模擬干熱風環(huán)境試驗裝置設(shè)計及試驗驗證

郝曉雷,李 娜,2

(1.菏澤市氣象局,菏澤 274000;2.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,濟南 250000)

0 引言

小麥是中國主要的糧食作物之一,在國家糧食供給中占有重要的地位,小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定[1-2]。干熱風是危害小麥生產(chǎn)安全的最主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一,是指小麥在開花至成熟期間出現(xiàn)的高溫、低濕并伴有一定風力的災(zāi)害性天氣[3-5]。在全球氣候變暖的大環(huán)境下,干熱風災(zāi)害天氣對全球變暖的響應(yīng)表現(xiàn)得尤為敏感,呈高發(fā)加重趨勢[6-10]。小麥開花至成熟期是花粉傳播、子粒灌漿增重的重要階段,干熱風可使空氣和土壤中的水分大量蒸發(fā),小麥根系得不到水分供應(yīng),小麥葉片呼吸蒸騰消耗自身大量的水分,導致葉片蛋白質(zhì)被破壞,細胞膜受損,葉組織內(nèi)電解質(zhì)大量外滲,進一步阻礙光合作用,影響葉綠素的合成,致使小麥顯著減產(chǎn)[11-15]。

干熱風災(zāi)害研究主要有模擬試驗與數(shù)值模擬兩種方法[16]。數(shù)值模擬方法難以在作物模型中單獨提取干熱風災(zāi)害對小麥產(chǎn)量造成影響的數(shù)據(jù);模擬試驗方法具有較強的可控性,能夠剔除多因子干擾影響,是最早用于干熱風災(zāi)害影響研究的方法[17-18]。但干熱風是空氣溫度、濕度、風速及土壤濕度多種氣象要素共同作用下產(chǎn)生的災(zāi)害,模擬還原干熱風天氣條件對模擬裝置有很高的要求[19]。目前國內(nèi)干熱風模擬試驗主要使用試驗箱或人工氣候室進行,對比分析的干擾因素較多,部分試驗為便于對比使用盆栽小麥,人為因素影響較大[20-23]。文章設(shè)計制作的模擬干熱風環(huán)境試驗裝置,可以在大田中直接模擬不同程度干熱風的脅迫作用,便于與自然生長小麥對比觀測,減少干擾因素影響,確保試驗的準確性,研究結(jié)果以期為開展農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、適時使用減災(zāi)調(diào)控技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 設(shè)計與方法

1.1 設(shè)計要求

為了達到研究不同程度干熱風災(zāi)害影響的目的,文章設(shè)計的試驗裝置應(yīng)能夠直接對大田種植的小麥進行不同程度干熱風脅迫,脅迫作用接近自然條件下的干熱風天氣,盡可能減少干擾因素。試驗裝置應(yīng)能夠監(jiān)測記錄試驗小麥所處環(huán)境各氣象要素的變化,裝置本身需安裝拆卸便捷,能夠在對試驗小麥進行干熱風脅迫前后,使試驗小麥與對比觀測小麥處于同樣的自然環(huán)境下,盡可能地將除干熱風作用以外的其他影響因素排除,得到準確的試驗數(shù)據(jù)以便進行分析。

1.2 試驗地點

為了便于試驗與觀測的對比,得到更準確的試驗數(shù)據(jù),試驗地點應(yīng)選擇在能夠代表一般地形、地勢、氣候、土壤和產(chǎn)量水平及主要耕作制度的區(qū)域,應(yīng)選在環(huán)境相對穩(wěn)定且小麥種植面積較大的地塊[24]。經(jīng)過篩選,山東省菏澤市農(nóng)業(yè)科學院試驗田(35°19′N,115°29′E,海拔49.6 m)的條件符合要求,決定在此試驗田開展模擬試驗。

