辽宁朝阳地区温室小气候的变化特征

刘志鹏， 张富荣， 戴海燕， 孙 奇， 苏 华

(辽宁省朝阳市气象局，辽宁朝阳 122000)

日光温室小气候环境因素相互作用及科学的人工干预与调控共同影响作物的生长发育。近年来，我国大范围的利用温室进行农业生产的设施农业发展迅速，并逐步形成规模化和产业化[1]。温室生产能充分开发利用气候资源，大幅度提高农产品的产量及品质，给农户带来明显的经济效益[2]。但在设施农业快速发展过程中，日光温室在经营管理上仍存在气象实用技术问题需要逐一解决。吉中礼等[3]研究了我国西北地区塑料大棚日光温室的温度、湿度及风速的时空分布规律。吴明兴等[4]在江苏沿江地区对钢架大棚内小气候变化规律进行探索，提出了不同天气状况下棚内小气候变化对植物的影响。袁静等[5]研究了山东寿光冬季日光温室内的温度变化特征及低温预报。已有关于江苏徐州[6]、宁夏银川[7]和山东莱芜[8]等地日光温室小气候变化的研究报道。鲜见辽宁朝阳地区气候环境下的类似研究报道。为此，选取辽宁朝阳地区具有代表性的日光温室大棚，研究其气候环境下日光温室温度、湿度、光照强度及CO2浓度的变化，以期为当地设施农业生产管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

日光温室大棚：选取代表性日光温室大棚试验基地，南北朝向，实体砖土混泥墙，顶部1.5 m宽浅棚，脊高3.5 m，东西长72 m，宽6.5 m，种植面积约450 m2，抛物面形采光，PVC防老化塑料膜覆盖。

1.2 方法

试验于2014年10月至2017年6月进行，历时3个作物生育周期，各生育周期分别种植青椒、黄瓜和番茄作物。

1.2.1 指标观察与采集 试验观察与采集的指标主要有日光温室的温度、湿度、光照强度及CO2浓度等小气候要素。气温：采取东西和南北方向9个固定位置整点观测，观测时间从作物定植至生育期结束，3次重复；湿度：全天24 h整点自记湿度计采集；光照强度：全天见光时间内整点时观测采集；CO2浓度：全天24 h整点时观测采集。

1.2.2 天气类型的确定 以天空总云量(无云时为0，云量最多时为10.0)划定天气的类型，根据云量记录方法，0.0～1.9为晴天，2.0～8.0为多云天气，8.1～10.0为阴(雨雪)天。

1.2.3 气候要素变化速率的计算 运用线性回归方法计算温室内各要素变化速率。变化速率由一元线性方程y(x)=ax+b的一阶导数a=dy(x)/dx计算获得。式中，a为单位时间(h)小气候要素变化率，y为气象要素，x为时间。

1.3 数据处理

采用Excel 2010对数据进行整理与计算。

2 结果与分析

2.1 日光温室内温度的变化

2.1.1 日变化 从图1看出，温室内气温受外界气象条件影响的变化较大，气温变化速率晴天>多云天气>阴(雨雪)天。从早上掀帘起气温逐步上升，最低气温出现在8:00-9:00，近12:00达最高，晴天、多云天气和阴(雨雪)天的上升速率分别为5.2℃/h、3.1℃/h和0.2℃/h；至20:00温室内气温开始下降，其降温速率分别为4.5℃/h、2.8℃/h和0.3℃/h，夜间温度变化趋于平缓；温室内晴天平均气温比多云和阴(雨雪)天气分别高1.7℃和4.6℃。

2.1.2 季节变化 随着季节变化日光温室内的气温相应产生不同的小气候效应，朝阳地区日光温室一般在9月扣膜和定植，10月进入生产期，生产周期为10月至翌年4月，经历晚秋、冬季和春季3个季节。从图2可知，整个作物生育周期温室内气温变化平稳，呈二次曲线型，y=0.318 8x2-2.338 3x+22.495(R2=0.921)，1月出现最低气温，为17℃；10月至翌年1月气温降温速率为1.5℃/月；之后随着外界气温上升而逐渐升高，升温速率为1.9℃/月。经统计，10月至翌年1月温室外降温速率是温室内的4.5倍，1-4月温室外升温速率是温室内的3.4倍，温室内气温变化速率小，符合日光温室生产管理要求，对设施农业产业有利。

2.2 日光温室内相对湿度的变化

2.2.1 日变化 从图3可知，温室内相对湿度晴天和多云天气时变化幅度较大，阴(雨雪)天时相对平稳。晴天时，8:00-9:00掀帘后，温室内相对湿度的下降速率为8.9%/h；12:00最低；16:00-18:00盖帘后，温室内相对湿度迅速上升，上升速率为18.9%/h，18:00达90%左右，夜间温室内一直处于平稳高湿状态，一般在90%以上。多云天气时，温室内相对湿度的变化幅度与晴天相似，在早掀帘后温室内相对湿度亦呈明显的下降趋势，14:00降至最低，下降速率为4.0%/h；此后相对湿度迅速上升，上升速率为8.0%/h，18:00至次日掀帘时相对湿度稳定在90%以上。阴(雨雪)天时，温室内相对湿度变化幅度较为平稳，白天相对湿度明显高于晴天和多云天气，较晴天时平均高7%左右。8:00-14:00呈小幅下降后逐步回升，夜间变化趋于平稳。

2.2.2 季节变化 从图4可见，温室内相对湿度在整个作物的生长周期内无剧烈变化，升、降幅度趋于平稳。10-11月随着作物的定植生长以及外界温度的逐渐下降，温室内调控放风时间缩短，相对湿度逐渐升高。12月至翌年3月温室内相对湿度为整个作物生长期的最高时段，平均达95%左右。而后，随着外界气温的不断升高，加上对温室内放风时间的延长，温室内的相对湿度呈逐渐下降趋势。

