武汉气候特征及大棚蔬菜栽培制度探讨

杨文刚刘可群孟翠丽童红梅

（1黄石市气象局，湖北黄石 435002；2武汉农业气象试验站，湖北武汉 430040；3武汉区域气候中心，湖北武汉 430074）

蔬菜在我国农业种植面积中仅次于粮食作物，是最具发展活力和发展空间的经济作物，在我国农业的发展中具有不可替代的地位和优势。在蔬菜生产中设施蔬菜占有相当重要的位置，目前中国所有省（区、市）都有设施园艺生产，不同地区设施形态也各具特点。北方主要发展高效节能日光温室（Jiang，2014），南方则以塑料大棚及简易设施栽培为主。我国设施园艺发展迅猛，2013年设施蔬菜播种面积368万hm2，总产量2.51亿t，产值7 800亿元，占种植业总产值的25%。设施蔬菜种植面积从2013年的368万hm2发展到2016年的391.5万hm2，预计2020年能扩展到410.5万hm2，面积不断增大（许斌星 等，2017）。

2014年武汉市东西湖区蔬菜播种面积累计1.83万hm2（27.4万亩），其中设施蔬菜面积0.9万hm2（13.5万亩），约占种植总面积的50%（武汉市统计局，2012）；种植制度上设施园艺大多数以冬春季生产为主，且茄果类、瓜类喜温性蔬菜居多。与露地种植相比，设施园艺通过对环境温度调控可以提前1～2个月上市，并通过延长开花结果期提高单产，从而大幅提升效益。但也存在着投资较大、气象灾害风险高、气候资源利用率低、效益不稳等问题，与一些西方国家相比存在很大差距（申茂向等，2000），一定程度上阻碍了设施生产的发展。国外学者就温室内环境及其调控等方面开展了相关研究（Bailey et al.，2003；Katsoulas et al.，2009），国内学者也从不同角度为设施蔬菜生产提出了许多建议与思考（龚月，2010；向佳玲和胡华平，2010；董鹏 等，2014；何建军 等，2015）。本文拟通过对武汉气候资源特征进行分析，尤其是早春与晚秋的气候特点，以及冬季大棚小气候温度进行分析，为武汉大棚设施蔬菜种植合理利用气候资源、调整种植制度提出建议。

1 资料来源与方法

2014～2015年在武汉市东西湖区慈惠农场（114°08′ E、30°37′ N，海拔高度 23.1 m）进行大棚气象要素的观测，试验用大棚为拱圆形钢架塑料大棚，棚长30 m，宽6 m，顶高2.5 m，棚膜（无滴膜）厚0.08 mm。在大棚内建有拱棚，拱棚膜（普通农膜）厚0.06 mm，宽2.5 m，顶高1.2 m。气象观测仪器为江苏省无线电科学研究所有限公司生产的ZQZ-Ⅱ型自动温度观测仪。观测气象要素为大棚内距地面高1.5 m处气温（称为大棚温度，下同），大棚中套拱棚即双层膜内距地面高0.4 m处温度（称为双层膜温度，下同），双层膜在每日9：00～16：00采取揭膜通风除湿措施，双层膜内种植辣椒，辣椒生育期为苗期到定植期。资料记录为逐小时正点自动观测，与常规大气观测站的自动气象站观测时间对应。常规大气温度观测资料来源于棚外距地面1.5 m处百叶箱内气温，其地理位置在大棚10 m范围内。

选取1951～2016年武汉国家地面气象观测站的逐日日平均气温、日照时数观测数据，开展武汉地区气候特征分析。气象上一般采用云量来划分天空状况，在观测上只能记载观测时刻的天空状况，对于需要太阳辐射来增温的大棚而言意义不大，尤其是夜间。这里采用日照百分率来划分晴天、昙天（多云）、阴天3类（刘可群 等，2007），即日照百分率S＞60%为晴天，20%＜S≤60%为昙天，S≤20%为阴天，其中S=0则为全天阴天（简称全阴天，下同）。冬季是指上年12月至当年2月。

2 结果与分析

2.1 武汉大棚冬季小气候特征

1月是武汉全年气温最低的月份，自然条件下除耐寒性蔬菜（如菠菜）外，其他蔬菜越冬处于缓慢或停止生长期。武汉1月多年平均温度为3.5 ℃，图1是2014、2015年武汉1月晴天、阴天条件下大棚内外温度逐时平均变化的比较。大棚升温的能量来源于太阳辐射，从图1可以看出，大棚增温主要在白天，夜间无论是晴天还是阴天棚内外温度差异很小；双层膜增温效果更好，夜间增温明显高于单层大棚；晴天条件下白天增温效果明显高于阴天。进一步统计分析表明（表1）：晴天条件下大棚内日平均气温较棚外高5.3 ℃，阴天条件下高2.9℃；而白昼平均温度（即日出后至日落前各正点温度平均值）在晴天和阴天条件下大棚内较棚外分别高11.4、4.9 ℃；大棚内外平均气温日较差晴天为18.2 ℃，阴天为5.3 ℃，二者相差3倍以上。这不仅有利于蔬菜白天的光合作用，更有利于光合作用有机物的积累。研究表明，大棚白昼温度与太阳高度角有关（刘可群 等，2008），即与白昼长短有关，1月白昼时间接近全年最短，2月及其后随着白昼延长，提供大棚升温的太阳辐射能量增多，大棚内温度环境条件更好。

