果園柴油爐增溫防凍試驗

賀芬芬，孫智輝，劉志超，楊愛琴1,，楊 帆

(1.延安市氣象災害應急指揮部辦公室，陜西延安 716000；2.延安市氣象局，陜西延安 716000)

在全球氣候變暖背景下，冬春季溫度明顯升高，同時春季氣溫不穩(wěn)定性也在增加，果樹花期遭遇晚霜凍害的風險在增大[1]。延安是全國蘋果種植面積最大的地級市，截止2020年底延安蘋果種植面積27萬hm2，產量達370萬 t[2]，但蘋果花期凍害成為蘋果生產中最主要的氣象災害之一。蘋果花期凍害氣象服務和防霜凍技術試驗成為了氣象為農服務的重點工作[3-5]。21世紀以來，延安蘋果凍害天氣基本上每年都有，主要影響蘋果花期和幼果期，造成了蘋果產量和品質的下降[6]。科技工作者開展了無人機、防霜風機的空氣擾動防凍試驗[7-8]、噴水防霜凍試驗和熏煙防霜凍試驗[9]，生產中防御倒春寒的主要措施是熏煙，這種方法的缺點是煙霧持續(xù)時間短、發(fā)煙不穩(wěn)定、易招致火災，而且費工費時，應用效果不佳[10]；噴水防霜凍需要充足的水儲備，在黃土高原地區(qū)不適宜大面積推廣，在經濟價值高的小地塊可適當應用[11]。洛川縣位于陜西省延安市南部，地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，蘋果產業(yè)有著得天獨厚的自然資源，是舉世公認的蘋果最佳優(yōu)生區(qū)[12]。同時洛川蘋果花期凍害影響也很嚴重，特別是2018年、2020年造成減產，少量地塊絕收的現象[13]。2017年洛川建成全國首家蘋果氣象試驗站，為開展防凍試驗提供了基礎。凍害是由溫度降低造成的，利用柴油爐燃燒放熱提高果園溫度是果園防凍方法之一，在國內外的報道較少。通過對2021年1月27—29日在洛川蘋果氣象試驗站的柴油爐增溫防凍試驗進行分析，研究柴油爐燃燒放熱防凍的效果，為果農開展防凍提供技術指導。

1 材料與設計

1.1 試驗地點和材料

防凍試驗地點位于延安市洛川縣蘋果氣象試驗站(109.37° N，35.79° E，海拔高度1 088 m)，有南、北兩塊蘋果園,之間相隔40 m。蘋果種植采用矮化密植栽培方式，株行距1.5 m×3.5 m，樹齡5 a，樹高3～4 m，行間覆草。試驗區(qū)處于南果園,其北邊為房屋，東邊和南邊分別為地勢較高的果園和氣象觀測場。對照區(qū)處于北果園，面積大，四周較為開闊(參見圖1)。

圖1 洛川縣蘋果氣象試驗站示意圖

利用陜西盛濤農業(yè)科技有限公司生產的STNY-2101(果園版)柴油爐開展試驗。柴油爐由3部分組成，下部是裝柴油的容器，可以調節(jié)火力大小，中間是由可以散熱的粗鐵管和為柴油燃燒提供氧氣的細鐵管組成，上部是一根帶有蓋子的粗鐵管，用以向上散熱并防止火苗將果樹燒傷。

1.2 試驗設計

根據天氣預報，2021年1月27—29日將出現一次降溫過程，最低氣溫出現在28日和29日凌晨，由于兩晚降溫方式、風向、風速各不同，所以在27日和28日晚上各做了1次試驗。針對平流降溫和輻射降溫天氣，基于各個柴油爐加熱效率相同，通過分析柴油爐加熱前、后試驗組與對照組的溫差，確定柴油爐增溫效果、影響范圍。

擺放柴油爐前1 h，在試驗區(qū)距離地面約1.5 m處分別懸掛20支便攜式溫濕度儀，并分別編號(見圖2)。每隔5 min自動觀測溫濕度1 次，溫度觀測精度為±0.1 ℃，測量范圍±50 ℃，所測溫度為試驗區(qū)溫度。用相同方法在對照區(qū)懸掛1支便攜式溫濕度儀，作為對照區(qū)溫度。

