武漢氣候特征及大棚蔬菜栽培制度探討

楊文剛劉可群孟翠麗童紅梅

（1黃石市氣象局，湖北黃石 435002；2武漢農(nóng)業(yè)氣象試驗站，湖北武漢 430040；3武漢區(qū)域氣候中心，湖北武漢 430074）

蔬菜在我國農(nóng)業(yè)種植面積中僅次于糧食作物，是最具發(fā)展活力和發(fā)展空間的經(jīng)濟作物，在我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展中具有不可替代的地位和優(yōu)勢。在蔬菜生產(chǎn)中設施蔬菜占有相當重要的位置，目前中國所有省（區(qū)、市）都有設施園藝生產(chǎn)，不同地區(qū)設施形態(tài)也各具特點。北方主要發(fā)展高效節(jié)能日光溫室（Jiang，2014），南方則以塑料大棚及簡易設施栽培為主。我國設施園藝發(fā)展迅猛，2013年設施蔬菜播種面積368萬hm2，總產(chǎn)量2.51億t，產(chǎn)值7 800億元，占種植業(yè)總產(chǎn)值的25%。設施蔬菜種植面積從2013年的368萬hm2發(fā)展到2016年的391.5萬hm2，預計2020年能擴展到410.5萬hm2，面積不斷增大（許斌星 等，2017）。

2014年武漢市東西湖區(qū)蔬菜播種面積累計1.83萬hm2（27.4萬畝），其中設施蔬菜面積0.9萬hm2（13.5萬畝），約占種植總面積的50%（武漢市統(tǒng)計局，2012）；種植制度上設施園藝大多數(shù)以冬春季生產(chǎn)為主，且茄果類、瓜類喜溫性蔬菜居多。與露地種植相比，設施園藝通過對環(huán)境溫度調(diào)控可以提前1～2個月上市，并通過延長開花結(jié)果期提高單產(chǎn)，從而大幅提升效益。但也存在著投資較大、氣象災害風險高、氣候資源利用率低、效益不穩(wěn)等問題，與一些西方國家相比存在很大差距（申茂向等，2000），一定程度上阻礙了設施生產(chǎn)的發(fā)展。國外學者就溫室內(nèi)環(huán)境及其調(diào)控等方面開展了相關研究（Bailey et al.，2003；Katsoulas et al.，2009），國內(nèi)學者也從不同角度為設施蔬菜生產(chǎn)提出了許多建議與思考（龔月，2010；向佳玲和胡華平，2010；董鵬 等，2014；何建軍 等，2015）。本文擬通過對武漢氣候資源特征進行分析，尤其是早春與晚秋的氣候特點，以及冬季大棚小氣候溫度進行分析，為武漢大棚設施蔬菜種植合理利用氣候資源、調(diào)整種植制度提出建議。

1 資料來源與方法

2014～2015年在武漢市東西湖區(qū)慈惠農(nóng)場（114°08′ E、30°37′ N，海拔高度 23.1 m）進行大棚氣象要素的觀測，試驗用大棚為拱圓形鋼架塑料大棚，棚長30 m，寬6 m，頂高2.5 m，棚膜（無滴膜）厚0.08 mm。在大棚內(nèi)建有拱棚，拱棚膜（普通農(nóng)膜）厚0.06 mm，寬2.5 m，頂高1.2 m。氣象觀測儀器為江蘇省無線電科學研究所有限公司生產(chǎn)的ZQZ-Ⅱ型自動溫度觀測儀。觀測氣象要素為大棚內(nèi)距地面高1.5 m處氣溫（稱為大棚溫度，下同），大棚中套拱棚即雙層膜內(nèi)距地面高0.4 m處溫度（稱為雙層膜溫度，下同），雙層膜在每日9：00～16：00采取揭膜通風除濕措施，雙層膜內(nèi)種植辣椒，辣椒生育期為苗期到定植期。資料記錄為逐小時正點自動觀測，與常規(guī)大氣觀測站的自動氣象站觀測時間對應。常規(guī)大氣溫度觀測資料來源于棚外距地面1.5 m處百葉箱內(nèi)氣溫，其地理位置在大棚10 m范圍內(nèi)。

