長沙市蔬菜大棚微氣象探究

魏雯婷，李元波，章婉奇，申天瑤，彭夢霜

（長沙市氣象局，湖南長沙 410205）

長沙市地處湖南省東北部之湘江下游，屬亞熱帶季風性濕潤區，氣候溫和、雨量充沛、熱量充足、四季分明，無霜期長達270 d，喜涼蔬菜露地栽培可安全越冬。同時，長沙市占據華中腹地，扼南北要沖，交通便利，經濟發達，是華中地區主要的中心城市及經濟中心之一。蔬菜產業發展的資源和區位優勢明顯，一直以來都是湖南省蔬菜生產的優勢區域。

蔬菜大棚的微氣候環境是一個非常復雜的系統，受眾多因素和條件的制約，大棚內物質與能量的傳輸、太陽輻射的透射與分布特征、作物生長過程中的能量交換及土壤熱量傳導等都會對大棚內環境造成一定的影響。大棚的生產效率除生物學本身的遺傳因素外，主要取決于大棚的氣候環境，因此研究蔬菜大棚的微氣候環境有著重要的現實意義。張巍針對長期陰天、大雪天氣進行了研究，找出了蔬菜大棚面對長期陰天、大雪天氣相應的對策［1］。近10 年來長沙6 月平均總降水量最多，易出現暴雨、雷暴等災害性天氣。通過對6 月內蔬菜大棚的氣候環境、長沙市天氣進行研究，分析蔬菜大棚內的氣象變化規律。

1 材料與方法

1.1 時間地點

試驗地點位于長沙市靖港鎮眾興社區龍塘組的西藏綠之源大棚。選取2021 年6 月13—28 日的微氣象要素。

1.2 試驗材料及數據來源

大棚屬于玻璃溫室且有控制室，總面積2 470 m2。大棚內小氣候數據采用的是北京奧托數據采集器，使用物聯網溫室環境控制系統，每10 min 記錄一個平均值，包括室內平均溫度、平均濕度、光亮度、CO2濃度及土壤溫度。氣象數據來自長沙區域自動站數據庫。

1.3 數據分析方法

采用常規數理統計方法，對蔬菜大棚內的微氣象變化情況進行計算與分析。

1.4 試驗設計及目的

6 月為長沙市近10 年來平均降水量最多的月份，且易出現短時暴雨，通過采集器每10 min 記錄一個平均值，算出各個要素每小時、每日的平均值，從而分析蔬菜大棚內的氣象變化規律及大棚的氣象效應，建設農業氣象服務體系和農業氣象災害防御體系。

2 結果與分析

2.1 棚內微氣候時間變化特征

2.1.1 棚內溫度及土壤溫度

對棚內溫度、土壤溫度進行日變化分析。如圖1 所示，棚內溫度與土壤溫度有著明顯的晝夜變化，6:00—14:00 逐漸增加，而14:00 至次日5:00 逐漸減小。其中在14:00，棚內溫度與土壤溫度皆達到最高，此時棚內溫度及土壤溫度分別為34.2 ℃、34.7 ℃；在5:00兩者溫度皆達到最低，此時的棚內溫度和土壤溫度分別為25.6 ℃、25.7 ℃，棚內溫度、土壤溫度最大日溫差分別達8.6 ℃、9.0 ℃。整體上1 d 內土壤溫度比棚內溫度略高一些，且兩者成正相關，但值相差不大。POLLEY 指出溫度升高對農作物光合作用影響很大，處于高溫條件下的農作物，光合作用受阻，甚至中斷或終止作物的正常生育過程［2］。因此，通過蔬菜大棚內溫度的分析，從而進行有效的控溫對農作物的生產有很好的作用。

