基于人工气候室的特色作物气候因子敏感性试验设计

夏权

摘要 从中药材农业生产实际出发，紧扣甘肃省“牛羊菜果薯药”六大特色农业产业和绿色十大生态产业中“循环农业”“中医中药”产业急需解决的关键科技问题，以甘肃省中药材核心产区定西为例，选取该地区在国内外市场有明显竞争优势的道地中药材品种当归、党参、黄芪为研究对象，开展气候生态因素对特色中药材的生长发育、产量和品质的影响分析，提出气候生态资源合理利用的对策措施，研究气象灾害对特色中药材的致灾机理，确定当归、党参、黄芪不同生育期气象致灾因子阈值，进而建立定西特色中药材生态气象服务指标体系。

关键词 人工气候室；马铃薯；中药材；气候因子；敏感性试验

中图分类号 S162  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）10-0174-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.039

Abstract Starting from the actual agricultural production of traditional Chinese medicine，we will closely focus on the key scientific and technological issues that urgently need to be solved in the "circular agriculture" and "traditional Chinese medicine" industries among the six characteristic agricultural industries of "cattle， sheep， vegetables， fruits potatoes and medicine" and the ten green ecological industries in Gansu Province，taking Dingxi， the core production area of traditional Chinese medicine in Gansu Province， as an example，genuine Chinese medicine varieties such as Angelica sinensis， Codonopsis pilosula and Astragalus membranaceus， which had obvious competitive advantages in domestic and international markets， were selected as the research objects to analyze the impact of climate and ecological factors on the growth， development， yield and quality of characteristic Chinese medicine， and countermeasures for the rational utilization of climate and ecological resources were proposed，the disaster mechanism of meteorological disasters on characteristic Chinese medicinal herbs were studied， the threshold of meteorological disaster factors for different growth stages of Angelica sinensis， Codonopsis pilosula and Astragalus membranaceus were determined， and an ecological meteorological service index system for characteristic Chinese medicinal herbs in Dingxi were established.

Key words Artificial climate chamber;Potato;Chinese medicinal herbs;Climate factors;Sensitivity test

人工氣候室是一种人为控制气候环境因子，开展农业气象等领域科学试验的试验设备。它能够对各种气候环境因子（如温度、相对湿度、二氧化碳浓度、光照等）实现精准调控，人为营造出某种特定气候环境条件，从而开展气候环境因子对各类作物生长发育及生理生化过程的影响研究。人工气候室的优点在于它摆脱了自然气候环境的制约，提高农业气象试验的效率，是现代农业智能化控制技术发展的先进试验设备。多年来，大量专家就不同作物关于冻害方面的人工模拟试验设计开展了研究［1-8］。

2020年，兰州资源环境职业技术大学气象学院改造现有的农业气象日光温室，主体引进人工气候室（主要包含微喷加湿系统、风能光能发电系统、温度控制系统、人工补光系统、二氧化碳补充系统、空气循环流通系统、立体式栽培系统、物理杀菌系统、营养液自动调控系统、计算机远程控制系统、视频监控图像传送系统、废物再循环利用系统等）、智能服务平台和温室内环境监测系统等。人工气候室的建成是应用气象专业教学和科研条件的一次改善升级，特别是能够助推农业生态气象相关科学研究更上一个新台阶。

兰州资源环境职业技术大学应用气象技术专业是甘肃省应急管理学院的重点建设专业，也是“双高”计划应用气象技术专业群的核心专业，2020年获批省级教学团队“应用气象技术张民工作室”，农业生态气象是团队科研的主攻方向，为体现科研服务地方经济社会发展，团队结合甘肃省实际，针对甘肃特色经济作物马铃薯、中药材开展一系列农业生态气象服务研究。笔者依托新建的人工气候室，设计甘肃特色作物气候因子敏感性试验，为后期相关科学研究打下基础，同时也为陇中地区特色经济作物农业气象服务以及脱贫增收提供科技支撑。

1 特色作物敏感性试验设计思路

农业生态气象敏感性试验是在给定的气候生态环境模式中，改变其中一个或几个环境因子得到的试验结果，它反映的是改变的气候生态环境因子对作物的作用，进而能够分析影响作物生长发育及生理生化过程的气候生态因子及其反馈机制。不同作物气候环境影响机制不同，气象灾害的种类、影响程度及其致灾机理也各不相同，因此，對于特定作物要结合其生育期气候生态条件、主要气象灾害的影响等农业生产实际来选择研究内容，设计有针对性的气候环境因子敏感性试验。

1.1 特色作物的选取

定西地处黄土高原半干旱区，该地区温差大、日照长、气候干旱等特点是孕育品质较好的马铃薯和中药材的独特条件。2018年，全市马铃薯产业总产值达170亿元，大宗中药材道地品种当归和党参年产量分别占全国总产量的95%和60%。因此，定西素有“千年药乡”“中国薯都”的美誉。然而，该地区处副热带季风的边缘地带，气候生态要素年际变化大，气象灾害频发，马铃薯和中药材生长期内灾害性天气活动频繁，气象灾害造成的减产连年发生，农业气象灾害已成为影响该地区马铃薯质量品质以及中药材产业健康、稳定、可持续发展的主要影响因素，研究结果具有服务地方经济社会发展的现实意义。为此，该研究选取陇中地区特色经济作物马铃薯和中药材（主要包括定西特色药材当归、党参、黄芪）作为研究对象，开展特色作物气候环境因子敏感性试验。

