凤阳蓝莓霜冻关键期小气候特征及地温预测

袁学所 王刚 武金祥 郭阳

摘要 以安徽凤阳健民蓝莓园为例，分析了蓝莓园霜冻关键期小气候特征，并建立了地温预测模型。结果表明，蓝莓园自然植被对气温有一定的调节作用，可增加空气湿度，对地温升高有延缓效应；蓝莓园CO2浓度日变化幅度总体不大，风速较小时浓度较高，风速较大时更接近自由大气；蓝莓园晴天光照强度的最大值是阴天最大值的2～3倍，晴天总辐射的最大值是阴天总辐射最大值的3～4倍，晴天光合有效輻射单峰型特征明显。3、4月逐步回归地温预测模型的复相关系数分别为0.974和0.991，其标准估算误差分别为0.363和0.214 ℃，均通过信度为0.001的显著性检验。其中，3、4月地温预测模型的模拟误差绝对值≤0.2 ℃的样本占比分别为13/27和10/11。

关键词 蓝莓；霜冻；农田小气候；地温预测；逐步回归

中图分类号 S425； S663.9   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）11-0127-05

为做好“一县一品”特色农业气象服务，凤阳县气象局开展了蓝莓生产气象因子分析。根据凤阳蓝莓气象灾害风险评估结果，花期霜冻（倒春寒）灾害指数最高，属重度风险[1]。春季3—4月是蓝莓发生霜冻的关键时期，霜冻的发生既有冷空气影响的天气背景，也受农田小气候的直接影响。关于农田小气候分析与预测的研究，多集中于设施农业[2-7]和水产气象[8-12]方面，如方莎莎等[2]研究了阳光玫瑰葡萄设施促早栽培小气候特征及预报模型，葛黎黎等[3]研究了葡萄大棚小气候预测模型，袁静等[4-5]开展了大樱桃大棚小气候特征分析及预报及山东寿光冬季日光温室内温度变化特征及低温预报，李倩等[6]开展了南方塑料大棚冬春季温湿度的神经网络模拟，杨青青等[8]研究了稻虾共作模式虾沟水温预报模型，张月霞等[9]研究了抚仙湖表层水温与气温关系等。目前，针对蓝莓园自然植被下的农田小气候的分析研究尚少。为此，本文基于安徽省滁州市凤阳县蓝莓园小气候观测资料和同期凤阳国家基本气象站常规观测资料，对凤阳蓝莓霜冻关键期农田小气候特征做取样分析，并运用逐步回归方法建立了3、4月地温预测模型，为做好蓝莓霜冻针对性气象服务、评估蓝莓园春季土壤回暖状况提供科学依据。

1 资料与方法

农田小气候资料取自安徽凤阳健民蓝莓园物联网气象站，常规气象资料取自凤阳国家基本气象站（以下简称“凤阳站”），两者相距20 km。被分析的气象要素包括蓝莓园气温T（℃）、相对湿度U（%）、地温ST（℃）、二氧化碳浓度C（mg/m3）、光照强度L（lux）、总辐射TR（W/m2）、光合有效辐射PAR（W/m2），其中ST为蓝莓园30 cm深度地温，凤阳站无30 cm地温资料，用20、40 cm地温的平均值代替。蓝莓园用于辅助分析的气象要素为风速V（m/s）。凤阳站资料用于T、U、ST的对比分析。气象观测以北京时间20时为日界，选取2022年4月3日（4月2日21时至4月3日20时）作为晴天样本，2022年4月13日（4月12日21时至4月13日20时）作为阴天样本，分析气象要素的日变化特征。

选取2022年3—4月蓝莓园实际观测到经质控有效的地温资料及相关气温资料，通过逐步回归方法分别建立蓝莓园3、4月14时地温（ST14）预测模型。其中3月份样本容量27个、4月份样本容量11个。参考杨青青等[8]的近似研究，备选因子选择蓝莓园前一日14时地温（ST14-1）、前一日8时气温（T8-1）、前一日14时气温（T14-1）、前一日20时气温（T20-1）。

2 小气候特征

2.1 气温

蓝莓园与凤阳站的气温日变化见表1，其变化趋势如图1所示。结果表明，蓝莓园晴天气温日变幅较大，阴天气温日变幅较小；蓝莓园晴天最低气温出现在日出前，阴天最低气温出现时间稍推迟；蓝莓园晴天、阴天最高气温均出现在午后，阴天气温变化较平缓。与凤阳站对比，气温日变化走势两者总体一致。晴天白天时段蓝莓园气温稍高，夜间部分时段蓝莓园气温稍低。阴天情况相反，但二者的差异均较小。这说明蓝莓园植被对气温有一定的调节作用，但气温同时与观测点地理位置、温度传感器所在高度、下垫面状况等有关。如蓝莓园内空气流动更为复杂，蓝莓植株的摩擦作用可使近地面风力减弱，风力的改变影响下垫面与空气的热量交换。蓝莓园晴天24 h平均风速1.1 m/s，阴天24 h平均风速3.2 m/s；同期凤阳站平均风速分别为1.9、4.5 m/s。

2.2 相对湿度

蓝莓园与凤阳站的相对湿度日变化及趋势如图2、表2所示。结果表明，蓝莓园晴天相对湿度日变幅较大，阴天相对湿度日变幅较小；晴天最高相对湿度出现在日出前，阴天最高相对湿度出现时间稍推迟；晴天、阴天最低相对湿度均出现在下午，阴天相对湿度变化较平缓，最低值出现时间趋向傍晚。与凤阳站对比，相对湿度日变化走势两者总体一致。无论晴天、阴天，蓝莓园相对湿度大部分高于凤阳站，说明农田蒸散可增加空气湿度。