1.3 試驗品種

應(yīng)選擇推廣范圍廣、種植面積較大、具有較強代表性的小麥品種,初步選定為濟麥22,該品種屬半冬性,是高產(chǎn)、多抗、優(yōu)質(zhì)中筋小麥品種,在試驗所在地區(qū)被普遍種植[25-26]。

1.4 試驗方法

在試驗地點小麥種植區(qū)域中間位置選定一個20 m×20 m的小麥生長較為均勻地塊(圖1),此地塊距離田地邊緣2 m以上,遠離田頭、道路旁和入/排水口,避免受邊際及小氣候影響。將選定的地塊自東向西分為3塊,寬分別8 m,4 m和8 m,3個地塊小麥的氣候條件、土壤肥力、墑情等生長環(huán)境基本保持一致。將西部地塊設(shè)為試驗地塊,僅在進行試驗時,搭建模擬試驗裝置,對小麥進行干熱風環(huán)境模擬影響,達到預定效果后將試驗裝置撤除,讓試驗小麥回歸自然環(huán)境,減少除干熱風模擬之外的其他因素干擾;東部地塊為對比觀測地塊,此地塊的小麥一直處于自然生長狀態(tài),用于測量自然生長小麥數(shù)據(jù),與西部地塊進行對比分析;中間地塊為隔離地塊,避免對比觀測地塊小麥受到試驗地塊干熱風模擬裝置的影響。

1—試驗地塊;2—隔離地塊;3—對比觀測地塊;4—模擬裝置搭建地塊。圖1 選定地塊區(qū)劃

1.5 模擬裝置

為了研究干熱風各致災(zāi)因子與小麥產(chǎn)量間的關(guān)系,需將試驗地塊小麥控制在一個較為穩(wěn)定,空氣溫度、濕度、風速可以調(diào)控的環(huán)境中,基于此,文章設(shè)計了模擬干熱風環(huán)境試驗裝置,如圖2所示。

1—溫濕度控制裝置外機;2—溫濕度控制裝置;3—溫濕度控制室;4—風扇;5—試驗小麥種植區(qū);6—試驗區(qū)氣象要素監(jiān)測點;7—通風口;8—擋風板。圖2 模擬干熱風環(huán)境試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及儀器布設(shè)

試驗區(qū)域整體框架用較為堅固、耐腐蝕的不銹鋼材料,為保持試驗裝置內(nèi)的光照條件同外部基本一致,使用通光條件良好的材料將試驗裝置(不包括溫濕度控制裝置外機)及試驗小麥封閉在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中。在試驗區(qū)后部近地面處留有通風口,避免因過于密閉導致氣壓升高影響試驗結(jié)果,通風口不宜過大,避免達不到試驗區(qū)域氣象要素控制的要求。通風口北方設(shè)置一個寬度、高度均大于通風口的擋風板,防止氣流倒灌影響試驗的模擬效果。試驗區(qū)域外壁構(gòu)筑材料及預留通風口的大小需通過試驗確定。

1.5.1 模擬試驗區(qū)域整體布局

模擬試驗區(qū)域長約15 m,寬6 m,整體呈南北分布(圖3)。根據(jù)干熱風以南風為主的特點將氣象要素控制裝置布設(shè)在試驗區(qū)域南部;試驗小麥區(qū)域為長約12 m,寬約6 m的地塊;在小麥種植區(qū)域中部偏北方向設(shè)定一個試驗區(qū)氣象要素監(jiān)測點,便于觀測記錄試驗區(qū)域氣象要素的變化,驗證試驗裝置的模擬效果;在氣象要素監(jiān)測點四周劃定一個長4 m、寬3 m的試驗小麥采樣區(qū)域,采樣區(qū)域長、寬方向與小麥種植區(qū)域保持一致。

a—氣象要素控制區(qū)域;b—試驗小麥種植區(qū)域;c—模擬試驗采樣區(qū)域;d—試驗區(qū)氣象要素監(jiān)測點。圖3 試驗區(qū)域整體平面布局

