脐橙园防虫网内外光合有效辐射的变化特征及其影响

谢远玉，胡菊芳，丁美萍，张韵启，李亚靖

（1.江西省赣州市气象局，江西 赣州 341000；2.江西省气候中心，江西 南昌 330096；3.江西省信丰县气象局，江西 信丰 341600）

0 引言

柑橘黄龙病为柑橘的毁灭性病害，呈世界性分布［1］，威胁我国乃至世界柑橘产业的健康发展［2-3］。柑橘木虱是柑橘黄龙病的重要传播媒介，而防虫网是利用物理阻隔的方法直接阻挡害虫对作物的侵害，具有防虫、防病等作用。张小凤等［4］研究发现采用40目透光防虫网可阻隔柑橘木虱和其他病虫的侵害，从而有效阻断黄龙病传播途径，是黄龙病绿色防控主要技术之一［3］。

光合有效辐射（photosynthestically active radiation，PAR）是植物进行光合作用所利用的太阳短波辐射，其波长为0.4～0.7 μm［5］。它是植物生长所需的基本能源，与植物的光合速率密切相关［6-7］。PAR作为一种气候资源，是评价作物光合潜力、植物产量潜力的重要科学依据［8-9］。早期国内外学者主要通过气候学方法计算PAR［5，10-11］，20世纪末到21世纪初开始，学者则主要通过光学传感器直接测定到达地表的PAR［12］。国内学者对光合有效辐射的基本特征做了大量的研究，马金玉等［13］基于固城站辐射观测资料对光合有效辐射特征进行了研究；李英年等［14］分析了祁连山海北高寒草甸地区植物生长期的光合有效辐射特征；张运林等［15］分析了太湖地区光合有效辐射的基本特征；孙琳婵等［16］对青藏高原多年冻土北界西大滩地区光合有效辐射的基本特征进行了研究；张一平等［17］探讨了西双版纳热带植物园引种植物主要定植区近地层的光合有效辐射特征及其变化规律；袁凤辉等［18］对长白山红松针阔叶混交林林下的光合有效辐射基本特征进行了研究。但有关脐橙园防虫网内外光合有效辐射变化特征的分析还鲜见报道。

本研究利用江西省信丰县乌石下脐橙园2020年5月至2021年4月的总辐射（Global Radiation，Q）、光合有效辐射（PAR）和日照时数（Sunshine duration，S）等辐射观测数据以及信丰县气象站日照时数资料，分析了脐橙园防虫网内外光合有效辐射的变化特征，采用相关分析方法，构建基于日照时数不同季节的光合有效辐射的估算模型，并根据连续2年网内外脐橙品质跟踪检测结果，分析防虫网对脐橙品质的影响，为更好地利用气候资源及推动赣南脐橙产业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省赣州市信丰县（图1）。信丰是著名的“脐橙之乡”，位于江西省南部，为赣南脐橙最早种植区。年平均气温19.5 ℃，年降水量1518 mm，年日照时数1624 h，属亚热带湿润季风气候。脐橙园位于信丰县嘉定镇太平上村乌石下小组，种植脐橙品种为纽荷尔脐橙，树龄15年，种植行株距为3 m×4 m，试验在其中搭建防虫网室，网内外树龄、管理技术和水平一致。园内防虫网室于2019年12月建成，主体采用7.5 m跨圆拱型结构，规格为7.5 m（长）×8 m（宽）×4 m（高），网室总面积480 m2，网室全部覆盖格林公司生产的40目透光新型防虫网，该防虫网具有抗热、耐水、耐腐蚀、耐老化、防虫、通风等特点，可有效防止柑橘木虱等病虫的侵入。

图1 研究区位置

1.2 数据来源

本文采用的数据为2020年5月1日至2021年4月30日在江西省信丰乌石下脐橙园（简称网外）及该园防虫网内（简称网内）测得的光合有效辐射、总辐射和日照时数以及江西省信丰县气象站提供的日照时数等，数据序列完整。果园辐射观测所用仪器均为江苏省无线电科学研究所有限公司生产，其基本信息见表1。辐射的采集频率为每分钟的瞬时值，记录样本为每小时的累计值；日照时数的采集频率为每分钟的累计值，记录样本为每小时累计值。信丰县气象站日照时数观测所用仪器为中环天仪（天津）气象仪器有限公司生产，数据采集方式与果园日照时数一致。

表1 观测项目及仪器基本信息

1.3 数据处理及方法

日累计量的计算：把1天的小时累计值相加，分别得到光合有效辐射（PAR）日累计量［μmol/（m2·d）］、总辐射（Q）日累计量（W/m2）和日照时数日累计值（min），并将日照时数转换成小时（h）单位。

