长沙市蔬菜大棚微气象探究

魏雯婷，李元波，章婉奇，申天瑶，彭梦霜

（长沙市气象局，湖南长沙 410205）

长沙市地处湖南省东北部之湘江下游，属亚热带季风性湿润区，气候温和、雨量充沛、热量充足、四季分明，无霜期长达270 d，喜凉蔬菜露地栽培可安全越冬。同时，长沙市占据华中腹地，扼南北要冲，交通便利，经济发达，是华中地区主要的中心城市及经济中心之一。蔬菜产业发展的资源和区位优势明显，一直以来都是湖南省蔬菜生产的优势区域。

蔬菜大棚的微气候环境是一个非常复杂的系统，受众多因素和条件的制约，大棚内物质与能量的传输、太阳辐射的透射与分布特征、作物生长过程中的能量交换及土壤热量传导等都会对大棚内环境造成一定的影响。大棚的生产效率除生物学本身的遗传因素外，主要取决于大棚的气候环境，因此研究蔬菜大棚的微气候环境有着重要的现实意义。张巍针对长期阴天、大雪天气进行了研究，找出了蔬菜大棚面对长期阴天、大雪天气相应的对策［1］。近10 年来长沙6 月平均总降水量最多，易出现暴雨、雷暴等灾害性天气。通过对6 月内蔬菜大棚的气候环境、长沙市天气进行研究，分析蔬菜大棚内的气象变化规律。

1 材料与方法

1.1 时间地点

试验地点位于长沙市靖港镇众兴社区龙塘组的西藏绿之源大棚。选取2021 年6 月13—28 日的微气象要素。

1.2 试验材料及数据来源

大棚属于玻璃温室且有控制室，总面积2 470 m2。大棚内小气候数据采用的是北京奥托数据采集器，使用物联网温室环境控制系统，每10 min 记录一个平均值，包括室内平均温度、平均湿度、光亮度、CO2浓度及土壤温度。气象数据来自长沙区域自动站数据库。

1.3 数据分析方法

采用常规数理统计方法，对蔬菜大棚内的微气象变化情况进行计算与分析。

1.4 试验设计及目的

6 月为长沙市近10 年来平均降水量最多的月份，且易出现短时暴雨，通过采集器每10 min 记录一个平均值，算出各个要素每小时、每日的平均值，从而分析蔬菜大棚内的气象变化规律及大棚的气象效应，建设农业气象服务体系和农业气象灾害防御体系。

2 结果与分析

2.1 棚内微气候时间变化特征

2.1.1 棚内温度及土壤温度

对棚内温度、土壤温度进行日变化分析。如图1 所示，棚内温度与土壤温度有着明显的昼夜变化，6:00—14:00 逐渐增加，而14:00 至次日5:00 逐渐减小。其中在14:00，棚内温度与土壤温度皆达到最高，此时棚内温度及土壤温度分别为34.2 ℃、34.7 ℃；在5:00两者温度皆达到最低，此时的棚内温度和土壤温度分别为25.6 ℃、25.7 ℃，棚内温度、土壤温度最大日温差分别达8.6 ℃、9.0 ℃。整体上1 d 内土壤温度比棚内温度略高一些，且两者成正相关，但值相差不大。POLLEY 指出温度升高对农作物光合作用影响很大，处于高温条件下的农作物，光合作用受阻，甚至中断或终止作物的正常生育过程［2］。因此，通过蔬菜大棚内温度的分析，从而进行有效的控温对农作物的生产有很好的作用。

图1 棚内温度与土壤温度日变化

2.1.2 湿度与CO2浓度

对蔬菜大棚内湿度及CO2浓度进行日变化分析，如图2。可以看出棚内湿度和CO2同样有明显的昼夜变化，白天呈下降趋势，夜间呈正常增长趋势。其中棚内相对湿度在13:00 达到最低，为60.3%；在5:00 时达到最高，达到91.7%。CO2浓度的最低值为308.1 mg·L-1，出现在14:00；而最高值为434.3 mg·L-1，出现在6:00。从上可以看出蔬菜大棚内的平均湿度与棚内CO2浓度呈正相关，但同时这2 者与棚内温度及土壤温度成负相关。PENG 等指出CO2浓度升高可以促进光合作用，进而增加生物量的生产［3］。湿度影响农作物的蒸腾作用和光合作用，而且湿度的有效控制对病原微生物的繁殖也有抑制作用［4］。

图2 棚内平均湿度与CO2 浓度日变化

温度会影响植物的蒸腾作用，进而影响植物的光合速率。且温度、CO2浓度、湿度3 者相互相关、相互影响，因此对其进行有效调节，利于植物的生长发育。

2.1.3 光亮度

蔬菜大棚内的光亮度有明显的日变化，如图3 所示。6:00 起光亮度呈逐渐增加趋势，在13:00 达到最高，为10.7 cd·m-2；14:00—19:00 光亮度逐步减小，且14:00—15:00 降幅较大，下降了3.3 cd·m-2。而在20:00至次日5:00 棚内光亮度为0 cd·m-2。其中11:00—14:00时，平均总光亮度为41.0 cd·m-2，占整体的51.4%，说明此时段棚内的光发光率最强。董春山指出光照时间对提高初级生产力有着显著的影响，且光照也是影响植物水分、氮素吸收及代谢的因素之一［5］。光照是植物进行光合作用的必要条件，针对植物的生长状况，对作物需求光的程度进行光亮度调节，可以促进农作物的光合作用。

