期主要集中2019年7月、8月及2019年11月至2020年2月。2019年7月和8月，日光溫室白天溫度基本高于番茄發育最適上限氣溫(30 ℃)的天數分別為29和26 d，白天溫度超過番茄生長致死氣溫(35 ℃)的天數分別為15和17 d，實際生產中應注意降溫管理或不進行作物生產。2019年12月、2020年1月、2月白天平均氣溫低于20 ℃的天數分別為15、22和15 d，白天氣溫低于致15 ℃的天數分別為3、7和2 d，生產時應采取適當保溫加溫措施。

2.1.3日光溫室周年相對濕度 經計算，日光溫室內部、外部全年平均相對濕度分別為75.5%和69.3%。由表3可知，2019年10月至2020年4月，日光溫室內部平均相對濕度高于外部，其余月份內部相對濕度低于外部。2019年9—10月，此時溫室內氣溫較高，且溫室白天經常處于通風狀態，溫室內月平均相對濕度較低，在70%以下；2019年12月至2020年2月，此時溫室內氣溫較低，且大部分時間封閉管理，使得日光溫室內月平均相對濕度較高，均在80%以上。

表3 溫室內外周年各月相對濕度變化

2.2 不同季節溫室內外溫濕度

由圖1可知，不同季節的溫室氣溫、相對濕度的內部外部變化趨勢均大體一致，而相對濕度與氣溫的變化呈現相反趨勢，相對濕度隨氣溫的增加而下降。不同季節絕大多數時間溫室內部氣溫全天均高于外部氣溫。春分、夏至、秋分的夜晚溫室內外相對濕度較高，白天較低，且夜晚內部相對濕度高于外部，白天則相反。

圖1 不同節氣溫室內外全天溫濕度變化

春分、夏至、秋分節氣溫室內部氣溫變化規律相似，自7:00左右開始呈現先升高后下降趨勢，最高氣溫一般在午間；相對濕度則呈現先下降后上升趨勢，隨氣溫的增高而降低，最低相對濕度同樣在午間。夜間，自18:00左右開始，氣溫持續降低，前半夜(18:00—23:00)下降速度相對后半夜(0:00—7:00)較快；相對濕度則持續升高，同樣前半夜升高速度較后半夜較快。溫室內最低氣溫及最高相對濕度一般出現在清晨4:00—7:00。而冬季時溫室內溫濕度相對變化較緩，氣溫自7:00開始先增加，至午后達到最高，后緩慢降低；而相對濕度全天均接近飽和。

2.2.1春季溫室全天溫濕度變化 春分日，溫室內外全天平均氣溫分別為22.1和11.6 ℃。全天溫室內部氣溫均高于外部，最大差值為9:00的19.8 ℃。全天內外平均相對濕度分別為72.3%和50.3%。10:00—15:00期間，溫室內部相對濕度低于外部，其余時間，室內相對濕度均高于室外。室內外相對濕度在6:00時相差最大，為49 %，此時室內高于室外。

溫室內部溫濕度變化情況：夜間，氣溫范圍17.8～23.8 ℃，7:00時氣溫為全天最低；相對濕度范圍72%～100%，0:00—7:00及21:00—23:00期間，相對濕度幾乎處于飽和狀態。日間，氣溫范圍為22.0～32.8 ℃，9:00時，氣溫達到全天最高；相對濕度為27%～71%，于12:00—14:00達到最低。

春分時期，溫室內氣溫除9:00外，均處于15～30 ℃范圍內，即全天氣溫均位于番茄生長適宜區間內。但10:00—16:00期間，溫室內相對濕度低于40%，栽培中應適當進行加濕處理。

2.2.2夏季溫室全天溫濕度變化 夏至日，溫室內外全天平均氣溫分別為27.2和24.8 ℃。21:00—23:00期間，室內氣溫略低于室外氣溫，其余時間室內氣溫均大于室外。室內外氣溫在11:00時相差最大，為8.9 ℃。溫室內外全天平均相對濕度分別為74.5%和77.8%。溫室內外濕度差最大值為21%，此時室內低于室外。

溫室內部溫濕度變化情況：夜間，氣溫范圍20.8～27.8 ℃，4:00時氣溫為全天最低；濕度范圍67%～100%，0:00—7:00期間，相對濕度達到飽和狀態。日間，氣溫范圍為24.4～38.1 ℃，13:00時，氣溫達到全天最高；相對濕度為40%～92%，于13:00時達到最低。

