華南、華東沿海地區(qū)基于半封閉玻璃溫室番茄生產(chǎn)要求的氣候特征分析

王安全，郝德旺，謝行耀，蔡萬聆鶴，王欣，伍尤國，劉雯，趙廣爽，潘增光，陳江明，李琪，王喆（珠海華宜生態(tài)科技有限公司，廣東珠海 519000）

番茄作為全球重要的蔬菜作物之一，全球年總產(chǎn)量達1.7 億t，在蔬菜作物中位居首位，2018 年中國番茄栽培面積為110.9 萬hm2，產(chǎn)量達6483.2 萬t，其中設(shè)施番茄面積為64.2 萬hm2[1]，但目前中國規(guī)?；Ａ厥曳言耘嗝娣e仍較小。

除常見的日光溫室和薄膜溫室外，近年來國內(nèi)多個企事業(yè)單位從荷蘭等國家引進了多座大型連棟玻璃溫室。目前國內(nèi)引進的大型連棟玻璃溫室主要有兩種類型，一種是頂部開窗率較高的傳統(tǒng)玻璃溫室，第二種是頂部開窗率較低并配備有強制通風(fēng)系統(tǒng)的半封閉玻璃溫室[2-7]。半封閉玻璃溫室配備的強制通風(fēng)系統(tǒng)可以使溫室內(nèi)形成微正壓環(huán)境，而其頂部開窗的主要功能是釋壓，強制通風(fēng)系統(tǒng)也進一步提高了半封閉玻璃溫室的環(huán)境可控性。

半封閉玻璃溫室可以實現(xiàn)對光照、溫度、濕度、灌溉、CO2、空氣循環(huán)等環(huán)境因素進行精準控制，適宜用于番茄等多種蔬菜的生產(chǎn)。番茄白天的適宜溫度為20～30℃、濕度70%～80%，夜間溫度15～20℃、濕度75%～85%[8-9]，日累積光量DLI（Daily Light Integral)宜為15～53 mol/m2[10]，且在一天內(nèi)不同時刻需要采用不同的環(huán)境條件。為了降低生產(chǎn)所需的能源成本，溫室內(nèi)溫、濕度的調(diào)控應(yīng)最大程度利用外界環(huán)境的空氣，因此需要對一天內(nèi)不同時刻的環(huán)境條件進行精準分析。中國幅員遼闊，不同地理位置的氣候差異較大，大型連棟溫室夏季降溫一直是困擾設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題之一。近幾年中國多家企業(yè)在華南、華東部分城市（如廣東省珠海市、上海市）和內(nèi)陸城市（如甘肅省張掖市）也建造了半封閉玻璃溫室用以進行番茄等蔬菜作物的生產(chǎn)。本文以珠海、上海為例分析了華南、華東沿海城市基于半封閉玻璃溫室番茄生產(chǎn)的氣候特征，重點分析了一天中不同時刻的環(huán)境條件變化，并以內(nèi)陸城市張掖作為對照進行了對比分析。

材料與方法

數(shù)據(jù)來源

廣東省珠海市（緯度22.18°，經(jīng)度113.41°）、上海市（緯度31.59°，經(jīng)度121.83°）、甘肅省張掖市（緯度38.78°，經(jīng)度100.68°）2017 年1月1 日～2021 年12 月31 日五年間每小時的氣象數(shù)據(jù)取自NASA 數(shù)據(jù)集，所調(diào)取的12 個數(shù)據(jù)參數(shù)如下。

輻照累計：在地球表面水平面上入射的總太陽短波輻照累計量，J/cm2；輻照強度：在地球表面水平面上入射的總太陽短波輻照強度，W/m2；PAR：光合有效輻照，在地球表面水平面上入射的光合有效輻照強度，W/m2；UVA：長波紫外線，在地球表面水平面上入射的長波紫外線輻照強度，W/m2；UVB：中波紫外線，在地球表面水平面上入射的中波紫外線輻照強度，W/m2；遠紅外線：在地球表面水平面上入射的遠紅外線（長波）輻照強度，W/m2；溫度：地球表面以上2 m 處的平均空氣（干球）溫度，℃；相對濕度：地球表面以上2 m 處水蒸氣的實際分壓與飽和分壓的比值，%；絕對濕度：地球表面以上2 米處水蒸氣質(zhì)量與空氣總質(zhì)量之比，g/kg；降雨量：地球表面總降水量的偏差校正平均值（包括雪中的水含量），mm；風(fēng)速：地球表面以上2 m 處的平均風(fēng)速，m/s；云量：一定時間段內(nèi)云量的平均百分比，%。

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)清理、分析和可視化使用Microsoft Excel、R 語言中的Tidyverse（Versions/1.3.1）和Ggplot2（Versions/3.3.5）工具包實現(xiàn)。