1.5.2 氣象要素控制區(qū)域

氣象要素控制區(qū)域控制試驗區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、風速氣象條件,是試驗的重要區(qū)域,能夠決定試驗是否成功以及試驗結(jié)果的準確程度,故氣象要素控制區(qū)域的布設(shè)至關(guān)重要(圖4)。溫濕度控制裝置的溫度控制范圍為15～45 ℃,調(diào)節(jié)精度為1 ℃;濕度控制范圍10%～70%RH,調(diào)節(jié)精度為1%RH。設(shè)計將氣象要素控制區(qū)域獨立出來,使用PO塑料薄膜連接風扇周圍與試驗區(qū)外壁,把溫濕度控制裝置與小麥試驗區(qū)域隔開,形成溫濕度控制室,僅通過風扇實現(xiàn)兩個區(qū)域的空氣交換,不排除受薄膜阻隔影響,小麥種植區(qū)域達不到設(shè)定的氣象條件,具體效果會進行試驗驗證。

e—溫濕度控制裝置;f—溫濕度控制裝置外機;g—風扇;h—溫濕度控制室;i—出風口。圖4 氣象要素控制區(qū)域平面布局

1.5.3 模擬試驗區(qū)氣象要素監(jiān)測點

為精確測量和記錄試驗小麥區(qū)域內(nèi)氣象要素的變化情況,設(shè)立氣象要素監(jiān)測點。氣象要素監(jiān)測點的測量儀器采用國家氣象觀測站點統(tǒng)一使用的儀器,溫度測量精度為0.1 ℃,濕度測量精度為1%RH,風速測量精度為0.1 m/s,土壤濕度測量精度為1%RH。風速傳感器布設(shè)在高于地面1 m的位置,較試驗品種濟麥22的植株正常高度(0.75 m左右)略偏高,以減少因小麥阻擋作用對測量結(jié)果的影響;百葉箱(內(nèi)設(shè)溫度傳感器、濕度傳感器)布設(shè)在高于地面0.5 m位置,位于小麥麥穗偏下部位,避免受風扇吹出的熱氣流直接作用影響,以更準確地測量試驗小麥植株所處環(huán)境溫度、濕度變化情況。據(jù)部分研究表明,土壤的水分含量對冬小麥抵御干熱風災(zāi)害能力有一定影響,20 cm土壤相對濕度的影響力最大,故將土壤水分傳感器布設(shè)在地下0.2 m處,監(jiān)測土壤濕度的變化情況[27-28]。

2 試驗與分析

2.1 通風口大小對比試驗

干熱風模擬裝置的外壁分別使用高透光PO塑料薄膜(雙層,間隔約1 cm,下同)和鋼化玻璃兩種材料搭建在自然生長的乳熟期小麥田中,將溫濕度控制裝置溫度設(shè)定為40 ℃、濕度設(shè)定為15%RH,控制時間設(shè)定為1 h,調(diào)整通風口的大小并開展模擬試驗進行對比,通過氣象要素監(jiān)測點及動槽式水銀氣壓表觀測記錄試驗區(qū)內(nèi)溫濕度及氣壓變化情況。通過模擬對比試驗結(jié)果得出,通風口的大小對模擬裝置內(nèi)部氣溫、相對濕度、氣壓均有極顯著(P<0.01)影響;在滿足溫度與設(shè)定溫度差值≤1.0 ℃,濕度與設(shè)定濕度差值≤2%RH的前提下,10 cm通風口進行模擬試驗時的氣壓最接近外界,故通風口的大小應(yīng)設(shè)置為10 cm。