溫室內全天最大溫差為17.3 ℃，最大相對濕度差為60%。10:00—17:00期間，溫室內氣溫均高于30 ℃，相對濕度低于60%。其中，11:00—14:00期間，氣溫高于35 ℃，即高于作物致死氣溫，同時，相對濕度低于50%，溫室內部處于高溫低濕狀態，不適宜進行作物栽培。

2.2.3秋季溫室全天溫濕度變化 秋分日，溫室內外全天平均氣溫分別為21.5和18.3 ℃。17:00時，室內氣溫略低于室外氣溫，其余時間室內氣溫均大于室外。溫室內外氣溫在11:00時相差最大，為6.6 ℃；溫室內外全天平均相對濕度分別為61.7%和67.4%。溫室內外相對濕度在23:00時相差最大，此時室外相對濕度比室內高14%。

溫室內部溫濕度變化情況：夜間，氣溫12.3～23.4 ℃，5:00氣溫最低；相對濕度為47%～89%。日間，氣溫范圍21.5～32.9 ℃，11:00時氣溫值最高；相對濕度范圍30%～65%，16:00時相對濕度值最低。

溫室內全天最大溫差為20.6 ℃，最大相對濕度差為59%。10:00—15:00期間，溫室內氣溫略高于30 ℃，即高于作物生長的最適氣溫上限，但沒有達到致死氣溫，同時相對濕度低于40%。其余時段溫濕度對作物生產均較為適宜，栽培時應注意正午時期的降溫及加濕。

2.2.4冬季溫室全天溫濕度變化 冬至日，溫室內外全天平均氣溫分別為12.5和5.4 ℃。溫室外部全天平均相對濕度為85.4%，而溫室內幾乎全天相對濕度都處于飽和狀態。全天溫室內溫濕度均高于溫室外。室內外氣溫在22:00時相差最大，為10.6 ℃；最小溫差為8:00的4.8 ℃。

溫室內部溫濕度變化情況：夜間，氣溫范圍9.3～13.8 ℃，6:00—7:00氣溫為全天最低；相對濕度處于飽和狀態。日間，氣溫范圍為9.6～16.1 ℃，14:00時氣溫達到全天最高；相對濕度同樣接近飽和。

溫室內全天最大溫差為6.8 ℃。溫室內日間氣溫低于番茄最適生長下限氣溫，且相對濕度過高，溫室內處于低溫高濕狀態對番茄生長極為不利，應注意冬季升溫除濕。

2.3 溫室內部溫濕度預測模型建立及驗證

2.3.1溫室內部氣溫預測模型建立 由表4可知，除春季雨天外，不同季節(春、夏、秋、冬)不同天氣(晴天、多云、雨天)條件下，溫室內部氣溫均與室外氣象因子(溫室外部氣溫、溫室外部相對濕度、溫室外部風速)顯著相關。除春季雨天外，P均小于0.001，表明絕大部分多元線性回歸模型是顯著的。其中夏季、秋季模型R2較高，表明其在預測溫室內氣溫時偏離程度較低。

表4 不同季節典型天氣狀況下溫室內氣溫回歸模型

2.3.2溫室內部相對濕度預測模型建立 由表5可知，不同季節(春、夏、秋、冬)不同天氣(晴天、多云、雨天)條件下，溫室內部相對濕度均與室外氣象因子(溫室外部氣溫、溫室外部相對濕度、溫室外部風速)均呈顯著相關性。所有回歸方程P均小于0.001，表明所有回歸模型都是顯著的。其中夏季、秋季模型R2較高，表明在預測溫室內相對濕度時偏離程度低。

表5 不同季節典型天氣狀況下溫室內相對濕度回歸模型

2.3.3模型驗證 經計算，春夏秋冬四季的晴天、多云、雨天天氣下溫室內氣溫預測值與實際值的均方根誤差(RMSE)分別為：春(5.2、5.8、9.6 ℃)、夏(2.2、1.4、3.1 ℃)、秋(2.5、2.6、7.0 ℃)、冬(5.5、2.0、1.9 ℃)，平均值為4.1 ℃。其中，春季雨天均方根誤差最大，夏季多云均方根誤差最小。夏季晴天、多云、雨天，秋季晴天、多云，冬季多云、雨雪天均方根誤差≤3.2 ℃，模擬效果較好。

