陽光玫瑰葡萄設(shè)施促早栽培小氣候特征及預(yù)報(bào)模型

方莎莎，孟翠麗

(武漢農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,湖北 武漢 430040)

葡萄是我國最主要的水果之一，有“水果皇后”之美譽(yù)。隨著人們生活質(zhì)量的提高，葡萄產(chǎn)業(yè)已從食品向化妝品、醫(yī)藥用品、生物制品等領(lǐng)域延伸[1]。面向旺盛的消費(fèi)需求，近年我國葡萄種植面積和產(chǎn)量迅速擴(kuò)張，葡萄產(chǎn)業(yè)面臨著產(chǎn)量基本飽和、價(jià)格持續(xù)走低、銷售市場不樂觀等新問題[2-3]。采取“雙天膜加地膜”覆蓋方式的促早栽培措施，既可以使葡萄提早上市，實(shí)現(xiàn)淡季供應(yīng)，又可減輕凍害、暴雨及高溫?zé)岷Φ挠绊懀哂袦p災(zāi)增效的優(yōu)勢，近年來迅速興起[2-5]。

圍繞大棚水果種植許多學(xué)者開展了一系列研究。在栽培技術(shù)方面，徐彥兵等[5]發(fā)現(xiàn)，設(shè)施葡萄“三棚一膜”促早栽培比單層棚栽培提早15 d成熟；徐小菊等[6-7]研究表明，雙膜和升溫處理可使葡萄成熟期提前，且坐果率、果實(shí)硬度、色澤、可溶性固形物含量等指標(biāo)都有不同程度提高。在設(shè)施小氣候預(yù)報(bào)方面，肖芳等[8]分析了設(shè)施葡萄小氣候變化規(guī)律，建立了葡萄冬、春、夏季棚內(nèi)日均氣溫、相對濕度預(yù)測模型；符國槐等[9]對浙江省慈溪市設(shè)施草莓大棚溫、濕度進(jìn)行模擬，建立了冬、春季棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型；袁靜等[10]分析了山東大櫻桃小氣候特征，并利用逐步回歸法建立棚內(nèi)氣溫、相對濕度預(yù)報(bào)模型，預(yù)報(bào)效果較好。然而，針對促早栽培葡萄的大棚小氣候研究仍較欠缺，設(shè)施葡萄精細(xì)化氣象服務(wù)也有待深入開展。

武漢屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛、日照充足、四季分明，作為華中最大城市，具有強(qiáng)大水果需求和消費(fèi)市場，葡萄經(jīng)濟(jì)效益居武漢主要種植水果之首[11]。近年，陽光玫瑰葡萄因其抗性強(qiáng)、口感佳、品質(zhì)優(yōu)、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)深受消費(fèi)者和種植戶青睞[11-12]。本研究以武漢市東西湖區(qū)群力大隊(duì)陽光玫瑰葡萄為研究對象，通過分析設(shè)施促早栽培葡萄不同發(fā)育期的小氣候特征，建立促早栽培葡萄小氣候預(yù)報(bào)模型，研究不同天氣條件下小氣候調(diào)控措施，旨在為設(shè)施葡萄促早栽培環(huán)境管理和氣象服務(wù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

試驗(yàn)于2021年1—8月在武漢市東西湖區(qū)東山辦事處群力大隊(duì)陽光玫瑰種植基地內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)大棚為鋼架結(jié)構(gòu)，頂高3 m、長60 m、寬8 m，南北走向，覆蓋無滴膜。種植葡萄品種為陽光玫瑰，采用促早栽培方法進(jìn)行管理，1月上旬蓋膜，3月中旬撤外層膜，5月底撤圍膜，轉(zhuǎn)避雨栽培。

1.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)大棚內(nèi)離地面1.5 m處安裝氣溫、相對濕度傳感器，地表安裝10、20 cm地溫傳感器，自動(dòng)監(jiān)測棚內(nèi)氣象要素，采集頻率為10 min·次-1，記錄時(shí)間為2021年2月4日至8月初葡萄采摘結(jié)束。棚外氣象要素?cái)?shù)據(jù)采用武漢觀象臺(tái)同期觀測數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，并利用逐步回歸法建立小氣候預(yù)報(bào)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄大棚內(nèi)小氣候特征

2.1.1 氣溫變化特征

葡萄棚內(nèi)、外日均氣溫變化如圖1所示。可以看出，棚內(nèi)外日均氣溫隨時(shí)間變化趨勢一致，隨著外界氣溫升高，棚內(nèi)氣溫也逐漸升高，且季節(jié)性變化明顯。2月份外界氣溫偏低，葡萄覆蓋雙層膜后，白天太陽輻射使棚內(nèi)氣溫上升，結(jié)合夜晚薄膜保溫作用，使棚內(nèi)平均氣溫達(dá)16.1 ℃，比同期棚外氣溫高4.8 ℃；3月上旬撤下外膜，棚內(nèi)外溫差減小；4月下旬，隨著外界氣溫升高，尤其是晴天午后，棚內(nèi)氣溫超過25 ℃，需要適時(shí)開棚通風(fēng)降溫，隨著開棚次數(shù)增加，棚內(nèi)外平均溫差不斷減少，5—6月降至1 ℃以內(nèi)；7—8月棚外平均氣溫高于棚內(nèi)。總的來看，棚外氣溫變化幅度大于棚內(nèi)，2—8月棚內(nèi)、外平均10 d氣溫變化率分別為1.6和2.4 ℃。