選取1951～2016年武漢國家地面氣象觀測站的逐日日平均氣溫、日照時數(shù)觀測數(shù)據(jù)，開展武漢地區(qū)氣候特征分析。氣象上一般采用云量來劃分天空狀況，在觀測上只能記載觀測時刻的天空狀況，對于需要太陽輻射來增溫的大棚而言意義不大，尤其是夜間。這里采用日照百分率來劃分晴天、曇天（多云）、陰天3類（劉可群 等，2007），即日照百分率S＞60%為晴天，20%＜S≤60%為曇天，S≤20%為陰天，其中S=0則為全天陰天（簡稱全陰天，下同）。冬季是指上年12月至當年2月。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢大棚冬季小氣候特征

1月是武漢全年氣溫最低的月份，自然條件下除耐寒性蔬菜（如菠菜）外，其他蔬菜越冬處于緩慢或停止生長期。武漢1月多年平均溫度為3.5 ℃，圖1是2014、2015年武漢1月晴天、陰天條件下大棚內(nèi)外溫度逐時平均變化的比較。大棚升溫的能量來源于太陽輻射，從圖1可以看出，大棚增溫主要在白天，夜間無論是晴天還是陰天棚內(nèi)外溫度差異很?。浑p層膜增溫效果更好，夜間增溫明顯高于單層大棚；晴天條件下白天增溫效果明顯高于陰天。進一步統(tǒng)計分析表明（表1）：晴天條件下大棚內(nèi)日平均氣溫較棚外高5.3 ℃，陰天條件下高2.9℃；而白晝平均溫度（即日出后至日落前各正點溫度平均值）在晴天和陰天條件下大棚內(nèi)較棚外分別高11.4、4.9 ℃；大棚內(nèi)外平均氣溫日較差晴天為18.2 ℃，陰天為5.3 ℃，二者相差3倍以上。這不僅有利于蔬菜白天的光合作用，更有利于光合作用有機物的積累。研究表明，大棚白晝溫度與太陽高度角有關（劉可群 等，2008），即與白晝長短有關，1月白晝時間接近全年最短，2月及其后隨著白晝延長，提供大棚升溫的太陽輻射能量增多，大棚內(nèi)溫度環(huán)境條件更好。

圖1 2014、2015年武漢1月晴天、陰天條件下大棚內(nèi)外溫度日變化比較

表1 2014、2015年武漢1月大棚內(nèi)外溫度的比較 ℃

2.2 武漢氣候特點

武漢地區(qū)氣溫最低的時段為12月下旬至翌年1月下旬，氣溫最高的時段是7月下旬至8月下旬。圖2是1951～2015年逐年日均溫＜5 ℃天數(shù)的變化情況，圖中某年的天數(shù)是指當年秋天至翌年春天低溫出現(xiàn)的天數(shù)。＜5 ℃天數(shù)出現(xiàn)最多的為1967年秋至1968年春，高達80 d；最少的為1998年秋至1999年春，只有16 d；40 d以下的年份有14 a，占21.5%，近80%的年份日均溫＜5 ℃的天數(shù)在40 d以上；日均溫＜5 ℃的天數(shù)在60 d以上的有13 a，占20%。武漢地區(qū)日最低溫度低于2 ℃的天數(shù)平均為7.5 d，1968年最多，為29 d；日均溫＜2℃的天數(shù)在5 d以下（含5 d）的年份有7 a，占11%；10 d以下（含10 d）的為17 a，占26%。對于溫度在2 ℃以下停止生長，5 ℃以上才能正常生長的半耐寒性蔬菜（如蘿卜、萵苣等）而言（邱正明和肖長惜，2008；楊文剛 等，2010；中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，2010；劉可群 等，2011），武漢日平均氣溫在5 ℃以下的天數(shù)平均為50 d，但年際之間差異很大。說明半耐寒性蔬菜在武漢自然條件下大多數(shù)年份處于半休眠半生長的狀態(tài)。

