鳳陽藍莓霜凍關鍵期小氣候特征及地溫預測

袁學所 王剛 武金祥 郭陽

摘要 以安徽鳳陽健民藍莓園為例，分析了藍莓園霜凍關鍵期小氣候特征，并建立了地溫預測模型。結果表明，藍莓園自然植被對氣溫有一定的調節作用，可增加空氣濕度，對地溫升高有延緩效應；藍莓園CO2濃度日變化幅度總體不大，風速較小時濃度較高，風速較大時更接近自由大氣；藍莓園晴天光照強度的最大值是陰天最大值的2～3倍，晴天總輻射的最大值是陰天總輻射最大值的3～4倍，晴天光合有效輻射單峰型特征明顯。3、4月逐步回歸地溫預測模型的復相關系數分別為0.974和0.991，其標準估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過信度為0.001的顯著性檢驗。其中，3、4月地溫預測模型的模擬誤差絕對值≤0.2 ℃的樣本占比分別為13/27和10/11。

關鍵詞 藍莓；霜凍；農田小氣候；地溫預測；逐步回歸

中圖分類號 S425； S663.9 ? 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）11-0127-05

為做好“一縣一品”特色農業氣象服務，鳳陽縣氣象局開展了藍莓生產氣象因子分析。根據鳳陽藍莓氣象災害風險評估結果，花期霜凍（倒春寒）災害指數最高，屬重度風險[1]。春季3—4月是藍莓發生霜凍的關鍵時期，霜凍的發生既有冷空氣影響的天氣背景，也受農田小氣候的直接影響。關于農田小氣候分析與預測的研究，多集中于設施農業[2-7]和水產氣象[8-12]方面，如方莎莎等[2]研究了陽光玫瑰葡萄設施促早栽培小氣候特征及預報模型，葛黎黎等[3]研究了葡萄大棚小氣候預測模型，袁靜等[4-5]開展了大櫻桃大棚小氣候特征分析及預報及山東壽光冬季日光溫室內溫度變化特征及低溫預報，李倩等[6]開展了南方塑料大棚冬春季溫濕度的神經網絡模擬，楊青青等[8]研究了稻蝦共作模式蝦溝水溫預報模型，張月霞等[9]研究了撫仙湖表層水溫與氣溫關系等。目前，針對藍莓園自然植被下的農田小氣候的分析研究尚少。為此，本文基于安徽省滁州市鳳陽縣藍莓園小氣候觀測資料和同期鳳陽國家基本氣象站常規觀測資料，對鳳陽藍莓霜凍關鍵期農田小氣候特征做取樣分析，并運用逐步回歸方法建立了3、4月地溫預測模型，為做好藍莓霜凍針對性氣象服務、評估藍莓園春季土壤回暖狀況提供科學依據。

1 資料與方法

農田小氣候資料取自安徽鳳陽健民藍莓園物聯網氣象站，常規氣象資料取自鳳陽國家基本氣象站（以下簡稱“鳳陽站”），兩者相距20 km。被分析的氣象要素包括藍莓園氣溫T（℃）、相對濕度U（%）、地溫ST（℃）、二氧化碳濃度C（mg/m3）、光照強度L（lux）、總輻射TR（W/m2）、光合有效輻射PAR（W/m2），其中ST為藍莓園30 cm深度地溫，鳳陽站無30 cm地溫資料，用20、40 cm地溫的平均值代替。藍莓園用于輔助分析的氣象要素為風速V（m/s）。鳳陽站資料用于T、U、ST的對比分析。氣象觀測以北京時間20時為日界，選取2022年4月3日（4月2日21時至4月3日20時）作為晴天樣本，2022年4月13日（4月12日21時至4月13日20時）作為陰天樣本，分析氣象要素的日變化特征。

選取2022年3—4月藍莓園實際觀測到經質控有效的地溫資料及相關氣溫資料，通過逐步回歸方法分別建立藍莓園3、4月14時地溫（ST14）預測模型。其中3月份樣本容量27個、4月份樣本容量11個。參考楊青青等[8]的近似研究，備選因子選擇藍莓園前一日14時地溫（ST14-1）、前一日8時氣溫（T8-1）、前一日14時氣溫（T14-1）、前一日20時氣溫（T20-1）。

2 小氣候特征

2.1 氣溫

藍莓園與鳳陽站的氣溫日變化見表1，其變化趨勢如圖1所示。結果表明，藍莓園晴天氣溫日變幅較大，陰天氣溫日變幅較小；藍莓園晴天最低氣溫出現在日出前，陰天最低氣溫出現時間稍推遲；藍莓園晴天、陰天最高氣溫均出現在午后，陰天氣溫變化較平緩。與鳳陽站對比，氣溫日變化走勢兩者總體一致。晴天白天時段藍莓園氣溫稍高，夜間部分時段藍莓園氣溫稍低。陰天情況相反，但二者的差異均較小。這說明藍莓園植被對氣溫有一定的調節作用，但氣溫同時與觀測點地理位置、溫度傳感器所在高度、下墊面狀況等有關。如藍莓園內空氣流動更為復雜，藍莓植株的摩擦作用可使近地面風力減弱，風力的改變影響下墊面與空氣的熱量交換。藍莓園晴天24 h平均風速1.1 m/s，陰天24 h平均風速3.2 m/s；同期鳳陽站平均風速分別為1.9、4.5 m/s。