圖1 葡萄大棚內(nèi)外日均氣溫變化

研究表明，棚內(nèi)氣溫受天氣條件影響較大[8-10]。根據(jù)日照百分率將天空狀況分為晴天、多云、陰天3種天氣類型[13](日照百分率S>60%為晴天，20%多云>陰天。

圖2 不同天氣狀況下棚內(nèi)外氣溫日變化

2.1.2 相對濕度變化特征

從圖3可以看出，棚內(nèi)相對濕度整體高于棚外，2—8月棚內(nèi)、外平均相對濕度分別為90.7%、78.3%。2—5月棚內(nèi)、外相對濕度變化趨勢一致，6月中旬以后，隨著外界氣溫升高，棚內(nèi)相對濕度幾乎達(dá)飽和。由圖4可見，棚內(nèi)相對濕度白天低、夜間高，與氣溫日變化相反。晴天和多云天氣時(shí)，9:00前棚內(nèi)相對濕度大于棚外，日出后隨著氣溫升高，棚內(nèi)外相對濕度逐漸下降，分別在15:00和12:00左右達(dá)最低值，9:00—13:00棚外相對濕度大于棚內(nèi)，16:00后隨著氣溫降低棚內(nèi)相對濕度又大于棚外；陰天時(shí)，棚內(nèi)外相對濕度日變化幅度很小，棚內(nèi)相對濕度全天大于棚外。總的來看，相對濕度變化幅度白天大于夜間，且晴天時(shí)相對濕度日較差最大，陰天時(shí)日較差最小。同一時(shí)刻的相對濕度為陰天>多云>晴天。

表1為棚內(nèi)與棚外的氣溫及相對濕度的相關(guān)系數(shù)。可以看出，夜間棚內(nèi)外氣溫的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，大于同一天氣類型下白天的值，這是因?yàn)橐归g棚內(nèi)氣溫主要來自地面、植物釋放的白天儲(chǔ)存的熱能，棚外氣溫也影響著熱能向外界的釋放，因此，夜間棚內(nèi)、外氣溫相關(guān)性較好。不同天氣類型下，陰天棚內(nèi)外氣溫的相關(guān)性大于晴天和多云天氣，這與符國槐等[9]研究結(jié)果一致。各種氣候條件下棚內(nèi)、外相對濕度的相關(guān)性均小于氣溫的相關(guān)性。

圖3 葡萄大棚內(nèi)外日均相對濕度變化

圖4 不同天氣狀況下棚內(nèi)外相對濕度日變化

表1 觀測期不同天氣條件下棚內(nèi)、外氣溫、相對濕度相關(guān)性

2.2 大棚小氣候預(yù)報(bào)模型的建立

2.2.1 日平均氣溫、相對濕度預(yù)測模型

研究中采用逐步回歸模型對大棚內(nèi)氣象要素進(jìn)行預(yù)測，該模型為:

Y=b0+b1Xi+b2Xj+，…，+bnXn。

式中，b0是常數(shù)；Xi為逐步回歸模型中選入的變量；b1～bn為變量的相關(guān)系數(shù)。大棚是一個(gè)相對封閉的系統(tǒng)，但它又時(shí)刻以輻射、對流和傳導(dǎo)等方式與外界進(jìn)行熱量交換。白天，太陽以短波輻射的形式照進(jìn)大棚，轉(zhuǎn)換為土壤、墻壁、植物表面的熱能，夜間這些熱能又通過傳導(dǎo)、對流、長波輻射等方式散布到大棚空氣中。選擇當(dāng)天及前一天棚外平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、最小相對濕度、地表平均溫度和最高、最低溫度、日照時(shí)數(shù)等作為自變量，棚內(nèi)氣溫、相對濕度為因變量，應(yīng)用逐步回歸方法建立數(shù)學(xué)模型。因冬季低溫期間大棚覆蓋雙膜，隨著外界氣溫升高，3月份撤下外層膜，5月下旬撤下內(nèi)層膜，因此，將葡萄生育期按不同覆蓋條件分為雙膜覆蓋期(2月5日至3月13日)、單膜覆蓋期(3月14日至5月27日)、避雨栽培期(5月28日至8月7日)3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行小氣候預(yù)報(bào)模型分析。

不同天氣狀況下棚內(nèi)日平均氣溫、相對濕度的預(yù)測模型見表2～4。T0、RH0分別代表棚內(nèi)平均氣溫、平均相對濕度，T1、Tmax1、Tmin1、RH1、RHmin1、S1、Tsur1、Tsmax1、Tsmin1分別代表棚外當(dāng)天的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、最小相對濕度、日照時(shí)數(shù)、日平均地表溫度、日最高和最低地表溫度，T2、Tmax2、Tmin2、RH2、RHmin2、S2、Tsur2、Tsmax2、Tsmin2分別代表棚外前一天的對應(yīng)要素。