为了与总辐射观测记录的单位统一，将光合有效辐射观测记录的光量子单位［μmol/（m2·d）］，转换成能量单位W/m2，其转换公式如下［13］：

光合有效辐射系数（ηPAR）的计算公式为［13，19］：

式（2）中：ηPAR为光合有效辐射系数，n为样本个数。

典型晴天和阴天的规定：由于近年来气象台站全面实施自动化观测，取消了云量观测，因此本文以日照时数＞8 h，且无降水的某日为典型晴天；以日照时数＜0.1 h且无降水的某日为典型阴天。

四季划分方法：春季为3～5月、夏季为6～8月、秋季为9～11月、冬季为12～2月，因观测资料所限，文中春季为非连续月（2021年3～4月和2020年5月）序列。

采用DPS数据处理系统［20］进行相关分析和回归模型的构建。

2 结果与分析

2.1 光合有效辐射的年变化

果园防虫网内外总辐射（Q）和光合有效辐射（PAR）日累计的变化情况见图2。由图2可知，网内外的总辐射和光合有效辐射的变化趋势基本一致。总辐射年总日累计量网内为891.7 kW/m2，比网外衰减了33.4%；光合有效辐射年总日累计量网内为347.2 kW/m2，比网外衰减了37.9%。光合有效辐射年平均日累计量网内为0.95 kW/（m2·d），比网外1.53 kW/（m2·d）偏少了0.58 kW/（m2·d），光合有效辐射年最大日累计量网内为2.28 kW/（m2·d），出现在6月29日；网外为3.31 kW/（m2·d），出现在8月14日。光合有效辐射年最小日累计量网内为0.13 kW/（m2·d），网外为0.21 kW/（m2·d），均出现在1月7日。

图2 信丰乌石下脐橙园网内外光合有效辐射和总辐射日累计量的变化情况

2.2 光合有效辐射的季节变化

由图3可知，果园防虫网内外的光合有效辐射季节变化基本一致，以夏季最大，夏季光合有效辐射平均日累计量网内为1.55 kW/（m2·d），网外为2.29 kW/（m2·d）；春季、秋季次之，冬季最小，冬季光合有效辐射平均日累计量网内为0.61 kW/（m2·d），网外为1.13 kW/（m2·d）。

图3 信丰乌石下脐橙园网内外光合有效辐射四季平均日累计量的变化

由图4可知，果园防虫网内外光合有效辐射月平均日累计量的变化趋势基本一致。在1～4月光合有效辐射月平均日累计量变化不明显，网内介于0.65～0.77 kW/（m2·d），网外介于1.10～1.39 kW/（m2·d）。5～8月的光合有效辐射逐渐增大，至8月达到最大值，此时光合有效辐射月平均日累计量网内为1.66 kW/（m2·d），比网外［2.49 kW/（m2·d）］少0.83 kW/（m2·d）。在9～12月逐渐减小，至12月达到最小值，此时光合有效辐射月平均日累计量网内为0.42 kW/（m2·d），比网外［0.82 kW/（m2·d）］少0.4 kW/（m2·d）。

图4 信丰乌石下脐橙园网内外PAR各月平均日累计量的变化

2.3 光合有效辐射的日变化

由图5可知，夏季典型晴天和阴天网内外的光合有效辐射日变化均为单峰型曲线，夏季光合有效辐射时长为13 h（6:00～18:00），其中晴天早上6:00开始光合有效辐射逐渐增强，中午12:00前后达最大值，网外为1900 μmol/（m2·s），网内为1476 μmol/（m2·s），随后网外呈断崖式减少，网内呈阶梯式下降；阴天光合有效辐射日变化的趋势与晴天类似，但最大值，网外的956 μmol/（m2·s），网内的634 μmol/（m2·s）出现在中午13:00前后，随后均呈阶梯式下降。夏季日最大光合有效辐射网内比网外晴天衰减22.3%，阴天衰减33.7%。光合有效辐射网内外的差异随太阳高度角的变化而变化，早、晚太阳高度角小，网内光合有效辐射衰减较少，中午前后随着太阳高度角增大，网内光合有效辐射衰减随之增大。