圖2 1951～2015年武漢低溫日數(shù)的年際變化情況

圖3是武漢冬季出現(xiàn)不同天氣類型的日數(shù)變化情況，可以看出多數(shù)年份冬季以陰天最多，1951～2015年平均陰天為41.2 d，晴天為35.6 d，即冬季90 d時間的46%是陰天，40%是晴天。冬季陰天數(shù)40 d以上的年份有32 a，約占總數(shù)的50%；晴天數(shù)在40 d以上的只有16 a，不到總數(shù)的25%。尤其是1990年以來，陰天出現(xiàn)的時間在增加，為43.8 d，而晴天天數(shù)在減少，為32.8 d。陰天多不利于大棚內(nèi)增溫。而前文所述，1月薄膜大棚在晴天條件下能使小氣候環(huán)境溫度日均溫提高5 ℃以上，白晝平均溫度提高11.4 ℃；陰天則分別提高2.9℃和4.9 ℃（表1），能滿足半耐寒性蔬菜正常生長的溫度環(huán)境條件。綜上所述，武漢冬季大棚適宜種植半耐寒性蔬菜。

圖3 1951～2015年武漢冬季晴天、曇天、陰天天數(shù)的年際變化情況

日平均溫度10 ℃是喜溫性蔬菜正常生長的下限溫度（鄭大瑋 等，2005；邱正明和肖長惜，2008），也是入春或入冬的指標溫度。武漢3月大氣日均溫在10 ℃時，大棚溫度能確保在12 ℃以上。圖4、5是武漢1951年以來入春、入冬時間的分布情況，顯示最早入春的年份是1997年，為2月20日；最晚為1969年，為4月6日；70%以上的年份是在3月16日以后入春，且1/3以上的年份入春時間在3月26日以后，顯示冷空氣對武漢的影響直到3月下旬后仍然相當活躍。武漢入冬時間最早的是1967年，為11月3日；最晚的是2004年，為12月16日；與入春時間相比，入冬時間比較集中，3/4以上的年份入冬時間在11月16日以后，其中有2/3的時間是在11月16～30日這段時間內(nèi)。從圖4還可以看出，入春時間提早的趨勢比較明顯，入冬時間則有推遲的趨勢。從表2可以看出，武漢11月平均氣溫比3月高1.0 ℃。

圖4 1951～2016年武漢穩(wěn)定通過（終止）10 ℃的變化情況

圖5 1951～2016年武漢穩(wěn)定通過（終止）10 ℃的時間頻率

進一步對武漢1951～2016年3月和11月的天氣情況進行比較，3月的晴天天數(shù)為9.7 d，占31%；陰天天數(shù)為15.0 d，其中全陰天為11.6 d；11月晴天天數(shù)為14.4 d，占48%，陰天天數(shù)為10.5 d，其中全陰天為6.0 d。圖6是武漢3月和11月全陰天天數(shù)出現(xiàn)概率分布情況，11月全陰天在2 d及以下的年份為2 a，6 d及以下的年份為19 a，占總數(shù)的29%；10 d以上的年份有18 a，占總數(shù)的27%，其中14 d以上的年份為8 a，占總數(shù)的12%。顯示該地區(qū)秋高氣爽，陰雨天少，晴好天氣多。而3月則不然，全陰天最少的年份也有5 d，出現(xiàn)6 d及以下的年份只有2 a，占總數(shù)的3%；10 d及以上的年份有45 a，占總數(shù)的68%，其中15 d及以上的年份有14 a，占總數(shù)的21%，即5 a中就有1 a出現(xiàn)一半以上的時間為全陰天，近70%的年份1/3時間是全陰天。由此可見，春季3月溫度較11月低，尤其是3月下旬較11月上旬溫度低更多，且陰雨天多、晴天少，不利于蔬菜大棚溫度提升。

表2 武漢3月和11月平均氣溫比較 ℃

圖6 武漢3月和11月全陰天天數(shù)的分布情況

夏季高溫是影響武漢蔬菜生產(chǎn)的不利氣象因素。武漢日平均溫度≥30 ℃或日最高溫度≥35 ℃的高溫天數(shù)年平均出現(xiàn)27.7 d。但高溫日數(shù)年際之間差異大，最少年有12 d，如1980、2014年；最多年為48 d，如1978年。高溫天氣出現(xiàn)最早的時間為5月初，6月中下旬后出現(xiàn)的頻次明顯增加。最晚出現(xiàn)的時間為9月下旬，但主要時段是7月至8月中旬，78%的高溫天數(shù)出現(xiàn)在這一時期，其中高溫日最集中的時段為7月下旬至8月上旬，占全年總高溫日數(shù)的40%。7月1日之前及8月20日之后高溫日分別占總高溫日數(shù)的10.8%、10.7%。因此7月中旬開始武漢進入蔬菜生產(chǎn)淡季。