2.3 地温

蓝莓园与凤阳站的地温日变化趋势如图3所示。结果表明，无论是晴天还是阴天，地温的日变化均不明显。地温的高低与所在季节和日期有关，是过去一段时间热量累积的结果。春季随着气温回升，地温缓慢回升。与凤阳站对比，蓝莓园的地温大部分时次比无遮蔽环境下的裸地地温低，且随着时间推移表现更加明显。其原因主要有以下2点：一是蓝莓园植被影响土壤表面接收太阳辐射；二是随着时间的延后，植被遮挡太阳辐射的累积效应更为明显，减缓了地温的上升。

2.4 CO2浓度

蓝莓园CO2浓度及同期风速日变化如图4所示。总体上看，蓝莓园CO2浓度的日变幅不是太大。在风力较小的晴天，CO2浓度整体高于风力较大的阴天。晴天风力较小时，蓝莓园CO2浓度受农田植被影响较大，在整体偏高的情况下偶有较大波动。风力较大的阴天，蓝莓园CO2浓度受农田植被影响减小，波动也减弱，更接近于自由大气。

2.5 光照强度

蓝莓园光照强度日变化趋势如图5所示。光照强度与云量、云层厚度、云底高度、大气透明度有密切关系。从图5可以看出，晴天、阴天光照强度曲线基本都是单峰型，与太阳高度呈正相关，波动主要由云况不同所致。晴天光照强度的最大值是阴天最大值的2～3倍。

2.6 总辐射与光合有效辐射

蓝莓园总辐射与光合有效辐射日變化如图6所示。总辐射的变化趋势与光照强度类似。晴天总辐射的最大值是阴天总辐射最大值的3～4倍。光合有效辐射是总辐射的一部分，晴天单峰型特征较明显，阴天光照较弱，易受其他因素干扰造成数据波动。

3 地温预测

经逐步回归分析，分别建立了蓝莓园3、4月地温预测模型，如式（1）和式（2）：

PST14=0.912+0.793ST14-1+0.143T20-1 （1）

PST14=1.189+0.802ST14-1+0.085T14-1 （2）

式中各符号的含义如前所述，其中PST14为ST14的预测值。式（1）、式（2）的复相关系数分别为0.974和0.991，其标准估算误差分别为0.363和0.214 ℃，均通过信度为0.001的显著性检验。

式（1）表明，3月蓝莓园14时地温与前一日14时地温、前一日20时气温显著相关，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.793 ℃，T20-1每升高1 ℃，PST14升高0.143 ℃。式（2）表明，4月蓝莓园14时地温与前一日14时地温、前一日14时气温显著相关，ST14-1每升高1 ℃，PST14升高0.802 ℃，T14-1每升高1 ℃，PST14升高0.085 ℃。

3、4月地温预测模型的拟合情况分别如表3、表4所示。3月地温预测模型的模拟误差绝对值≤0.7 ℃，其中模拟误差绝对值≤0.4 ℃的样本占比为23/27，模拟误差绝对值≤0.2 ℃的样本占比为13/27。4月地温预测模型的模拟误差绝对值≤0.5 ℃，其中模拟误差绝对值≤0.4 ℃的样本占比与模拟误差绝对值≤0.2 ℃的样本占比均为10/11。

4 结论与讨论

蓝莓园自然植被对气温有一定的调节作用，这可能与蓝莓园内特定的空气流动影响热量交换及仪器安装位置等有关。与对照气象站相比，气温日变化走势两者总体一致。晴天白天时段蓝莓园气温稍高，夜间部分时段蓝莓园气温稍低。阴天情况相反，但二者的差异各时次均较小。蓝莓园自然植被可增加空气湿度。无论晴天、阴天蓝莓园相对湿度大部分时次均高于对照气象站，这可能与农田蒸散向空气中补充水汽相关。蓝莓园自然植被对地温升高有延缓效应。与对照气象站相比，蓝莓园地温大部分时次比无遮蔽环境下的裸地地温低，且随着时间推移表现更为明显，这可能与蓝莓园植被影响土壤接收太阳辐射有关。蓝莓园CO2浓度日变化幅度总体不大，风速较小时CO2浓度较高，风速较大时CO2浓度更接近自由大气。蓝莓园晴天光照强度的最大值是阴天最大值的2～3倍，晴天总辐射的最大值是阴天最大值的3～4倍，晴天光合有效辐射单峰型特征较明显。蓝莓园霜冻关键期3、4月14时地温与前一日14时地温、前一日20时或前一日14时气温显著相关，其逐步回归预测模型的复相关系数分别为0.974和0.991，标准估算误差分别为0.363和0.214 ℃，均通过信度0.001显著性检验。其中，3、4月地温预测模型的模拟误差绝对值≤0.2 ℃的样本占比分别为13/27和10/11。

上述结论由样本数据分析所得，是否具有普遍意义有待进一步验证。同时30 cm深处的地温反映了浅层土壤的热量状况，是蓝莓根系生长的热量因子之一，蓝莓园霜冻情况取决于冷空气过境后环境气温和蓝莓园植株冠层的温度。

参考文献

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[6] 李倩，申双和，曹雯，等.南方塑料大棚冬春季温湿度的神经网络模拟[J].中国农业气象，2012，33（2）：190-196.

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（责编：何 艳）