黑龙江省典型日光温室气候生产潜力估算及分析

王 萍，朱海霞，王晾晾，王晓明，姜蓝齐，李秀芬，姜丽霞，闫 平

（1黑龙江省气象科学研究所，哈尔滨150030；2中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室，哈尔滨150030；3黑龙江省气象数据中心，哈尔滨150030）

0 引言

黑龙江省地处中国最北部，气候资源尤其是温光资源有限[1-2]，设施农业生产受气候条件的制约，气候资源未得以充分有效利用[3-4]，因此在合理发展黑龙江省设施农业的同时，准确预估温室大棚气候生产潜力，从而使其有限的气候资源得到充分高效的利用，为设施农业的稳产高产提供科学依据。

对于温室大棚内小气候方面研究很多，多集中于设施农业温光资料源分析[5-7]、温度预报模型研究[8-9]、灾害风险区划[10-13]、适宜性区划[14-17]等，而生产潜力的估算主要为在黄秉维等[18]学者的研究基础上，对温度、水分等进行订正[19-21]，对自然状态下的玉米、大豆等大田作物生产潜力进行评价。目前设施农业生产潜力方面的研究相对较少，康西言等[22]以经验模型中的逐级订正模型为依据，日光温室内的小气候观测资料为基础，对高邑黄瓜光合、光温生产潜力进行了估算，得出生产季光合生产潜力；许彦平等[23]通过对植物光温生产潜力气候估算模型的修订，建立了天水节能日光温室光温生产潜力估算模型，估算并系统分析了天水不同生产区节能日光温室光温生产潜力及其地域分布特征；褚金翔等[24]利用利用TOMSIM模型对温室番茄光合生产潜力的模拟计算；姚益平等[25]系统分析中国主要温室作物不同能耗期的持续天数及相应的光热资源分布情况，研究基于能耗与作物潜在产量的温室气候区划方法。以上研究多为近年的日光温室气候生产潜力估算，对于多年的气候生产潜力进行研究的报道较少。本文以黄秉维光合生产潜力估算模型为依据，以日光温室内的小气候观测资料为基础，构建黑龙江省典型日光温室温度预测模型，模拟1961—2020年温室内温度，对1961—2020年的不同地区的气候生产潜力进行估算，并分析其分布规律，以期为设施农业生产布局提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

黑龙江省73个气象观测站1961—2020年的逐日平均气温、日照时数数据来源于黑龙江省气象数据中心。研究区站点分布见图1。

图1 研究区站点分布示意图

日光温室观测数据选择同为果蔬温室的林甸和友谊镇蔬菜基地农业小气候站观测的平均气温数据，林甸蔬菜基地农业小气候站位于124.74°E、47.3°N，海拔高度160 m，资料时间为2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月；友谊蔬菜基地农业小气候站位于131.82°E、46.78°N，海拔高度70 m，2019年1月—2020年8月。

1.2 研究方法

1.2.1 天气类型划分方法 根据林甸和友谊镇蔬菜基地农业小气候站附近林甸和友谊气象站观测的逐日日照时数确定天气类型。划分标准如表1。

表1 天气类型划分方法

1.2.2 光合生产潜力计算方法 黄秉维光合生产潜力的估算简式如式(1)所示[18,26]。

其中，B(R)为光合潜力(kg/hm2)，Q为年太阳总辐量(W/m2)。

因为光能只有透过塑料薄膜的那部分能为温室内作物利用进行光合作用，因此加入塑料薄膜太阳辐射透射率，本研究取0.6[26]，对式(1)进行修订如式(2)。

其中，B(Ri)为日光温室光合生产潜力估算值(kg/hm2)，Qi为温室生产季（4—10月）各月太阳总辐量(W/m2)。

1.2.3 光温生产潜力计算方法 作物产量形成要受光温条件的共同影响，光温生产潜力的估算在光合生产潜力的基础上，考虑温度订正，因此采用康西言等使用的温度订正系数[22]如式(3)。