图5 信丰乌石下脐橙园夏季典型晴天和阴天网内外的光合有效辐射的日变化

由图6可知，冬季晴天和阴天网内外的光合有效辐射日变化均为多峰型曲线，冬季光合有效辐射时长晴天为11 h（7:00～17:00），阴天为10 h（7:00～16:00），其中晴天早上7:00光合有效辐射开始快速增强，11:00～13:00达最大，网外为1030～1045 μmol/（m2·s），网内为383～503 μmol/（m2·s），随后快速减少；阴天光合有效辐射日变化的趋势与晴天不同，早上7:00～10:00缓慢增加，11:00～14:00达最大，网外为379～392 μmol/（m2·s），网内为181～185 μmol/（m2·s），随后逐渐减少。冬季日最大光合有效辐射网内比网外晴天衰减52%～62%、阴天衰减52%左右。冬季网内外光合有效辐射的差异也随太阳高度角变化而变化，网内光合有效辐射衰减规律与夏季相似。

图6 信丰乌石下脐橙园冬季典型晴天和阴天网内外的光合有效辐射的日变化

2.4 光合有效辐射系数的季节变化

由图7可以看出，果园防虫网内外ηPAR均具有明显的季节变化特征，都表现为夏季＞春/秋季＞冬季。网内ηPAR的最大值出现在5～6月，比光合有效辐射最大值出现的月份提早了2～3个月；网外ηPAR的最大值出现在9月，比光合有效辐射最大值出现的月份晚1个月。网内ηPAR最小值出现在11月，次小值出现在12月；网外ηPAR最小值出现在1月，次小值出现在2月。年平均ηPAR值网内、外分别为0.39和0.42，其中网内月平均ηPAR值为0.34～0.42，网外月平均ηPAR值在0.38～0.45。

图7 信丰乌石下脐橙园网内外ηPAR月、季平均日值变化

2.5 基于日照时数的光合有效辐射量的估算

日照时数是指每日太阳直接辐射≥120 W/m2的时间长度［21］，近年来气象台站实施气象自动化观测后，日照时数观测多采用光电式数字日照计。由图8可知，果园防虫网内外日照时数的月变化趋势与光合有效辐射略有差异，日照时数最大值网内为7月，网外为8月；日照时数最小值网内出现在12月，网外出现在9月。不同季节日照时数存在明显的变化特征，夏季最多，冬/秋季次之，春季最少。

图8 信丰乌石下脐橙园网内外月日照时数的变化

从表2可知，光合有效辐射与日照时数存在显著的正相关，均通过了0.001信度检验，即日照愈多光合有效辐射量愈大。相关分析发现，信丰站、果园（网外）日照时数与光合有效辐射的相关显著性均高于网内。

表2 光合有效辐射与日照时数的相关关系

光合有效辐射与日照时数不同季节也存在显著的正相关（表3）。由表3可知，果园日照时数与信丰站日照时数相关极好，日照时数是信丰县气象观测站常规观测项目，资料易于获取，因此可以用信丰站的日照时数代替果园日照时数。依此数据分别构建了基于信丰县气象观测站日照时数的春、夏、秋、冬季光合有效辐射的回归模型（表3）。

表3 信丰站日照时数与果园（网外）光合有效辐射、日照时数的回归模型及相关系数

根据构建的光合有效辐射回归模型进行回归检验可知（图9），回归模型拟合值与实况值变化趋势基本一致，拟合效果良好，说明所构建的光合有效辐射回归模型可用于当缺少其他数据时对光合有效辐射的估算。

图9 光合有效辐射估算回归模型的回代检验

2.6 防虫网对脐橙品质的影响

柑橘木虱是黄龙病唯一的自然传播媒介［22］，防治柑橘木虱是目前防控黄龙病蔓延最重要的措施。袁纯芬［23］研究发现网室栽培区黄龙病的发病率和病情指数小于露天区，经黄板法和敲树法调查在网室栽培区未发现柑橘木虱，同时其他柑橘害虫的种类和数量比露天区少。防虫网覆盖技术是实施水果安全优质栽培的新技术之一［24］，应用防虫网不仅可有效阻隔柑橘木虱传播黄龙病，还可大幅度减少农药的使用量，提高果树生产性能，有利于生态农业的发展［22］。但是防虫网栽培将不利柑橘开花授粉［25］，且红蜘蛛和煤烟病发生的概率增大［26］。

2020～2021年分别对网内外脐橙品质进行检测分析（表4）。从表4可知，网内脐橙维生素C含量和总酸（可滴定酸）含量均明显高于网外，可溶性固形物含量略偏低，但能达优质果要求，可食率及其他外观品质网内外差异不明显。该研究结果与刘要鑫等［26］的基本一致，但与袁纯芬［23］的研究结论略有差异，表明短期内防虫网对脐橙品质的影响不明显。