图1 2014、2015年武汉1月晴天、阴天条件下大棚内外温度日变化比较

表1 2014、2015年武汉1月大棚内外温度的比较 ℃

2.2 武汉气候特点

武汉地区气温最低的时段为12月下旬至翌年1月下旬，气温最高的时段是7月下旬至8月下旬。图2是1951～2015年逐年日均温＜5 ℃天数的变化情况，图中某年的天数是指当年秋天至翌年春天低温出现的天数。＜5 ℃天数出现最多的为1967年秋至1968年春，高达80 d；最少的为1998年秋至1999年春，只有16 d；40 d以下的年份有14 a，占21.5%，近80%的年份日均温＜5 ℃的天数在40 d以上；日均温＜5 ℃的天数在60 d以上的有13 a，占20%。武汉地区日最低温度低于2 ℃的天数平均为7.5 d，1968年最多，为29 d；日均温＜2℃的天数在5 d以下（含5 d）的年份有7 a，占11%；10 d以下（含10 d）的为17 a，占26%。对于温度在2 ℃以下停止生长，5 ℃以上才能正常生长的半耐寒性蔬菜（如萝卜、莴苣等）而言（邱正明和肖长惜，2008；杨文刚 等，2010；中国农业科学院蔬菜花卉研究所，2010；刘可群 等，2011），武汉日平均气温在5 ℃以下的天数平均为50 d，但年际之间差异很大。说明半耐寒性蔬菜在武汉自然条件下大多数年份处于半休眠半生长的状态。

图2 1951～2015年武汉低温日数的年际变化情况

图3是武汉冬季出现不同天气类型的日数变化情况，可以看出多数年份冬季以阴天最多，1951～2015年平均阴天为41.2 d，晴天为35.6 d，即冬季90 d时间的46%是阴天，40%是晴天。冬季阴天数40 d以上的年份有32 a，约占总数的50%；晴天数在40 d以上的只有16 a，不到总数的25%。尤其是1990年以来，阴天出现的时间在增加，为43.8 d，而晴天天数在减少，为32.8 d。阴天多不利于大棚内增温。而前文所述，1月薄膜大棚在晴天条件下能使小气候环境温度日均温提高5 ℃以上，白昼平均温度提高11.4 ℃；阴天则分别提高2.9℃和4.9 ℃（表1），能满足半耐寒性蔬菜正常生长的温度环境条件。综上所述，武汉冬季大棚适宜种植半耐寒性蔬菜。

图3 1951～2015年武汉冬季晴天、昙天、阴天天数的年际变化情况

日平均温度10 ℃是喜温性蔬菜正常生长的下限温度（郑大玮 等，2005；邱正明和肖长惜，2008），也是入春或入冬的指标温度。武汉3月大气日均温在10 ℃时，大棚温度能确保在12 ℃以上。图4、5是武汉1951年以来入春、入冬时间的分布情况，显示最早入春的年份是1997年，为2月20日；最晚为1969年，为4月6日；70%以上的年份是在3月16日以后入春，且1/3以上的年份入春时间在3月26日以后，显示冷空气对武汉的影响直到3月下旬后仍然相当活跃。武汉入冬时间最早的是1967年，为11月3日；最晚的是2004年，为12月16日；与入春时间相比，入冬时间比较集中，3/4以上的年份入冬时间在11月16日以后，其中有2/3的时间是在11月16～30日这段时间内。从图4还可以看出，入春时间提早的趋势比较明显，入冬时间则有推迟的趋势。从表2可以看出，武汉11月平均气温比3月高1.0 ℃。

图4 1951～2016年武汉稳定通过（终止）10 ℃的变化情况

图5 1951～2016年武汉稳定通过（终止）10 ℃的时间频率

进一步对武汉1951～2016年3月和11月的天气情况进行比较，3月的晴天天数为9.7 d，占31%；阴天天数为15.0 d，其中全阴天为11.6 d；11月晴天天数为14.4 d，占48%，阴天天数为10.5 d，其中全阴天为6.0 d。图6是武汉3月和11月全阴天天数出现概率分布情况，11月全阴天在2 d及以下的年份为2 a，6 d及以下的年份为19 a，占总数的29%；10 d以上的年份有18 a，占总数的27%，其中14 d以上的年份为8 a，占总数的12%。显示该地区秋高气爽，阴雨天少，晴好天气多。而3月则不然，全阴天最少的年份也有5 d，出现6 d及以下的年份只有2 a，占总数的3%；10 d及以上的年份有45 a，占总数的68%，其中15 d及以上的年份有14 a，占总数的21%，即5 a中就有1 a出现一半以上的时间为全阴天，近70%的年份1/3时间是全阴天。由此可见，春季3月温度较11月低，尤其是3月下旬较11月上旬温度低更多，且阴雨天多、晴天少，不利于蔬菜大棚温度提升。

