模拟干热风环境试验装置设计及试验验证

郝晓雷,李 娜,2

(1.菏泽市气象局,菏泽 274000;2.山东省气象防灾减灾重点实验室,济南 250000)

0 引言

小麦是中国主要的粮食作物之一,在国家粮食供给中占有重要的地位,小麦产业发展直接关系到国家粮食安全和社会稳定[1-2]。干热风是危害小麦生产安全的最主要农业气象灾害之一,是指小麦在开花至成熟期间出现的高温、低湿并伴有一定风力的灾害性天气[3-5]。在全球气候变暖的大环境下,干热风灾害天气对全球变暖的响应表现得尤为敏感,呈高发加重趋势[6-10]。小麦开花至成熟期是花粉传播、子粒灌浆增重的重要阶段,干热风可使空气和土壤中的水分大量蒸发,小麦根系得不到水分供应,小麦叶片呼吸蒸腾消耗自身大量的水分,导致叶片蛋白质被破坏,细胞膜受损,叶组织内电解质大量外渗,进一步阻碍光合作用,影响叶绿素的合成,致使小麦显著减产[11-15]。

干热风灾害研究主要有模拟试验与数值模拟两种方法[16]。数值模拟方法难以在作物模型中单独提取干热风灾害对小麦产量造成影响的数据;模拟试验方法具有较强的可控性,能够剔除多因子干扰影响,是最早用于干热风灾害影响研究的方法[17-18]。但干热风是空气温度、湿度、风速及土壤湿度多种气象要素共同作用下产生的灾害,模拟还原干热风天气条件对模拟装置有很高的要求[19]。目前国内干热风模拟试验主要使用试验箱或人工气候室进行,对比分析的干扰因素较多,部分试验为便于对比使用盆栽小麦,人为因素影响较大[20-23]。文章设计制作的模拟干热风环境试验装置,可以在大田中直接模拟不同程度干热风的胁迫作用,便于与自然生长小麦对比观测,减少干扰因素影响,确保试验的准确性,研究结果以期为开展农业气象服务、适时使用减灾调控技术提供理论依据。

1 设计与方法

1.1 设计要求

为了达到研究不同程度干热风灾害影响的目的,文章设计的试验装置应能够直接对大田种植的小麦进行不同程度干热风胁迫,胁迫作用接近自然条件下的干热风天气,尽可能减少干扰因素。试验装置应能够监测记录试验小麦所处环境各气象要素的变化,装置本身需安装拆卸便捷,能够在对试验小麦进行干热风胁迫前后,使试验小麦与对比观测小麦处于同样的自然环境下,尽可能地将除干热风作用以外的其他影响因素排除,得到准确的试验数据以便进行分析。

1.2 试验地点

为了便于试验与观测的对比,得到更准确的试验数据,试验地点应选择在能够代表一般地形、地势、气候、土壤和产量水平及主要耕作制度的区域,应选在环境相对稳定且小麦种植面积较大的地块[24]。经过筛选,山东省菏泽市农业科学院试验田(35°19′N,115°29′E,海拔49.6 m)的条件符合要求,决定在此试验田开展模拟试验。

1.3 试验品种

应选择推广范围广、种植面积较大、具有较强代表性的小麦品种,初步选定为济麦22,该品种属半冬性,是高产、多抗、优质中筋小麦品种,在试验所在地区被普遍种植[25-26]。

1.4 试验方法

在试验地点小麦种植区域中间位置选定一个20 m×20 m的小麦生长较为均匀地块(图1),此地块距离田地边缘2 m以上,远离田头、道路旁和入/排水口,避免受边际及小气候影响。将选定的地块自东向西分为3块,宽分别8 m,4 m和8 m,3个地块小麦的气候条件、土壤肥力、墒情等生长环境基本保持一致。将西部地块设为试验地块,仅在进行试验时,搭建模拟试验装置,对小麦进行干热风环境模拟影响,达到预定效果后将试验装置撤除,让试验小麦回归自然环境,减少除干热风模拟之外的其他因素干扰;东部地块为对比观测地块,此地块的小麦一直处于自然生长状态,用于测量自然生长小麦数据,与西部地块进行对比分析;中间地块为隔离地块,避免对比观测地块小麦受到试验地块干热风模拟装置的影响。