表4 2020～2021年信丰乌石下脐橙园网内外脐橙品质对比

3 结论与讨论

（1）果园防虫网内外光合有效辐射和总辐射的变化趋势基本一致。但总辐射的年总日累计量网内比网外衰减33.4%；光合有效辐射的年总日累计量网内比网外衰减37.9%。光合有效辐射年平均日累计量网内比网外偏少0.58 kW/（m2·d），年最大日累计量网内出现在6月，网外出现在8月；光合有效辐射年最小日累计量网内、网外均出现在1月。

（2）光合有效辐射网内外的季节变化基本一致，以夏季最大，春/秋季次之，冬季最小，研究结果与国内其他学者［19，27］基本一致。光合有效辐射月平均日累计量网内外的变化趋势也基本一致，其中1～4月变化不明显，5～8月逐渐增加，8月达最大，9～12月逐渐减小，12月达最小。

（3）夏季晴天和阴天光合有效辐射网内外的日变化均为单峰型曲线，夏季光合有效辐射时长为13 h，晴天从6:00开始逐渐增强，中午12:00前后达最大值；阴天光合有效辐射日变化的趋势与晴天相似，但最大值出现在中午13:00前后，这与马金玉等［13-14］的研究结论一致。冬季晴天和阴天光合有效辐射网内外的日变化均为多峰型曲线，冬季光合有效辐射时长晴天为11 h，阴天为10 h，晴天从早上7:00开始快速增强，11:00～13:00达最大；阴天光合有效辐射日变化的趋势与晴天不同，早上7:00～10:00缓慢增大，11:00～14:00达最大。光合有效辐射网内外的差值随太阳高度角变化而变化，早晚小而中午大。

（4）光合有效辐射系数（ηPAR）网内外也具有明显的季节变化特征，表现为夏季＞春/秋季＞冬季，这与周允华等［9，27-28］的研究结论基本一致。ηPAR的最大值网内出现在5～6月，网外出现在9月，这一结果与马金玉等［13，27，29］研究的7月最大和李英年等［14］研究的5月最大的结论略有不同，但与周允华等［9］的研究结论相近。ηPAR最小值网内出现在11月，网外出现在1月。年平均ηPAR网内、外分别为0.39和0.42，其中月平均ηPAR网内在0.34～0.42，网外在0.38～0.45。可见信丰脐橙园光合有效辐射系数ηPAR比海北地区（0.350～0.420）［14］、太 湖 地 区（0.338～0.398）［15］、西大 滩（0.380～0.426）［16］、拉 萨 地 区（0.420）［30］等 地要高，但比青海湖流域（0.390～0.480）［22］、五道梁（0.455）［23］、张掖地区（0.419～0.426）［31］等地偏低。

（5）防虫网内外日照时数的月变化趋势与光合有效辐射基本一致，日照时数网内最大值出现在7月，网外在8月；日照时数最小值网内出现在12月，网外出现在9月。夏季日照时数最多，冬/秋季次之，春季最少，日照时数季节变化趋势与光合有效辐射的季节变化略有差异。相关普查发现，光合有效辐射与日照时数存在显著的正相关，鉴于日照时数资料容易获取的特点，构建了基于日照时数不同季节的光合有效辐射回归模型，经回代检验，拟合效果良好。

利用县气象站现成的日照时数资料，通过建立的光合有效辐射估算模型，可实时监测估算脐橙果园生产潜力，为科学安排果业生产提供技术支撑。根据作者连续2年网内外脐橙品质跟踪检测结果发现，网内除VC含量和总酸含量偏高，对口感略有影响外，其他品质指标变化不明显，该研究结果与国内其他研究者［23，26］基本吻合。而脐橙防虫网技术最大的贡献还在于能有效阻隔柑橘木虱等病虫的传播，是防控黄龙病最重要的措施之一，有利于柑橘产业健康可持续发展。但防虫网透光透气性存在差异，直接影响网室内温度、湿度、光照强度等环境因子的变化，导致植株光合速率、生长发育、产量和品质发生改变［4，26，32］，因此，防虫网所用材料的透气性能和光学性质研究将是该项技术能够有效推广的关键。此外，柑橘品质的形成除与气候条件有关外，还与其他生态环境密切相关，本文获取的品质数据时间较短，仅能说明采用防虫网初期脐橙品质的变化情况，今后作者还将继续跟踪防虫网内外脐橙品质的变化特征。脐橙覆盖防虫网后，直接辐射减少，但网内散射辐射增加，一般散射辐射的光合效率要显著高于直接辐射，本文仅考虑了直接辐射对光合有效辐射的影响。因此，未来作者将进一步增加网内外散射辐射及脐橙光合作用速率的观测研究与分析，为柑橘合理利用光能资源提供依据。