春夏秋冬四季的晴天、多云、雨(雨雪)天氣下相對濕度均方根誤差(RMSE)分別為：春(12.7%、15.5%、13.8%)、夏(5.3%、4.6%、6.2%)、秋(9.4%、12.1%、11.5%)、冬(17.9%、10.8%、8.6%)，平均值為10.7%。其中，冬季晴天均方根誤差最大，夏季多云均方根誤差最小。夏季晴天、多云、雨天，秋季晴天，冬季雨天均方根誤差≤9.4%，模擬效果較好。

3 討論

3.1 日光溫室番茄栽培環境適宜性

本研究對膠東地區一栽培番茄的日光溫室(長度60 m、跨度10 m、三墻厚度均1 m、熱鍍鋅鋼管拱桿、無立柱、灌溉方式為滴灌帶滴灌)2019-06-01—2020-05-31的溫濕度進行監測分析，探究其周年不同季節作物生產的環境適宜性。結果表明，溫室內部春秋兩季相比外部增加了78 d，可進行春提前、秋延后栽培。春、秋季溫室全天溫濕度基本滿足番茄生長要求，但正午時分氣溫略高于番茄生長適宜溫度，且相對濕度略低，生產中應采取相應措施(通風、遮陽、噴霧等)進行降溫增濕。2019年7—8月(夏季)，白天溫室內氣溫基本高于30 ℃。午間常常出現溫室內氣溫超過35 ℃，而相對濕度低于30%的高溫低濕狀態，此種環境下作物生長過程中容易由于蒸騰量大、水分供應不足而導致作物萎蔫致死[13]。本研究中夏季日光溫室進行悶棚殺菌處理，沒有進行作物栽培。研究表明，適當增加空氣濕度可促進同化產物生產，增加番茄葉面積、提高葉片光合速率，緩解高溫對葉片造成的灼傷，有效降低對番茄幼苗的高溫危害[14-17]。在實際生產中，建議在7、8月份結合蔬菜秸稈還田等方式對溫室進行悶棚殺菌處理。若進行越夏栽培，建議通過噴霧增濕并結合遮陽網遮陰、全天通風等方式進行降溫增濕。

本研究中冬季溫室內部保溫采用整片塑料薄膜支成高2 m的四方棚，包圍整個作物栽培區域，無加溫措施。溫室內冬季僅有2 d，相比外部減少了118 d，可進行越冬栽培。日間、夜間氣溫范圍分別為9.6～14.1 ℃、9.3～13.8 ℃，低于番茄生長適宜下限溫度。而由于溫室通風量較少，以及室內外溫差造成的采光膜內部水汽凝結蒸發，全天相對濕度幾乎處于飽和狀態，容易導致果菜類蔬菜出現植株萎蔫、落花落果、畸形果，以及霜霉病、灰霉病、細菌性角斑病等病害的滋生蔓延，從而給溫室生產帶來較大經濟損失[18-19]。實際生產中建議利用熱水采暖、熱風采暖、懸掛內保溫幕布、除濕機等方式進行加溫、保溫及除濕處理[20]。

3.2 溫室內溫濕度預測模型

高振波等[21]基于日光溫室采光量的相關因素(溫室方位、屋面角、日照時間、采光介質折射率)及室內凈輻射量、覆蓋物傳熱量、縫隙放熱量、地中橫向傳熱量、潛熱傳熱量等因素建立日光溫室內溫度數學模型，并利用Matlab軟件模擬求解。辛本勝等[22]綜合考慮日光溫室內通風、作物蒸騰、土壤傳熱等環境影響因素，建立了溫室內各部分熱平衡方程，利用Visual Basic 6.0軟件，模擬預測溫室內溫濕度變化。以上方法能較真實地模擬溫室內溫度環境，且可通過修改相應參數應用于其他地區、不同材料及尺寸的日光溫室環境預測，但模型模擬過程相對復雜，同時需要大量的測量及計算參數。

本研究利用多元回歸方式，根據溫室外部氣象因子(氣溫、相對濕度、風速)建立了不同季節(春、夏、秋、冬)不同天氣(晴天、多云、雨天，冬季為雨雪)條件下溫室內部氣溫及相對濕度的氣象預測模型。模型驗證結果表明，12個溫室內氣溫回歸模型(除春季雨天外)及12個溫室內相對濕度回歸模型均可用于實際生產，溫室種植者及相關研究人員可根據室外環境因子對室內溫濕度提前預測，并采取相應措施使溫室內環境達到作物生長適宜的范圍。本研究中預測模型的優勢在于預測結果準確，且預測方法相對簡單，不需要進行大量計算及對溫室各部位參數測量，缺點在于不能應用于不同地區不同類型的溫室。本研究方法適用于固定地區進行長期種植的日光溫室。