根據果樹的株行距，將柴油爐分別編號并均勻排列放置在試驗區(qū)的果樹中間位置。在27日21時開啟便攜式溫濕度儀，當溫度降到零下時，試驗區(qū)每人負責 1個柴油爐，在最短時間內同時點火，28日方法相同。由于27日和28日試驗時風速、風向不同，便攜式溫濕度儀應主要在下風方擺放，所以設計了2種不同的擺放位置(參見圖2)。27日夜間試驗稱為試驗1，28日夜間試驗稱為試驗2。

圖2 試驗1(a)和試驗2(b)柴油爐和便攜式溫濕度儀位置示意圖(單位：m)

通過對觀測數據對比分析發(fā)現，12號便攜式溫濕度儀工作不正常，數據不具備參考性。

2 結果與分析

2.1 試驗1

試驗1期間有冷空氣過境，以平流降溫為主。風向為西北風，期間平均風速為6.5 m/s。晚間開始試驗，點火時間為23:00，22:00—23:00為加熱前的溫度對照觀測時間，試驗區(qū)與對照區(qū)的溫度差平均值為-0.3～-0.1 ℃，溫度相差不大。

23:00—24:00為加熱時間，期間平均風速5.6 m/s。表1為加熱后試驗區(qū)與對照區(qū)溫度差的平均值。除8號溫度觀測點(簡稱8號，下同)、20號外，其他各點在加熱5～10 min后，溫差變?yōu)檎担f明加熱開始發(fā)生作用的時間為5～10 min。8號、20號點與對照區(qū)的溫差為負值，是因為距離爐子較遠且處于試驗區(qū)的上風方，熱量逆風傳輸效率低，但5～10 min后溫差開始變小，說明加熱對于他們發(fā)生作用的時間較長。

表1 試驗1加熱后試驗區(qū)與對照區(qū)溫度差的平均值

因為風向和風速會影響熱量輸送，因此對處于爐子上風方和下風方的溫度觀測點進行劃分。上風方包括2號、3號、5號、6號、8號、9號、10號、20號，下風方包括1號、4號、7號、11號、13號、14號、15號、16號、17號、18號、19號。取加熱前時間(22:17—22:57)和加熱后時間(23:04—23:49)，分別對比放置柴油爐加熱前、后試驗區(qū)與對照區(qū)的溫差變化(圖3，見第73頁)，確定柴油爐的增溫效果。

圖3a為上風方溫度點試驗區(qū)與對照區(qū)的溫差變化圖。試驗區(qū)內2號、20號、8號分別在1號爐1.75 m、3.50 m、5.25 m的上風方，2號距離較近所以溫差由加熱前的-0.2 ℃變?yōu)樵鰷睾蟮?.4 ℃，20號、8號距離遠且在上風方，所以變化不大；9號與10號距離1號爐太遠，而又處于3號爐上風方，略有增溫，平均增溫0.1 ℃，最大0.3、0.2 ℃；位于2號爐上風方約3.3 m處的6號增溫幅度與2號相近；3號、5號觀測點雖然也處于上風方，但由于位于爐子的西南約2.0 m處，增溫最為明顯，平均增溫0.8、0.7 ℃，最大1.1 ℃。

圖3b中下風方各溫度觀測點主要設置在東南方，增溫幅度與距離明顯有關。距離最近的18號平均增溫0.8 ℃，最大1.1 ℃；距離約2.3 m處于正下風方的17號平均增溫0.8 ℃，最大1.3 ℃，增幅最大，效果最好；4號、19號、15號距離約2.3～3.5 m，增溫較高，增溫幅度在0.5 ℃以上；距離約5.0 m的處11號、16號，平均增溫0.5 ℃和0.3 ℃；距離柴油爐約6.0～8.0 m的14號、13號、7號，略有增溫，平均增溫0.1～0.3 ℃，最大0.3～0.4 ℃，說明距離柴油爐約8.0 m內有增溫效果。

圖3 試驗1加熱前后上風方(a)和下風方(b)試驗組與對照組溫差變化(文見第71頁)

2.2 試驗2

試驗2為晴朗天氣，夜間以輻射降溫為主。風向為東南風，期間平均風速為3.0 m/s。點火時間為22:30，21:30—22:30為加熱前的溫度對照觀測時間。放柴油爐之前，試驗組與對照組的溫度差平均值為-0.7～-0.4 ℃，溫度相差較大，主要原因是試驗區(qū)北邊為房屋，東、南為地勢較高的果園和氣象觀測場，阻擋著空氣流動，在風小的情況下，冷空氣容易堆積；而對照區(qū)面積大，四周較為開闊，空氣流動性大，且根據洛川蘋果災情調查，在靠墻的位置風小空氣不流動更容易出現凍害，試驗區(qū)有房屋阻擋，因而溫度較低。