其中a为常数，当日平均气温T≤20℃时a=-1，当日平均气温T＞20℃时a=-2。

光温生产潜力计算如式(4)。

2 结果与分析

2.1 温室内外温度关系模型

2.1.1 天气类型 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月、友谊2019年1月—2020年8月的各种天气型的天数如表2～3。从表中可以看出，晴天、阴天、多云天气在各月的分布规律友谊与林甸相似：每月晴天居多，其次为阴天、多云天气相对较少；每月晴天天数多在14～28天，阴天天数在0～13天，多云天数多在0～9天；在夏秋季，阴天天数基本多于多云天数，而在冬春季节，阴天天数和多云天数没有明显的规律。

表2 林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月晴、阴、多云的天数 d

表3 友谊2019年1月—2020年8月晴、阴、多云的天数 d

2.1.2 温室内温度预测模型建立 将林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友谊2019年1月—2020年8月的温室内平均温度及温室外（以林甸和友谊的气象观测站观测资料代替）的平均温度按照已经划分好天气型（晴、多云、阴）的日期进行划分，并且剔除缺测及影响反映实际情况的资料，分别按照不同的天气类型，以棚外温度为自变量，以棚内温度为因变量，建立相关模型（表4）。

表4 林甸、友谊日光温室平均气温预测模型

模型检验：由于资料序列较短，因此进行回代检验。将林甸2017年9月—2018年4月及2018年11月—2019年6月，友谊2019年1月—2020年8月的温室外平均温度代入上述预测模型，预测室内温度，并计算其误差。4个季节不同天气型的平均气温预报值平均绝对误差大部时段在0.1～4.8℃之间，林甸误差小于友谊，晴天小于阴天和多云天气。绝对误差≤1℃准确率各季节不同天气类型差距较大，总体来说林甸大于友谊，晴天高于阴天和多云天气。

2.2 生产潜力估算及其分布规律

2.2.1 温度订正系数 根据黑龙江省温室大棚生产的实际情况，温室一般当年10月—次年5月进行生产，因此利用上述林甸和友谊的平均气温预测模型对1961—2020年各县的温室内气温进行预测，其中西部采用林甸的预测模型，东部采用友谊的预测模型，得到每日平均气温，进而计算各月平均气温，代入温度订正系数公式，得到1961—2020年及2021—2060年温度订正系数如表5。

表5 温度订正系数

2.2.2 光合生产潜力估算及其分布 将研究区73个站各月温室生产季逐月太阳总辐射代入光合生产潜力公式，得到各地温室光合生产潜力估算值，利用ArcGIS进行插值，得到黑龙江省1961—2020年光合生产潜力空间分布状况。

从空间分布来看（图2），黑龙江省日光温室大棚1961—2020年温室生产季节光合生产潜力由东北向西南逐渐增大，在54301～66323 kg/hm2之间变化，抚远最小，为 54301 kg/hm2，肇州最大，为 66323 kg/hm2，黑河东北部、伊春北部、三江平原东北部在58000 kg/hm2以下，西南部及东南部半山区大部地区在62000 kg/hm2以上，其他大部地区在58000～62000 kg/hm2之间。

图2 黑龙江省温室大棚光合生产潜力分布示意图(kg/hm2)

从时间分布来看，1961—2020年各地温室生产季节光合生产潜力呈现逐年减小的趋势（图3），年平均为60184 kg/hm2，最小值出现在2015年，为56455 kg/hm2，最大值出现在2020年，为65707 kg/hm2。从各年代际来看，生长季光合生产潜力1961—1970年最大，为61487kg/hm2，其次为1981—1990年代，为60585kg/hm2，再次依次为1971—1980、1991—2000、2011—2020年，分别为 60566、59747、59555 kg/hm2，最小为 2001—2010年，为59165 kg/hm2。从各月份来看，1961—2020年生长季光合生产潜力5月最高，为13725 kg/hm2，12月最低，为3496 kg/hm2，各年代季的月光合生产潜力分布规律与1961—2020年月平均光合生产潜力基本一致。