結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)特征描述

以珠海市、上海市分別作為華南、華東的代表城市，并與內(nèi)陸城市張掖市的氣象數(shù)據(jù)進行了對比分析。圖1 展示了2017 年1 月1 日～2021 年12 月31 日珠海、上海和張掖5 年期間43824 小時的氣象數(shù)據(jù)特征，氣象數(shù)據(jù)包括輻照累計、輻照強度、PAR、UVA、UVB、遠紅外線、溫度、相對濕度、絕對濕度、降雨量、風(fēng)速和云量等12 個參數(shù)。其中，圖1 中展示的輻照累計、輻照強度、PAR、UVA、UVB 等參數(shù)為剔除夜間零值后的數(shù)據(jù)分布。

圖1 珠海、上海和張掖2017～2021 年每小時氣象數(shù)據(jù)分布圖

全年月度輻照與溫度關(guān)系

輻照和溫度是影響溫室番茄生產(chǎn)的最重要的氣候條件，經(jīng)過計算，2017～2021 年珠海、上海和張掖日平均溫度分別為23.87 ℃、17.28 ℃和8.42 ℃；日平均輻照累計分別為1496.25、1371.35 和1668.63 J/cm2。圖2 以每月的日平均溫度為橫坐標、日平均輻照累計為縱坐標展示了珠海、上海和張掖的主要氣候差異。由圖2可以看出，與張掖相比，上海和珠海1～12 月的日平均輻照累計和日平均溫度波動較小，其中珠海的波動相對最小且高溫月份最多。

圖2 珠海、上海和張掖2017～2021 年分月分日平均溫度和輻照累計

全年月度分時輻照強度和輻照累計

通過對逐月一天不同時刻下的輻照累計和輻照強度求取平均值，對比了珠海、上海和張掖三個城市2017～2021 年1～12 月份的日平均輻照累計和日平均輻照強度。由圖3 可知，11 月、12 月和1 月珠海的日平均輻照累計最大，而3月、4 月、5 月、8 月珠海的日平均輻照累計最??；2～9 月張掖的日平均輻照累計最大；1 月、2 月、6 月、7 月、9～12 月等月份上海的日平均輻照累計最小。

圖3 珠海、上海、張掖2017～2021 年分月分時輻照累計和輻照強度

在溫室番茄生產(chǎn)過程中，為獲得最優(yōu)的產(chǎn)量和品質(zhì)，若日輻照累計不足（以1000 J/cm2/天為例）則應(yīng)進行人工補光，而當輻照強度過高時（以700 W/m2為例）應(yīng)啟用幕布進行遮光以防灼傷。珠海、上海和張掖2021 年全年365 天的日輻照累計如圖4 所示，圖中藍色部分為日輻照累計低于1000 J/cm2/ 天需要補光的日期，珠海、上海和張掖2021 年全年低于1000 J/cm2/天的天數(shù)分別為59 天（16.2%）、112 天（30.7%）和50 天（13.7%）；珠海、上海和張掖2021年全年8760 h 的輻照強度如圖5 所示，圖中黑色部分為輻照強度高于700 W/m2需要遮光的時刻，珠海、上海和張掖2021 年輻照強度高于700 W/m2的時數(shù)分別為568 h（6.5%）、403 h（4.6%）和650 h（7.4%）。珠海、上海、張掖三個城市PAR 強度占輻照強度的比例分別約為46.6%、44.8% 和42.4%；UVA 強度占輻照強度的比例分別約為6.1%、5.7% 和5.7%；UVB 強度占輻照強度的比例分別約為0.17%、0.13% 和0.13%。

圖4 珠海、上海和張掖2021 年全年每日輻照累計

圖5 珠海、上海和張掖2021 年全年每日輻照強度

全年月度分時溫度

玻璃溫室番茄生產(chǎn)過程中通常會對一天中不同時刻的溫度執(zhí)行不同的調(diào)控策略，當溫室溫度高于降溫線時啟動降溫，當溫室溫度低于加溫線時啟動加溫。圖6 中珠海、上海和張掖的溫度為2017～2021 年每月一天不同時刻下的平均值，珠海在4～10 月份等7 個月的降溫需求明顯而全年的加溫需求較??；上海在6～9 月份等4 個月的降溫需求較高同時在冬季也有一定的加溫需求；張掖全年的降溫需求較小但加溫需求較高。

圖6 珠海、上海和張掖2017～2021 年分月分時平均溫度

對珠海和上海而言，降溫難是困擾玻璃溫室番茄生產(chǎn)的主要問題，日間降溫需求和夜間降溫需求在一年中的不同時間也是不同的。圖7和圖8 為珠海、上海、張掖三個城市的2021 年的溫度熱圖，圖7 中以夜間降溫線最大值20℃作為顏色分界，紅色部分為溫度高于20℃的時刻；圖8 中以日間降溫線最大值27℃作為顏色分界，紅色部分為溫度高于27℃的時刻；圖9以加溫線最小值14℃作為顏色分界，藍色部分為溫度低于14℃。由圖7～9 可以看出，珠海在2021 年3 月中下旬、4～10 月份和11 月上旬的夜間降溫需求明顯，5 月中下旬、6～9 月份和10月上旬的日間降溫需求明顯，而全年的加溫需求較??；上海在5 月中下旬、6～9 月和10 月上旬的夜間降溫需求明顯，7～8 月和9 月上旬的日間降溫需求明顯，冬季的加溫需求明顯；張掖全年的夜間基本不需要降溫，6～8 月有一定的日間降溫需求，該降溫需求易通過濕簾和風(fēng)機系統(tǒng)實現(xiàn)，無需使用機械降溫，冬季的加溫需求高。