圖1 棚內溫度與土壤溫度日變化

2.1.2 濕度與CO2濃度

對蔬菜大棚內濕度及CO2濃度進行日變化分析，如圖2。可以看出棚內濕度和CO2同樣有明顯的晝夜變化，白天呈下降趨勢，夜間呈正常增長趨勢。其中棚內相對濕度在13:00 達到最低，為60.3%；在5:00 時達到最高，達到91.7%。CO2濃度的最低值為308.1 mg·L-1，出現在14:00；而最高值為434.3 mg·L-1，出現在6:00。從上可以看出蔬菜大棚內的平均濕度與棚內CO2濃度呈正相關，但同時這2 者與棚內溫度及土壤溫度成負相關。PENG 等指出CO2濃度升高可以促進光合作用，進而增加生物量的生產［3］。濕度影響農作物的蒸騰作用和光合作用，而且濕度的有效控制對病原微生物的繁殖也有抑制作用［4］。

圖2 棚內平均濕度與CO2 濃度日變化

溫度會影響植物的蒸騰作用，進而影響植物的光合速率。且溫度、CO2濃度、濕度3 者相互相關、相互影響，因此對其進行有效調節，利于植物的生長發育。

2.1.3 光亮度

蔬菜大棚內的光亮度有明顯的日變化，如圖3 所示。6:00 起光亮度呈逐漸增加趨勢，在13:00 達到最高，為10.7 cd·m-2；14:00—19:00 光亮度逐步減小，且14:00—15:00 降幅較大，下降了3.3 cd·m-2。而在20:00至次日5:00 棚內光亮度為0 cd·m-2。其中11:00—14:00時，平均總光亮度為41.0 cd·m-2，占整體的51.4%，說明此時段棚內的光發光率最強。董春山指出光照時間對提高初級生產力有著顯著的影響，且光照也是影響植物水分、氮素吸收及代謝的因素之一［5］。光照是植物進行光合作用的必要條件，針對植物的生長狀況，對作物需求光的程度進行光亮度調節，可以促進農作物的光合作用。

圖3 棚內光亮度日變化

2.2 各要素日變化特征

棚內的溫度及土壤溫度的日變化同樣呈正相關，且2 者差距不大，見圖4。在6 月17 日溫度下降明顯，在6 月17—18 日棚內溫度及土壤溫度的日平均溫度分別相差7.4 ℃、7.1 ℃，6 月24 日后2 者溫度有明顯升高，在6 月25 日棚內溫度及土壤溫度分別達到這段時間的最高值，分別為34.4 ℃、34.1 ℃。光亮度的日變化有一定波動幅度，這段時間在6 月18 日最低，為0.7 cd·m-2，在6月25日最高，為5.8 cd·m-2。棚內的濕度及CO2濃度的日變化呈正相關，6 月16 日棚內的相對濕度最低，為62.9%，在24 日達到最高，為93.9%。棚內CO2濃度在6 月28 日達到最低值232.9 mg·L-1，在6 月23 日達到最高值486.7 mg·L-1。

圖4 棚內溫度與土壤溫度、光亮度、棚內平均濕度及CO2濃度的變化

2.3 棚內外對比

2.3.1 溫度對比

選取距西藏綠之源望城基地較近的站點望城區站，利用望城區站氣溫與蔬菜大棚內的溫度做對比，同時對大棚內的氣溫不做任何調控，從而分析棚內外的氣溫特點，如圖5，6 月13—28 日外界平均氣溫為28.4 ℃，蔬菜大棚內的平均溫度為29.3 ℃，兩者相差0.9 ℃，在6 月17 日棚內外溫度有明顯的下降。從日最高溫度看，棚內大部分時期高于棚外，在6 月19—21 日棚內溫度高于棚外。而對于日最低溫度，除6 月18—21 日棚外溫度明顯低于棚內溫度，其他時段棚內與棚外差別不大。棚內溫度的日極差值較棚外略大，說明棚內的溫度波動較棚外較大。并且在6 月17 日晚至23 日，長沙市有一次降溫降水過程，棚內外溫度均有明顯的下降，說明外界氣候對大棚內的溫度仍有一定程度的影響。但棚內平均溫度、最低溫度、最高溫度均高于外界，表明大棚有很好的保溫效果。