表2 武汉3月和11月平均气温比较 ℃

图6 武汉3月和11月全阴天天数的分布情况

夏季高温是影响武汉蔬菜生产的不利气象因素。武汉日平均温度≥30 ℃或日最高温度≥35 ℃的高温天数年平均出现27.7 d。但高温日数年际之间差异大，最少年有12 d，如1980、2014年；最多年为48 d，如1978年。高温天气出现最早的时间为5月初，6月中下旬后出现的频次明显增加。最晚出现的时间为9月下旬，但主要时段是7月至8月中旬，78%的高温天数出现在这一时期，其中高温日最集中的时段为7月下旬至8月上旬，占全年总高温日数的40%。7月1日之前及8月20日之后高温日分别占总高温日数的10.8%、10.7%。因此7月中旬开始武汉进入蔬菜生产淡季。

3 结论与讨论

3.1 武汉冬季大棚应以半耐寒蔬菜种植为主

从上述分析可以看出，虽然武汉冬季日平均温度低于5 ℃的天数长达50 d，但冬季最冷月1月的平均温度为3.5 ℃，相对于耐寒性蔬菜正常生长所需的温度条件偏低。但在大棚设施环境条件下，冬季白昼温度在晴天、阴天分别提高11.4、4.9 ℃，能确保冬季90%以上的时间白昼温度在5 ℃以上；晴天情况下白天温度可以提升到15 ℃以上，即达到半耐寒蔬菜生长的适宜温度。低温冰冻是该区域半耐寒蔬菜的主要气象灾害，据研究，日最低气温在-5.0～-4.0 ℃持续2 d，大棚有5%以上的莴苣遭受冻害；当日最低气温在-5.0～-4.0 ℃持续3 d或-7.0～-6.0 ℃持续2 d，大棚有10%以上的莴苣受灾（刘可群 等，2011）。地温对蔬菜的地上部及根系生长也有很大影响，研究表明，冬季长江中下游地区即便遇最低气温为-4 ℃的天气时，蔬菜设施中10、20 cm的最低地温仍在8 ℃以上，并随着气温的升高而升高，设施中的地温能基本满足本地蔬菜品种生长的要求（刘可群 等，2008；杨文刚等，2010）。

对武汉气象观测资料统计发现，武汉50%年份不会出现连续2 d日最低气温低于-5.0 ℃的冷空气过程；25%的年份有2次或2次以上连续2 d日最低气温低于-5.0 ℃的冷空气过程。据调查，大棚蔬菜遭受冻害均发生在大棚边缘两侧，在大棚没有倒塌的情况下，大棚中间极少遭受冻害（刘可群等，2011），因此大棚蔬菜采用覆盖遮阳网、草帘、无纺布等均可不同程度地提高棚内温度，也可利用电热丝、秸秆生物反应堆等措施来增温，利用灯源进行人工补光，通过人工干预改善设施内气候环境，创造适合蔬菜生长的小气候条件，达到减轻或完全避免冻害损失的效果（郑大玮 等，2005）。武汉气候资源有利于冬季大棚半耐寒蔬菜种植，即使遇到气象灾害也能有效防范。

3.2 减少春季大棚喜温蔬菜栽培，增加秋延喜温蔬菜的种植面积

武汉春季大棚喜温蔬菜一般在2月底至3月初定植，3月上中旬为开花期，上市初始期约为4月1～15日，较露天自然条件下蔬菜上市时间提早45 d左右。武汉早春冷暖空气活动频繁，日照不足，晴天少、阴雨天气多，50%年份稳定通过10 ℃的时间在3月下旬及以后，大棚内温度难以升高，难以满足喜温蔬菜正常生长的温度条件。2月底至3月初低温冷害，空气相对湿度大，常伴随病害蔓延，刚定植的瓜果类蔬菜容易生长迟缓，长势差，抗病能力减弱，严重时发生大量僵苗死苗现象（湖北省农业厅，2009）。3月中下旬之后冷害会造成茄果类蔬菜落花落果，导致减产及推迟上市，经济效益下降。而秋延喜温蔬菜7月中下旬播种（姚明华等，2014），8月底至9月初定植，上市初始期为9月底至10月初。11月武汉秋高气爽，阴雨天少，日照相对丰富，为大棚内升温提供了较好的能量，也为喜温蔬菜提供了光合作用所需要的光照条件，可延长喜温瓜果类蔬菜的开花结果期（聂启军 等，2015），为喜温蔬菜果实生长及高产创造良好的小气候环境条件。