表2 雙膜覆蓋期不同天氣條件下棚內(nèi)日平均氣溫、相對濕度預(yù)測方程

2.2.2 逐小時(shí)氣溫、相對濕度預(yù)測模型

選擇棚外前一天的氣溫、相對濕度、地表溫度、日照時(shí)數(shù)以及棚內(nèi)前2 h氣溫(T3)、相對濕度(RH3)等作為自變量，棚內(nèi)逐時(shí)氣溫、相對濕度為因變量，建立數(shù)學(xué)模型。不同天氣狀況下棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、相對濕度的預(yù)測模型見表5～7。

表3 單膜覆蓋期不同天氣條件下棚內(nèi)日平均氣溫、相對濕度預(yù)測方程

表4 避雨栽培期不同天氣條件下棚內(nèi)日平均氣溫、相對濕度預(yù)測方程

表5 雙膜覆蓋期不同天氣條件下棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、相對濕度預(yù)測方程

表6 單膜覆蓋期不同天氣條件下棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、相對濕度預(yù)測方程

表7 避雨栽培期不同天氣條件下棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、相對濕度預(yù)測方程

2.2.3 預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

利用2021年2—8月葡萄生育期的氣象資料，對不同天氣狀況下葡萄大棚內(nèi)的日平均和逐小時(shí)氣溫、相對濕度模型進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，結(jié)果見表8、9。可以看出，不同天氣狀況下，棚內(nèi)日均氣溫模型模擬的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)在3 ℃以內(nèi)，日均相對濕度的RMSE在5%以內(nèi)。除避雨栽培期晴天和多云時(shí)氣溫的預(yù)測值與觀測值的決定系數(shù)(R2)為負(fù)、個(gè)別預(yù)測值與觀測值的R2較小外，其余模型均通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

由表9可看出，逐小時(shí)氣溫模型模擬的RMSE在7 ℃以內(nèi)，相對濕度模型的RMSE在14%以內(nèi)，所有模型均通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，擬合結(jié)果精確度較高。同一覆蓋條件下，晴天時(shí)R2和RMSE更大。相同天氣狀況下，避雨栽培期模型模擬的RMSE更小，這與隨著外界氣溫升高，大棚揭膜次數(shù)增加，棚內(nèi)、外小氣候差異減小有關(guān)。

表8 棚內(nèi)日均氣溫、相對濕度模型檢驗(yàn)

表9 棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、相對濕度模型檢驗(yàn)

3 小結(jié)與討論

本試驗(yàn)以武漢市群力大隊(duì)陽光玫瑰葡萄為研究對象，分析設(shè)施促早栽培葡萄不同生育期小氣候變化規(guī)律，建立促早栽培葡萄不同覆蓋條件、不同天氣狀況下的小氣候預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明：

雙膜覆蓋期棚內(nèi)平均氣溫高于棚外，避雨栽培期棚外平均氣溫高于棚內(nèi)。2—8月棚內(nèi)外氣溫日變化均呈單峰型，棚內(nèi)外氣溫最低值均出現(xiàn)在5:00左右，棚內(nèi)、外氣溫最高值分別出現(xiàn)在正午12:00—13:00和下午15:00—16:00。晴天和多云天氣時(shí)，白天棚內(nèi)氣溫明顯高于棚外，陰天時(shí)棚內(nèi)外溫差較小。氣溫日較差為晴天>多云>陰天，同一時(shí)刻的氣溫為晴天>多云>陰天。

棚內(nèi)相對濕度白天低、夜間高，與氣溫日變化相反。3種天氣狀況下棚內(nèi)相對濕度最高值均出現(xiàn)在5:00前后，晴天時(shí)相對濕度最低值出現(xiàn)在下午15:00，陰天和多云時(shí)相對濕度最低值出現(xiàn)在12:00—13:00。相對濕度變化幅度白天大于夜間，相對濕度日較差為晴天>多云>陰天，同一時(shí)刻的相對濕度為陰天>多云>晴天。

逐步回歸方法能夠較好地反映不同覆蓋條件下葡萄大棚內(nèi)、外氣象要素間的相互關(guān)系。對預(yù)報(bào)模型進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，不同天氣狀況下棚內(nèi)日均氣溫模型的RMSE均小于3 ℃，日均相對濕度模型的RMSE均低于5%，大部分結(jié)果通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；逐小時(shí)氣溫模型的RMSE小于7 ℃，相對濕度模型的RMSE小于14%，所有模型均通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，擬合精確度較高。

本試驗(yàn)中日均氣溫、相對濕度的模型擬合基于不同覆蓋條件、不同天氣狀況下的觀測數(shù)據(jù)，因此樣本量較少，對結(jié)果代表性有一定影響，仍需更深入的觀測研究進(jìn)行驗(yàn)證。