圖5 6 月13—28 日棚內外的溫度變化

2.3.2 濕度對比

對望城區站相對濕度與蔬菜大棚內的相對濕度做對比，如圖6。棚外與棚內6 月13—28 日平均相對濕度分別為75.8%、79.4%，整體看棚內的相對濕度較棚外略高。在6 月21—26 日棚內相對濕度明顯大于棚外相對濕度，此時段在棚外的相對濕度均小于80%，而棚內的相對濕度基本小于80%，棚外相對濕度在6 月24 日最低，為66.5%，而棚內在6 月24 日為93.9%，說明大棚有很好的增濕效果。

圖6 6 月13—28 日棚內外日平均濕度

2.4 近年長沙市氣候分析

利用望城坡站、馬坡嶺站、寧鄉站、瀏陽站的地面觀測資料，分析1970—2019 年長沙市年平均降水量年際變化特征，如圖7 所示。這50 年來長沙市年平均降水量呈增加趨勢，氣候傾向率為1.825 mm/10 年，并且平均年降水量為1 462.4 mm。50 年內年降水量正負距平交替出現，1970—1988 年以負距平為主，1989—2006 年以正距平為主，2006—2019 年波動較大。前25 年（1970—1994 年）比后25 年（1995—2019 年）平均年降水量少65.3 mm。同時，最少年降水量達993.8 mm，出現在2011 年；最多年降水量達1 877.5 mm，出現在2012 年，兩者極差為883.7 mm。說明長沙市年平均降水量呈增多趨勢，且波動幅度較大。

圖7 1970—2019 年長沙年降水量變化

政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告中指出至少到21 世紀中葉，全球地表溫度將繼續升高，氣候變化的許多特征直接取決于全球升溫的水平，預計在未來幾十年里，所有地區的氣候變化都將加劇，且極端高溫天氣發生的強度和頻率都在迅速增加。氣候的變化對農作物的生產有著很大的影響，說明蔬菜大棚建立的必要性。同時，針對不同天氣變化采取有效的措施，會很好地提高農作物的產量。魏鏞頻指出日光溫室內小拱棚能改變蔬菜生長環境，提高拱棚內溫度，進而提高出苗率、縮短育苗時間及有利于培育健壯蔬菜苗［6］。陰雨天過后，溫度急劇上升，此時應將大棚打開，促進大棚內空氣流通，防止蔬菜因溫度過高枯萎［7］。遮陽網在晴天的遮光降溫效果明顯好于陰雨天氣［8］。

3 討論與結論

1）蔬菜大棚內的微氣候有明顯的晝夜變化特征，且棚內溫度、濕度、CO2濃度及光照度日差值較大。棚內溫度與土壤溫度呈正相關，同時這兩者又與棚內平均濕度、CO2濃度呈負相關。棚內溫度、土壤溫度、棚內平均濕度、CO2濃度及光亮度這些要素均在13:00—14:00、5:00—6:00 時出現一天內的極值。

2）外界氣候變化對蔬菜大棚內的溫度有一定程度的影響。當外界出現降溫降雨時，棚內的溫度、土壤溫度也有一定程度的下降，但蔬菜大棚有很好的保溫效果。在陰雨天，蔬菜大棚能很好地提供光照，而在外界相對濕度較小時，大棚能提供較好的濕度條件供農作物正常生長。

3）在極端天氣增多的背景下，長沙市每年降水量呈增多趨勢，短時暴雨、極端高溫天氣對農作物的生產有著很大的影響。蔬菜大棚的建立，針對不同天氣變化對棚內的微氣候進行有效的調節，同時做出有效的措施，如搭建小拱棚、蓋膜、通風及開溝排水防漬等，對提高農作物的產量有著重要的作用。

4）由于此次數據不足，對蔬菜大棚內的微氣象分析及冬季大棚對農作物的影響力，都有待進一步分析研究。