3 結(jié)論與討論

3.1 武漢冬季大棚應以半耐寒蔬菜種植為主

從上述分析可以看出，雖然武漢冬季日平均溫度低于5 ℃的天數(shù)長達50 d，但冬季最冷月1月的平均溫度為3.5 ℃，相對于耐寒性蔬菜正常生長所需的溫度條件偏低。但在大棚設施環(huán)境條件下，冬季白晝溫度在晴天、陰天分別提高11.4、4.9 ℃，能確保冬季90%以上的時間白晝溫度在5 ℃以上；晴天情況下白天溫度可以提升到15 ℃以上，即達到半耐寒蔬菜生長的適宜溫度。低溫冰凍是該區(qū)域半耐寒蔬菜的主要氣象災害，據(jù)研究，日最低氣溫在-5.0～-4.0 ℃持續(xù)2 d，大棚有5%以上的萵苣遭受凍害；當日最低氣溫在-5.0～-4.0 ℃持續(xù)3 d或-7.0～-6.0 ℃持續(xù)2 d，大棚有10%以上的萵苣受災（劉可群 等，2011）。地溫對蔬菜的地上部及根系生長也有很大影響，研究表明，冬季長江中下游地區(qū)即便遇最低氣溫為-4 ℃的天氣時，蔬菜設施中10、20 cm的最低地溫仍在8 ℃以上，并隨著氣溫的升高而升高，設施中的地溫能基本滿足本地蔬菜品種生長的要求（劉可群 等，2008；楊文剛等，2010）。

對武漢氣象觀測資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，武漢50%年份不會出現(xiàn)連續(xù)2 d日最低氣溫低于-5.0 ℃的冷空氣過程；25%的年份有2次或2次以上連續(xù)2 d日最低氣溫低于-5.0 ℃的冷空氣過程。據(jù)調(diào)查，大棚蔬菜遭受凍害均發(fā)生在大棚邊緣兩側(cè)，在大棚沒有倒塌的情況下，大棚中間極少遭受凍害（劉可群等，2011），因此大棚蔬菜采用覆蓋遮陽網(wǎng)、草簾、無紡布等均可不同程度地提高棚內(nèi)溫度，也可利用電熱絲、秸稈生物反應堆等措施來增溫，利用燈源進行人工補光，通過人工干預改善設施內(nèi)氣候環(huán)境，創(chuàng)造適合蔬菜生長的小氣候條件，達到減輕或完全避免凍害損失的效果（鄭大瑋 等，2005）。武漢氣候資源有利于冬季大棚半耐寒蔬菜種植，即使遇到氣象災害也能有效防范。

3.2 減少春季大棚喜溫蔬菜栽培，增加秋延喜溫蔬菜的種植面積

武漢春季大棚喜溫蔬菜一般在2月底至3月初定植，3月上中旬為開花期，上市初始期約為4月1～15日，較露天自然條件下蔬菜上市時間提早45 d左右。武漢早春冷暖空氣活動頻繁，日照不足，晴天少、陰雨天氣多，50%年份穩(wěn)定通過10 ℃的時間在3月下旬及以后，大棚內(nèi)溫度難以升高，難以滿足喜溫蔬菜正常生長的溫度條件。2月底至3月初低溫冷害，空氣相對濕度大，常伴隨病害蔓延，剛定植的瓜果類蔬菜容易生長遲緩，長勢差，抗病能力減弱，嚴重時發(fā)生大量僵苗死苗現(xiàn)象（湖北省農(nóng)業(yè)廳，2009）。3月中下旬之后冷害會造成茄果類蔬菜落花落果，導致減產(chǎn)及推遲上市，經(jīng)濟效益下降。而秋延喜溫蔬菜7月中下旬播種（姚明華等，2014），8月底至9月初定植，上市初始期為9月底至10月初。11月武漢秋高氣爽，陰雨天少，日照相對豐富，為大棚內(nèi)升溫提供了較好的能量，也為喜溫蔬菜提供了光合作用所需要的光照條件，可延長喜溫瓜果類蔬菜的開花結(jié)果期（聶啟軍 等，2015），為喜溫蔬菜果實生長及高產(chǎn)創(chuàng)造良好的小氣候環(huán)境條件。