22:30—02:00為加熱時間，期間平均風速2.3 m/s。表2為加熱后試驗區(qū)與對照區(qū)溫度差平均值，除8號、14號外，其他各點均明顯增加。在增溫時間反應上，點火后下風方溫度迅速升高，而上風方升溫較慢。如下風方的2號在5 min內升溫明顯，在1.0 ℃以上；而上風方的16號30 min內升溫緩慢，后期溫度才明顯上升。由于風速較小且在試驗區(qū)的上風方，熱量逆風傳輸效率很低，因而需要較長時間才能看到溫度明顯變化。

表2 試驗2加熱后試驗區(qū)與對照區(qū)溫度差值的平均值

分為上風方和下風方對試驗溫度數據進行分析和討論。上風方包括1號、4號、9號、10號、13號、15號、16號、17號、18號；下風方包括2號、3號、5號、6號、7號、8號、11號、14號、19號、20號。由于試驗時間較長、數據較多，采用不等時間間隔處理(5 min、10 min、15 min、20 min)，可以看出溫度數據差異比較大，如2號、5號、6號溫度差較大，但有的點溫度差值較小，甚至是負值，與加熱前變化很小，如7號、8號、9號、10號等。分別對比加熱前(22：01—22：30)和加熱后(22：30—01：47)試驗區(qū)與對照區(qū)的溫度差變化(參見圖4)，確定柴油爐的增溫效果。

圖4 試驗2加熱前后上風方(a)和下風方(b)試驗組與對照組溫差變化

上風方溫度差均在升高，燃燒時間越長，增溫越明顯。距柴油爐1.75 m的1號、18號平均增溫均為0.7 ℃，最大2.1 ℃和1.9 ℃，增溫效果較好；距離約2.3 m的4號、13號、17號分別增溫0.4 ℃、0.8 ℃和0.6 ℃，最大1.0 ℃、1.8 ℃、1.0 ℃；距離約3.5 m的9號、10號分別增溫0.4 ℃、0.6 ℃，最大0.8 ℃、1.4 ℃(圖4a)。

下風方距離近增溫效果好，距離遠增溫效果差。1號爐下風方8號、14號距柴油爐為5.25 m和約6.2 m，距離較遠無增溫效果；距離約3.5 m、5.0 m的11號、7號平均增溫0.7 ℃、0.5 ℃，最大1.0 ℃、0.6 ℃；距離最近的2號平均增溫為2.0 ℃，最大為3.6 ℃；2號爐下風方的5號測溫點距柴油爐約2.3 m，增溫效果最好，平均增溫3.7 ℃，最大6.1 ℃；距離約3.4 m的6號平均增溫1.9 ℃，最大2.7 ℃，效果較好；3號、19號距離柴油爐1號爐約3.0 m，平均溫度增高1.0 ℃、0.9 ℃，最大1.7 ℃、1.8 ℃，屬于2號爐下風方但距離較遠，因靠近1號爐，增溫還是比較明顯(圖4b)。

3 結論與討論

(1)以平流降溫為主且風速較大時(平均風力4～5級)，上風方距離柴油爐約3.3 m內具有增溫效果，平均增溫0.4～0.8 ℃，最大0.3～1.1 ℃；下風方距離柴油爐約8.0 m內具有增溫效果，平均增溫0.3～0.8 ℃，增溫最大值0.4～1.3 ℃，增溫范圍大但效果不明顯。

(2)以輻射降溫為主且風速較小時(平均風力2～3級)，上風方距離柴油爐約3.5 m內具有增溫效果，平均增溫0.4～0.8 ℃，最大可達2.1 ℃；下風方距離柴油爐約5.0 m內具有增溫效果，平均增溫0.5～3.7 ℃，約2.3 m以內平均增溫在2.0 ℃以上，最大6.1 ℃，增溫范圍較小但效果明顯，可有效防凍。

(3)目前開展柴油爐燃燒給果園增溫的試驗研究很少，在試驗時可借鑒的技術與經驗較少，且本次試驗柴油爐少，燃燒時間短，因此在代表性上還有欠缺。今后在開展此類試驗研究時，可加大投入力度，增加柴油爐和溫度觀測設備，進一步開展研究。