1.2 试验方案设计的背景及思路

马铃薯关键生育期内冷害是主要的气象灾害，也是造成其品质下降和减产的主要因素，但致灾因子除了最低气温外，降温幅度也能反映冷害的剧烈程度，而低温持续时间可以有效反映低温的累积作用。因此，选取最低气温、降温幅度和低温持续时间这3个要素作为敏感性试验的气候因子。另外，马铃薯在不同生长阶段耐寒程度有所不同，还需要针对马铃薯的不同生育期开展耐寒程度及其生理特性试验。

中药材的产量和品质也受制于气候生态条件，其不同生长发育期及其药理成分的形成对气候生态条件都有着特殊的要求。中药材发育期日数、产量、特等或一等成品率等指标与海拔、平均气温、≥0 ℃积温、降水量、日照时数、土壤墒情等气候生态因子密切相关，霜冻、干旱、洪涝等气象灾害会对中药材的生长发育产生不利影响，导致其产量和品质下降，药品价值不高。需要从中药材提质增效和防灾增效两方面考虑设计气候因子敏感性试验［9］，试验方案既要考虑气候生态因子与中药材发育期、有效物质积累、产量、成品率的关系，也要考虑气象灾害对中药材生长发育和生理生化过程的影响及致灾机理。

2 马铃薯冷害因子及致灾阈值试验设计

以最低气温、降温幅度和低温持续时间作为马铃薯冷害敏感性气候因子，将马铃薯供试样品放入人工气候室内，在其不同生育期（播种期、出苗期、分枝期、花序形成期、开花期、成熟期）降低环境温度，设置不同范围的降温幅度及其持续时间，开展生育期低温因子敏感性观测试验。主要观测内容包括：①马铃薯各生育期低温环境下的受冻症状、耐寒程度和低温致灾的临界阈值；②低温环境下马铃薯各生育期开始和结束日期及生育期天数；③估算低温影响后的株薯块重、结薯率、鲜蔓重、薯与蔓比、实际产量等指标［10］。

在人工气候室外的农业试验大棚中随机寻找若干株马铃薯开展同期自然条件下相关指标观测，观测内容与人工气候室敏感性试验观测项目一致，将自然状态下生长观测结果与人工模拟低温条件下的试验结果进行对比分析，就能得到低温因子对马铃薯各生育期以及产量、品质等指标的影响。敏感性试验设计框架见图1。

3 中药材气候因子影响的敏感性试验设计

以当归、党参、黄芪3种甘肃优势中药材为试验对象，通过智慧温室大棚药材种植进行人工模拟气候因子对中药材不同生育期生理指标的影响试验，各品种选取若干株放入人工气候室内，用人工模拟方式改变气温、≥0 ℃积温、降水量、日照时数等气候因子，试验过程中设置较宽的气候因子阈值范围，主要开展两方面的试验研究：一是开展中药材生长发育、有效成分积累、产量和质量的主要影响气候生态因子及其生长适宜气候生态环境试验；二是开展辨识不同药材农业气象灾害的主要致灾因子和临界阈值试验。

试验过程中，针对当归（移栽返青期、叶生长期、根增长期、采挖期）、黄芪（移栽返青期、现蕾期、开花期、结果期、采挖期）、党参（移栽期、返青期、展叶期、开花期、根生长期、枯萎期）不同生育期气候环境适宜性差异和致灾因子耐受程度差异的特点，以生育期划分药材品种的研究时段，进行不同气候环境因子敏感性试验，最终得出中药材各生育阶段最适宜气候环境指标和致灾气象因子及其临界阈值。敏感性试验设计框架见图2。

4 试验预期效果

通过开展陇中地区特色经济作物人工气候室气候环境因子模拟试验研究，确定马铃薯不同生育期气象致灾因子指标，划分灾害等级，确立致灾因子临界阈值，进而开展关键生育期致灾生理机制的研究。确定影响中药材生长发育、有效成分积累、产量和质量的主要气候生态因子，气候生态因子影响中药材的关键生育阶段，中药材关键指标与主要气候生态影响因子的量化关系，不同药材气候生态适宜性的量化指标；同时，通过人工模拟试验确定不同中药材的农业气象灾害临界阈值，在试验结果分析的基础上，研究气候环境因子对马铃薯和中药材生长发育、产量品质指标的影响机制及过程特征，进而提出陇中地区特色经济作物气候生态资源合理利用的提质增效措施和农业气象灾害防御的减灾增效对策措施。

5 结论与讨论

（1）农业生产受气象环境因子的影响和制约，其中以光、热、水、气等气象要素为代表因子，要实现农业生产高产、稳产，需要借助新型技术改善环境因子。置于人工气候室内的作物栽培和种植将不再接触自然环境，并且通过调节能够达到种植作物所需的最佳环境，提高产量、品质及经济效益。

（2）关于中药材的研究，目前国内外主要关注的是药物药理、药物成分、植物学以及中药材的栽培和管理技术，而气候生态对中药材影响的研究偏少。关于中药材气候适应性的定性分析已经不能满足其生产实践需求，而气候生态因子对中药材生长发育、产量和品质的定量描述的研究很少涉及。

（3）通过人工气候室和智慧温室大棚栽培试验，能够获得马铃薯和中药材生长期关键指标资料以及有效成分积累、物候期观测等试验资料，为下一步开展相关研究积累数据。

（4）利用人工气候室设计作物气象环境因子敏感性试验时，应着重考虑如何有效利用气候生态资源促进作物提质增效，如开展马铃薯和特色中药材生长发育期、有效成分积累、产量、特等或一等成品率等关键指标对气候生态因子的敏感性试验，提出气候生态资源适宜性的对策建议。

参考文献

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［10］ 李爱博，赵雄伟，李春友，等.基于控制试验的植株数量及空气温湿度与负离子的关系［J］.应用生态学报，2019，30（7）：2211-2217.