2.3 日光温室内光照强度的变化

2.3.1 日变化 温室内光照强度变化主要与外界天气状况、太阳辐射强度及棚膜透光性有关。从图5看出，温室内光照强度日变化呈抛物线形，峰值出现在12:00左右，8:00-12:00光照强度随外界光照强度的增加而升高，上升速率为10 050 lx/h；12:00-16:00光照强度随外界光照强度的减少下降，下降速率为11 050 lx/h。温室内光照强度受温室外天气条件的影响较大，晴天温室内光照强度较多云天气和阴(雨雪)天气分别提高26.6%和53.6%，综合天气状况温室内光照强度平均比温室外低34.9%。

2.3.2 季节变化 从图6可知，在温室作物的整个生长期(10月至翌年6月)内，温室内光照强度的季节变化与温室外光照强度的变化呈明显的相关性，其变化曲线均为波浪形，且整体呈上升趋势。10月，温室采用新膜，透光性较好，温室内光照强度随着温室外光照强度的升、降变化而发生相应变化。3-6月，随着季节变化，阴雨天气逐渐增多，加上棚膜老化，温室内光照强度呈下降趋势。

2.4 日光温室内CO2浓度的变化

2.4.1 日变化 在温室气象因素中，从图7看出，温室内CO2浓度变化受温室内光照强度影响较大，温室内CO2浓度20:00至次日20:00呈不规则的W形变化，7:00至次日7:00呈U形变化，与魏珉等[9-10]的研究结果相一致。多云和阴(雨雪)天气下，温室内CO2浓度变化趋于一致，相对晴好天气时日较差较大。温室内CO2浓度最大值出现在早掀帘前，上午受光照强度影响，植物消耗CO2的光合速率快，温室内CO2浓度呈逐步下降趋势。中午由于温室内放风除湿，其CO2浓度变化趋于平稳。夜间温室内光照为0，对CO2消耗减少，同时受土壤及植物自身呼吸作用的影响，温室内CO2浓度逐渐升高。由于多云及阴(雨雪)天气白天对温室内CO2的消耗较少，所以夜间CO2浓度高于晴天。

2.4.2 季节变化 温室内CO2浓度的季节变化受作物生长的影响，各时段浓度变化存在差异。从图8可见，11月至翌年4月为作物生长发育期，温室内CO2浓度较高；5-6月为作物生育后期，植株枝叶茂密，呼吸旺盛，消耗CO2较多。加之5-6月温室膜已渐老化，温室内光照强度减弱，另外温室外气温较高，夜不遮帘，通风口昼夜开放，使得温室内CO2浓度迅速下降。

3 结论与讨论

受外界环境影响，不同的天气条件下温室内的气温变化不同。晴天时，温室内气温日较差最大，多云天气次之，阴(雨雪)天最小，研究结果具有普遍性[6-7]。朝阳地区日光温室3种天气条件下，温度变化速率及差值与其他地区有所不同[8,11-12]。温室内气温受外界气象条件影响的变化较大，不同天气下温室内昼夜温差的变化幅度存在差异，气温变化速率晴天>多云天气>阴(雨雪)天。气温从早掀帘起逐步上升，近12:00达最高，晴天、多云天气和阴(雨雪)天的上升速率分别为5.2℃/h、3.1℃/h和0.2℃/h；至20:00温室内气温开始下降，其降温速率分别为4.5℃/h、2.8℃/h和0.3℃/h，夜间温度变化趋于平缓；温室内晴天平均气温比多云和阴(雨雪)天气分别高1.7℃和4.6℃。

温室内小气候的日变化中，最低气温出现在8:00-9:00，最高气温出现在12:00左右，白天气温变化较大，夜间气温下降缓慢；相对湿度日变化，以8:00-16:00变化剧烈，最低相对湿度出现在13:00左右，16:00-8:00时保持在90%以上的较高水平，其变化规律与温室内白天放风时间有直接关系；温室内光照强度在8:00-16:00呈抛物线型变化，12:00达最高；温室内CO2浓度变化与温室内光照强度、作物种植面积以及植物本身光合作用有关，其浓度日变化存在明显的双峰结构。早上掀帘前温室内CO2浓度达日最高水平，12:00-15:00最低。其下降速率最快的阶段是早晨见光后的2～3 h。

日光温室小气候季节变化随着外界环境的变化而变化。12月至翌年2月温室内外的气温均最低，当外界气温升高时，温室内亦升高。12月至翌年1月温室内湿度最高，与放风有直接关系，该时期日照时间短，光照强度较弱。温室内CO2浓度的季节变化与温室内作物的生长发育密切有关，作物生育期内(11月至翌年4月)，温室内CO2浓度与光照强度呈正相关，浓度较高；而生育后期(5-6月)，作物叶面积指数达最高，植株枝叶茂密，呼吸旺盛，CO2浓度变化与光照强度呈负相关，其浓度较低。

试验结果表明，在没有调控设备影响下，温室内小气候变化规律与温室外天气变化有直接关系，其变化规律与大多研究成果相吻合；受朝阳地区区域气候的影响，温室内各气象要素变化速率、以及不同天气条件下的差异与其他地区的研究结果不同，体现了朝阳地区日光温室的特性。根据共性和个性的变化规律，可建立日光温室温、湿等气象条件的预测预报模型，为当地日光温室的经营管理提供技术服务，给温室放风、排湿、降温、保温和施肥提供更精细化调控管理技术措施。