图3 黑龙江省温室大棚光合生产潜力逐年分布示意图

2.2.3 光温生产潜力估算及其分布 利用温度订正函数对光合生产潜力进行订正，得到光温生产潜力估算值，利用ArcGIS进行插值，得到黑龙江省1961—2020年光温生产潜力空间分布状况。

从空间分布来看（图4），黑龙江省日光温室大棚1961—2020年生长季光温生产潜力分布规律与光合生产潜力一致，由东北向西南逐渐增大，在31947～38979 kg/hm2之间变化，抚远最小，为31947 kg/hm2，肇州最大，为38979 kg/hm2，黑河东北部、伊春北部、三江平原东北部在34000 kg/hm2以下，西南部及东南部半山区大部地区在36000 kg/hm2以上，其他大部地区在34000～36000 kg/hm2之间。

图4 黑龙江省温室大棚光温生产潜力分布示意图(kg/hm2)

从时间分布来看，1961—2020年各地温室生长季光温生产潜力与光合生产潜力分布规律一致，呈现逐年减小的趋势（图5），年平均为35458 kg/hm2，最小值出现在1995年，为32043 kg/hm2，最大值出现在2020年，为38838 kg/hm2。从各年代际来看，生长季光温生产潜力1961—1970年最大，为36236 kg/hm2，其次为 1981—1990年 ，为 35746 kg/hm2，再 次 依 次 为1971—1980、1991—2000、2011—2020 年 ，分 别 为35626、35206、35026 kg/hm2，最小为2001—2020年，为34906 kg/hm2。从各月份来看，1961—2020年生长季光温生产潜力5月最高，为10047 kg/hm2，12月最低，为1685 kg/hm2，各年代季的月光温生产潜力分布规律与1961—2020年月平均光温生产潜力基本一致。

图5 黑龙江省温室大棚光温生产潜力逐年分布示意图

3 结论

（1）2017—2020年研究时段内西部的林甸和东部的友谊各种天气类型的分布规律友谊与林甸相似，每月晴天居多，其次为阴天、多云天气相对较少，大部月份两地的晴天天气均在20天以上，说明两地光照资源对于日光温室内作物来说是有利的，能够满足温室内作物生长发育的需求。

（2）建立的林甸和友谊典型日光温室平均气温预测模型，均通过信度检验(P≤0.05)，回代检验中不同季节不同天气型的平均气温预报值平均绝对误差大部时段在0.1～4.8℃之间，且林甸误差小于友谊，晴天小于阴天和多云天气。

（3）黑龙江省日光温室1961—2020年温室生产季节光合生产潜力和光温生产潜力时空分布规律基本一致，均是由东北向西南逐渐增大，且逐年减小，5月最高，12月最低。光合生产潜力在54301～66323 kg/hm2之间变化，最小值出现在2015年，最大值出现在2020年；光温生产潜力在31947～38979 kg/hm2之间变化，最小值出现在1995年，最大值出现在2020年。

（4）从光合生产潜力与光温生产潜力的分布来看，西南部与东南部最高，适宜发展日光温室生产，北部及东部较低，日光温室生产风险大；但从各月的光合生产潜力和光温生产潜力来看，冬季尤其是12月和1月生产潜力较低，这是由于黑龙江省位于中国最北部，冬季寒冷漫长，光温条件对温室大棚生产不利，尤其是温度条件不充足，为了保证日光温室内作物正常生长，采取适当的保暖措施十分必要，因此日光温室生产存在较大风险。

（5）笔者借鉴了大田作物生产潜力的计算方法，即黄秉维光合生产潜力估算方法，对黑龙江省的不同地区的光合生产潜力及光温生产潜力进行估算，研究结果对黑龙江省日光温室生产有一定的指导作用。日光温室内的小气候条件除了受外界天气的影响制约外，还与温室所用材料、大小、结构、作物品种、农事活动、保暖方式等因素有关，因此不同地区、不同类型的温室光合生产潜力和光温生产潜力不同，本研究选择了位于黑龙江省西部的林甸和东部的友谊，时间段选择了主要温室生产季节10月—次年5月，研究成果有一定代表性，可以为黑龙江省日光温室生产布局提供科学依据。