2.2 外壁構(gòu)筑材料對比試驗

將分別使用PO塑料薄膜和鋼化玻璃兩種材料搭建的模擬裝置的通風口設(shè)置為10 cm,將溫濕度控制裝置的溫度設(shè)定為45 ℃,濕度設(shè)定為10%RH,監(jiān)測試驗區(qū)域內(nèi)的溫濕度變化情況,確定試驗裝置的構(gòu)筑材料。如圖5所示,通過試驗結(jié)果可以看出,2種材料搭建的模擬裝置均可以滿足試驗要求;鋼化玻璃搭建的模擬裝置升溫效率略高于PO塑料薄膜,相對濕度控制效果兩者相仿。考慮到實際干熱風天氣的升溫效率及模擬裝置搭建和拆除的便捷性,決定使用PO塑料薄膜構(gòu)筑本模擬裝置。

圖5 兩種材料搭建的控制對比試驗

2.3 封閉隔斷溫濕度控制裝置對比試驗

使用PO塑料薄膜搭建的模擬裝置進行試驗,將風扇安裝至指定位置,風扇周圍與試驗區(qū)外壁使用PO塑料薄膜連接,把溫濕度控制裝置與小麥試驗區(qū)域隔開,形成溫濕度控制室,僅通過風扇實現(xiàn)對小麥試驗區(qū)域氣象要素的影響和控制,將溫濕度控制裝置溫度設(shè)定為45 ℃,相對濕度設(shè)定為10%,風扇設(shè)為最低擋位(-1擋),監(jiān)測試驗區(qū)域內(nèi)的溫濕度變化情況。如圖6所示,試驗結(jié)果表明風扇周圍與試驗區(qū)外壁使用PO塑料薄膜連接會造成溫濕度的控制效率降低,達到模擬條件用時較長,但最終達到的模擬條件相同,故可以用PO塑料薄膜連接風扇周圍與試驗區(qū)外壁。

圖6 封閉隔斷溫度控制裝置控制對比試驗

2.4 模擬試驗驗證

在確定通風口大小、試驗裝置構(gòu)筑材料及構(gòu)建溫濕度控制室后,進行不同程度干熱風條件的模擬試驗。溫濕度控制裝置設(shè)定不同溫度和相對濕度,風扇調(diào)整不同檔位,控制時間均為1 h,通過氣象要素監(jiān)測點觀測記錄試驗區(qū)內(nèi)溫濕度及風速變化情況。結(jié)合模擬試驗結(jié)果可知,實際達到溫度與設(shè)定溫度差值均≤1.0 ℃,實際達到相對濕度與設(shè)定相對濕度差值均≤2%,溫度控制最高可以達到44.3 ℃,相對濕度控制最低可以達到12%,試驗裝置可以達到模擬不同程度干熱風條件試驗的要求。

3 結(jié)束語

文章通過模擬干熱風環(huán)境試驗裝置設(shè)計并進行試驗驗證,得出如下結(jié)論:

1)設(shè)計制作的干熱風模擬裝置通過試驗驗證達到了設(shè)計要求,能夠?qū)Σ煌潭雀蔁犸L條件進行模擬;能夠直接對大田種植的小麥進行干熱風脅迫,脅迫作用的大小能夠人為控制;裝置能夠監(jiān)測和記錄試驗小麥所處環(huán)境多種氣象要素的變化。

2)通過試驗確定通風口應(yīng)為10 cm寬,這樣既可以保證試驗裝置的模擬效果達到標準,又不會造成裝置內(nèi)部環(huán)境氣壓過高影響試驗效果。

3)通過試驗確定裝置外壁構(gòu)筑材料為PO塑料薄膜,其安裝拆卸便捷,能夠在試驗小麥的干熱風脅迫前迅速搭建完畢,脅迫結(jié)束后迅速撤除裝置,使試驗小麥恢復與對比觀測小麥相同的自然環(huán)境下生長,減少除干熱風作用以外的其他干擾因素影響,得到更為準確的試驗數(shù)據(jù)。

該模擬裝置缺乏控制土壤相對濕度的能力,后期可以采用搭建遮雨棚等方式降低土壤相對濕度,然后分地塊進行不同程度澆灌,達到控制土壤相對濕度的效果[29]。