图3 棚内光亮度日变化

2.2 各要素日变化特征

棚内的温度及土壤温度的日变化同样呈正相关，且2 者差距不大，见图4。在6 月17 日温度下降明显，在6 月17—18 日棚内温度及土壤温度的日平均温度分别相差7.4 ℃、7.1 ℃，6 月24 日后2 者温度有明显升高，在6 月25 日棚内温度及土壤温度分别达到这段时间的最高值，分别为34.4 ℃、34.1 ℃。光亮度的日变化有一定波动幅度，这段时间在6 月18 日最低，为0.7 cd·m-2，在6月25日最高，为5.8 cd·m-2。棚内的湿度及CO2浓度的日变化呈正相关，6 月16 日棚内的相对湿度最低，为62.9%，在24 日达到最高，为93.9%。棚内CO2浓度在6 月28 日达到最低值232.9 mg·L-1，在6 月23 日达到最高值486.7 mg·L-1。

图4 棚内温度与土壤温度、光亮度、棚内平均湿度及CO2浓度的变化

2.3 棚内外对比

2.3.1 温度对比

选取距西藏绿之源望城基地较近的站点望城区站，利用望城区站气温与蔬菜大棚内的温度做对比，同时对大棚内的气温不做任何调控，从而分析棚内外的气温特点，如图5，6 月13—28 日外界平均气温为28.4 ℃，蔬菜大棚内的平均温度为29.3 ℃，两者相差0.9 ℃，在6 月17 日棚内外温度有明显的下降。从日最高温度看，棚内大部分时期高于棚外，在6 月19—21 日棚内温度高于棚外。而对于日最低温度，除6 月18—21 日棚外温度明显低于棚内温度，其他时段棚内与棚外差别不大。棚内温度的日极差值较棚外略大，说明棚内的温度波动较棚外较大。并且在6 月17 日晚至23 日，长沙市有一次降温降水过程，棚内外温度均有明显的下降，说明外界气候对大棚内的温度仍有一定程度的影响。但棚内平均温度、最低温度、最高温度均高于外界，表明大棚有很好的保温效果。

图5 6 月13—28 日棚内外的温度变化

2.3.2 湿度对比

对望城区站相对湿度与蔬菜大棚内的相对湿度做对比，如图6。棚外与棚内6 月13—28 日平均相对湿度分别为75.8%、79.4%，整体看棚内的相对湿度较棚外略高。在6 月21—26 日棚内相对湿度明显大于棚外相对湿度，此时段在棚外的相对湿度均小于80%，而棚内的相对湿度基本小于80%，棚外相对湿度在6 月24 日最低，为66.5%，而棚内在6 月24 日为93.9%，说明大棚有很好的增湿效果。

图6 6 月13—28 日棚内外日平均湿度

2.4 近年长沙市气候分析

利用望城坡站、马坡岭站、宁乡站、浏阳站的地面观测资料，分析1970—2019 年长沙市年平均降水量年际变化特征，如图7 所示。这50 年来长沙市年平均降水量呈增加趋势，气候倾向率为1.825 mm/10 年，并且平均年降水量为1 462.4 mm。50 年内年降水量正负距平交替出现，1970—1988 年以负距平为主，1989—2006 年以正距平为主，2006—2019 年波动较大。前25 年（1970—1994 年）比后25 年（1995—2019 年）平均年降水量少65.3 mm。同时，最少年降水量达993.8 mm，出现在2011 年；最多年降水量达1 877.5 mm，出现在2012 年，两者极差为883.7 mm。说明长沙市年平均降水量呈增多趋势，且波动幅度较大。

图7 1970—2019 年长沙年降水量变化

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告中指出至少到21 世纪中叶，全球地表温度将继续升高，气候变化的许多特征直接取决于全球升温的水平，预计在未来几十年里，所有地区的气候变化都将加剧，且极端高温天气发生的强度和频率都在迅速增加。气候的变化对农作物的生产有着很大的影响，说明蔬菜大棚建立的必要性。同时，针对不同天气变化采取有效的措施，会很好地提高农作物的产量。魏镛频指出日光温室内小拱棚能改变蔬菜生长环境，提高拱棚内温度，进而提高出苗率、缩短育苗时间及有利于培育健壮蔬菜苗［6］。阴雨天过后，温度急剧上升，此时应将大棚打开，促进大棚内空气流通，防止蔬菜因温度过高枯萎［7］。遮阳网在晴天的遮光降温效果明显好于阴雨天气［8］。

3 讨论与结论

1）蔬菜大棚内的微气候有明显的昼夜变化特征，且棚内温度、湿度、CO2浓度及光照度日差值较大。棚内温度与土壤温度呈正相关，同时这两者又与棚内平均湿度、CO2浓度呈负相关。棚内温度、土壤温度、棚内平均湿度、CO2浓度及光亮度这些要素均在13:00—14:00、5:00—6:00 时出现一天内的极值。

2）外界气候变化对蔬菜大棚内的温度有一定程度的影响。当外界出现降温降雨时，棚内的温度、土壤温度也有一定程度的下降，但蔬菜大棚有很好的保温效果。在阴雨天，蔬菜大棚能很好地提供光照，而在外界相对湿度较小时，大棚能提供较好的湿度条件供农作物正常生长。

3）在极端天气增多的背景下，长沙市每年降水量呈增多趋势，短时暴雨、极端高温天气对农作物的生产有着很大的影响。蔬菜大棚的建立，针对不同天气变化对棚内的微气候进行有效的调节，同时做出有效的措施，如搭建小拱棚、盖膜、通风及开沟排水防渍等，对提高农作物的产量有着重要的作用。

4）由于此次数据不足，对蔬菜大棚内的微气象分析及冬季大棚对农作物的影响力，都有待进一步分析研究。