2.2 相對濕度

藍莓園與鳳陽站的相對濕度日變化及趨勢如圖2、表2所示。結果表明，藍莓園晴天相對濕度日變幅較大，陰天相對濕度日變幅較小；晴天最高相對濕度出現在日出前，陰天最高相對濕度出現時間稍推遲；晴天、陰天最低相對濕度均出現在下午，陰天相對濕度變化較平緩，最低值出現時間趨向傍晚。與鳳陽站對比，相對濕度日變化走勢兩者總體一致。無論晴天、陰天，藍莓園相對濕度大部分高于鳳陽站，說明農田蒸散可增加空氣濕度。

2.3 地溫

藍莓園與鳳陽站的地溫日變化趨勢如圖3所示。結果表明，無論是晴天還是陰天，地溫的日變化均不明顯。地溫的高低與所在季節和日期有關，是過去一段時間熱量累積的結果。春季隨著氣溫回升，地溫緩慢回升。與鳳陽站對比，藍莓園的地溫大部分時次比無遮蔽環境下的裸地地溫低，且隨著時間推移表現更加明顯。其原因主要有以下2點：一是藍莓園植被影響土壤表面接收太陽輻射；二是隨著時間的延后，植被遮擋太陽輻射的累積效應更為明顯，減緩了地溫的上升。

2.4 CO2濃度

藍莓園CO2濃度及同期風速日變化如圖4所示。總體上看，藍莓園CO2濃度的日變幅不是太大。在風力較小的晴天，CO2濃度整體高于風力較大的陰天。晴天風力較小時，藍莓園CO2濃度受農田植被影響較大，在整體偏高的情況下偶有較大波動。風力較大的陰天，藍莓園CO2濃度受農田植被影響減小，波動也減弱，更接近于自由大氣。

2.5 光照強度

藍莓園光照強度日變化趨勢如圖5所示。光照強度與云量、云層厚度、云底高度、大氣透明度有密切關系。從圖5可以看出，晴天、陰天光照強度曲線基本都是單峰型，與太陽高度呈正相關，波動主要由云況不同所致。晴天光照強度的最大值是陰天最大值的2～3倍。

2.6 總輻射與光合有效輻射

藍莓園總輻射與光合有效輻射日變化如圖6所示。總輻射的變化趨勢與光照強度類似。晴天總輻射的最大值是陰天總輻射最大值的3～4倍。光合有效輻射是總輻射的一部分，晴天單峰型特征較明顯，陰天光照較弱，易受其他因素干擾造成數據波動。

3 地溫預測

經逐步回歸分析，分別建立了藍莓園3、4月地溫預測模型，如式（1）和式（2）：

PST14=0.912+0.793ST14-1+0.143T20-1 （1）

PST14=1.189+0.802ST14-1+0.085T14-1 （2）

式中各符號的含義如前所述，其中PST14為ST14的預測值。式（1）、式（2）的復相關系數分別為0.974和0.991，其標準估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過信度為0.001的顯著性檢驗。

式（1）表明，3月藍莓園14時地溫與前一日14時地溫、前一日20時氣溫顯著相關，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.793 ℃，T20-1每升高1 ℃，PST14升高0.143 ℃。式（2）表明，4月藍莓園14時地溫與前一日14時地溫、前一日14時氣溫顯著相關，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.802 ℃，T14-1每升高1 ℃，PST14升高0.085 ℃。

3、4月地溫預測模型的擬合情況分別如表3、表4所示。3月地溫預測模型的模擬誤差絕對值≤0.7 ℃，其中模擬誤差絕對值≤0.4 ℃的樣本占比為23/27，模擬誤差絕對值≤0.2 ℃的樣本占比為13/27。4月地溫預測模型的模擬誤差絕對值≤0.5 ℃，其中模擬誤差絕對值≤0.4 ℃的樣本占比與模擬誤差絕對值≤0.2 ℃的樣本占比均為10/11。

4 結論與討論

藍莓園自然植被對氣溫有一定的調節作用，這可能與藍莓園內特定的空氣流動影響熱量交換及儀器安裝位置等有關。與對照氣象站相比，氣溫日變化走勢兩者總體一致。晴天白天時段藍莓園氣溫稍高，夜間部分時段藍莓園氣溫稍低。陰天情況相反，但二者的差異各時次均較小。藍莓園自然植被可增加空氣濕度。無論晴天、陰天藍莓園相對濕度大部分時次均高于對照氣象站，這可能與農田蒸散向空氣中補充水汽相關。藍莓園自然植被對地溫升高有延緩效應。與對照氣象站相比，藍莓園地溫大部分時次比無遮蔽環境下的裸地地溫低，且隨著時間推移表現更為明顯，這可能與藍莓園植被影響土壤接收太陽輻射有關。藍莓園CO2濃度日變化幅度總體不大，風速較小時CO2濃度較高，風速較大時CO2濃度更接近自由大氣。藍莓園晴天光照強度的最大值是陰天最大值的2～3倍，晴天總輻射的最大值是陰天最大值的3～4倍，晴天光合有效輻射單峰型特征較明顯。藍莓園霜凍關鍵期3、4月14時地溫與前一日14時地溫、前一日20時或前一日14時氣溫顯著相關，其逐步回歸預測模型的復相關系數分別為0.974和0.991，標準估算誤差分別為0.363和0.214 ℃，均通過信度0.001顯著性檢驗。其中，3、4月地溫預測模型的模擬誤差絕對值≤0.2 ℃的樣本占比分別為13/27和10/11。

上述結論由樣本數據分析所得，是否具有普遍意義有待進一步驗證。同時30 cm深處的地溫反映了淺層土壤的熱量狀況，是藍莓根系生長的熱量因子之一，藍莓園霜凍情況取決于冷空氣過境后環境氣溫和藍莓園植株冠層的溫度。

參考文獻

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（責編：何 艷）