1—试验地块;2—隔离地块;3—对比观测地块;4—模拟装置搭建地块。图1 选定地块区划

1.5 模拟装置

为了研究干热风各致灾因子与小麦产量间的关系,需将试验地块小麦控制在一个较为稳定,空气温度、湿度、风速可以调控的环境中,基于此,文章设计了模拟干热风环境试验装置,如图2所示。

1—温湿度控制装置外机;2—温湿度控制装置;3—温湿度控制室;4—风扇;5—试验小麦种植区;6—试验区气象要素监测点;7—通风口;8—挡风板。图2 模拟干热风环境试验装置结构设计及仪器布设

试验区域整体框架用较为坚固、耐腐蚀的不锈钢材料,为保持试验装置内的光照条件同外部基本一致,使用通光条件良好的材料将试验装置(不包括温湿度控制装置外机)及试验小麦封闭在一个相对稳定的环境中。在试验区后部近地面处留有通风口,避免因过于密闭导致气压升高影响试验结果,通风口不宜过大,避免达不到试验区域气象要素控制的要求。通风口北方设置一个宽度、高度均大于通风口的挡风板,防止气流倒灌影响试验的模拟效果。试验区域外壁构筑材料及预留通风口的大小需通过试验确定。

1.5.1 模拟试验区域整体布局

模拟试验区域长约15 m,宽6 m,整体呈南北分布(图3)。根据干热风以南风为主的特点将气象要素控制装置布设在试验区域南部;试验小麦区域为长约12 m,宽约6 m的地块;在小麦种植区域中部偏北方向设定一个试验区气象要素监测点,便于观测记录试验区域气象要素的变化,验证试验装置的模拟效果;在气象要素监测点四周划定一个长4 m、宽3 m的试验小麦采样区域,采样区域长、宽方向与小麦种植区域保持一致。

a—气象要素控制区域;b—试验小麦种植区域;c—模拟试验采样区域;d—试验区气象要素监测点。图3 试验区域整体平面布局

1.5.2 气象要素控制区域

气象要素控制区域控制试验区内的温度、湿度、风速气象条件,是试验的重要区域,能够决定试验是否成功以及试验结果的准确程度,故气象要素控制区域的布设至关重要(图4)。温湿度控制装置的温度控制范围为15～45 ℃,调节精度为1 ℃;湿度控制范围10%～70%RH,调节精度为1%RH。设计将气象要素控制区域独立出来,使用PO塑料薄膜连接风扇周围与试验区外壁,把温湿度控制装置与小麦试验区域隔开,形成温湿度控制室,仅通过风扇实现两个区域的空气交换,不排除受薄膜阻隔影响,小麦种植区域达不到设定的气象条件,具体效果会进行试验验证。

e—温湿度控制装置;f—温湿度控制装置外机;g—风扇;h—温湿度控制室;i—出风口。图4 气象要素控制区域平面布局

1.5.3 模拟试验区气象要素监测点

为精确测量和记录试验小麦区域内气象要素的变化情况,设立气象要素监测点。气象要素监测点的测量仪器采用国家气象观测站点统一使用的仪器,温度测量精度为0.1 ℃,湿度测量精度为1%RH,风速测量精度为0.1 m/s,土壤湿度测量精度为1%RH。风速传感器布设在高于地面1 m的位置,较试验品种济麦22的植株正常高度(0.75 m左右)略偏高,以减少因小麦阻挡作用对测量结果的影响;百叶箱(内设温度传感器、湿度传感器)布设在高于地面0.5 m位置,位于小麦麦穗偏下部位,避免受风扇吹出的热气流直接作用影响,以更准确地测量试验小麦植株所处环境温度、湿度变化情况。据部分研究表明,土壤的水分含量对冬小麦抵御干热风灾害能力有一定影响,20 cm土壤相对湿度的影响力最大,故将土壤水分传感器布设在地下0.2 m处,监测土壤湿度的变化情况[27-28]。

2 试验与分析

2.1 通风口大小对比试验

干热风模拟装置的外壁分别使用高透光PO塑料薄膜(双层,间隔约1 cm,下同)和钢化玻璃两种材料搭建在自然生长的乳熟期小麦田中,将温湿度控制装置温度设定为40 ℃、湿度设定为15%RH,控制时间设定为1 h,调整通风口的大小并开展模拟试验进行对比,通过气象要素监测点及动槽式水银气压表观测记录试验区内温湿度及气压变化情况。通过模拟对比试验结果得出,通风口的大小对模拟装置内部气温、相对湿度、气压均有极显著(P<0.01)影响;在满足温度与设定温度差值≤1.0 ℃,湿度与设定湿度差值≤2%RH的前提下,10 cm通风口进行模拟试验时的气压最接近外界,故通风口的大小应设置为10 cm。

2.2 外壁构筑材料对比试验

将分别使用PO塑料薄膜和钢化玻璃两种材料搭建的模拟装置的通风口设置为10 cm,将温湿度控制装置的温度设定为45 ℃,湿度设定为10%RH,监测试验区域内的温湿度变化情况,确定试验装置的构筑材料。如图5所示,通过试验结果可以看出,2种材料搭建的模拟装置均可以满足试验要求;钢化玻璃搭建的模拟装置升温效率略高于PO塑料薄膜,相对湿度控制效果两者相仿。考虑到实际干热风天气的升温效率及模拟装置搭建和拆除的便捷性,决定使用PO塑料薄膜构筑本模拟装置。

图5 两种材料搭建的控制对比试验

2.3 封闭隔断温湿度控制装置对比试验

使用PO塑料薄膜搭建的模拟装置进行试验,将风扇安装至指定位置,风扇周围与试验区外壁使用PO塑料薄膜连接,把温湿度控制装置与小麦试验区域隔开,形成温湿度控制室,仅通过风扇实现对小麦试验区域气象要素的影响和控制,将温湿度控制装置温度设定为45 ℃,相对湿度设定为10%,风扇设为最低挡位(-1挡),监测试验区域内的温湿度变化情况。如图6所示,试验结果表明风扇周围与试验区外壁使用PO塑料薄膜连接会造成温湿度的控制效率降低,达到模拟条件用时较长,但最终达到的模拟条件相同,故可以用PO塑料薄膜连接风扇周围与试验区外壁。

图6 封闭隔断温度控制装置控制对比试验

2.4 模拟试验验证

在确定通风口大小、试验装置构筑材料及构建温湿度控制室后,进行不同程度干热风条件的模拟试验。温湿度控制装置设定不同温度和相对湿度,风扇调整不同档位,控制时间均为1 h,通过气象要素监测点观测记录试验区内温湿度及风速变化情况。结合模拟试验结果可知,实际达到温度与设定温度差值均≤1.0 ℃,实际达到相对湿度与设定相对湿度差值均≤2%,温度控制最高可以达到44.3 ℃,相对湿度控制最低可以达到12%,试验装置可以达到模拟不同程度干热风条件试验的要求。

3 结束语

文章通过模拟干热风环境试验装置设计并进行试验验证,得出如下结论:

1)设计制作的干热风模拟装置通过试验验证达到了设计要求,能够对不同程度干热风条件进行模拟;能够直接对大田种植的小麦进行干热风胁迫,胁迫作用的大小能够人为控制;装置能够监测和记录试验小麦所处环境多种气象要素的变化。

2)通过试验确定通风口应为10 cm宽,这样既可以保证试验装置的模拟效果达到标准,又不会造成装置内部环境气压过高影响试验效果。

3)通过试验确定装置外壁构筑材料为PO塑料薄膜,其安装拆卸便捷,能够在试验小麦的干热风胁迫前迅速搭建完毕,胁迫结束后迅速撤除装置,使试验小麦恢复与对比观测小麦相同的自然环境下生长,减少除干热风作用以外的其他干扰因素影响,得到更为准确的试验数据。

该模拟装置缺乏控制土壤相对湿度的能力,后期可以采用搭建遮雨棚等方式降低土壤相对湿度,然后分地块进行不同程度浇灌,达到控制土壤相对湿度的效果[29]。