圖7 珠海、上海和張掖2021年全年不同時刻溫度（20℃顏色分界）

圖8 珠海、上海和張掖2021年全年不同時刻溫度（27℃顏色分界）

圖9 珠海、上海和張掖2021年全年不同時刻溫度（14℃顏色分界）

全年月度分時濕度

玻璃溫室番茄生產(chǎn)過程中對濕度的調(diào)控與溫度的調(diào)控策略類似，當濕度高于降濕線時啟動除濕，當濕度低于加濕線時啟動加濕。溫室中可通過濕簾和風(fēng)機、迷霧等方式進行加濕，采用通風(fēng)、機械致冷除濕、化學(xué)除濕等方式進行除濕。濕簾和風(fēng)機的使用除了加濕外，在生產(chǎn)實踐中更重要的則是其降溫功能，其優(yōu)點是降溫所需的能耗低，但要求外界空氣的濕度較小才能有較好的降溫效果。圖10 中珠海、上海和張掖的濕度為2017～2021 年每月一天不同時刻下的平均值，由圖可以看出，珠海和上海全年各個月份的相對濕度均較高，而張掖全年的相對濕度均較低。圖11 和圖12 分別為珠海、上海和張掖2021 年全年不同時刻的相對濕度和絕對濕度的分布熱圖，珠海和上海雖然相對濕度差異不明顯，但珠海的絕對濕度較高的時間明顯長于上海，而張掖的相對濕度和絕對濕度值均較低。珠海、上海和張掖2017～2021 年日平均絕對濕度分別為15.80、11.13 和3.82 g/kg。

圖10 珠海、上海和張掖2017～2021 年分月分時平均濕度

圖11 珠海、上海和張掖2021 年不同時刻相對濕度

圖12 珠海、上海和張掖2021 年不同時刻絕對濕度

降雨、風(fēng)速和云量

玻璃溫室番茄生產(chǎn)過程中?；厥諟厥椅菝嬗晁靡怨喔?，節(jié)約水資源；風(fēng)速和開窗角度則可以影響傳統(tǒng)玻璃溫室內(nèi)的通風(fēng)效果和空氣交換，從而影響溫濕度的控制，而風(fēng)速對開窗比例小且具有強制通風(fēng)功能的半封閉玻璃溫室的影響則較??；云量的多少也會影響作物接受到的輻照的多少。2017～2021 年，珠海、上海和張掖平均全年的降雨量分別約為2229.7、1496.1 和193.1 mm；全年的平均風(fēng)速分別約為3.5、4.7 和2.3 m/s；全年的云量分別平均約為70.1%、64.5%和56.8%。

討論與結(jié)論

玻璃溫室番茄生產(chǎn)中需要精準的調(diào)控溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2和灌溉等，這些溫室生產(chǎn)策略與外界環(huán)境的溫度、濕度和光照息息相關(guān)。中國幅員遼闊、氣候多變，應(yīng)針對不同的地理位置和氣候特征對玻璃溫室的設(shè)施設(shè)備進行適配，并采用精準的生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控策略和適宜的茬口安排，才能最大程度的節(jié)約投資成本、運營成本并實現(xiàn)產(chǎn)量、品質(zhì)的最優(yōu)。在珠海和上海地區(qū)若想實現(xiàn)玻璃溫室番茄的全年生產(chǎn)需在溫室內(nèi)配備機械降溫、除濕設(shè)備，而在張掖地區(qū)夏季采用濕簾和風(fēng)機的降溫方式即可以達到較好的降溫效果。張掖和上海地區(qū)的溫室需配備具有較高加熱能力的溫室以應(yīng)對冬季的低溫，而珠海地區(qū)的溫室可根據(jù)溫室的保溫性能配備低容量的加熱系統(tǒng)，另外還應(yīng)考慮降溫除濕后空氣復(fù)加熱所需的加熱能力。珠海、上海和張掖地區(qū)的溫室均應(yīng)配備幕布系統(tǒng)，并根據(jù)氣候特征選用具有適宜遮光、保溫率的產(chǎn)品。張掖地區(qū)光照條件較好可不使用補光系統(tǒng)，珠海、上海地區(qū)可根據(jù)茬口安排、生產(chǎn)策略合理選用補光系統(tǒng)，并應(yīng)考慮補光系統(tǒng)對溫室內(nèi)溫度的影響。需要注意的是，文中分析的氣象數(shù)據(jù)為2017～2021 年共計5 年的平均數(shù)據(jù)或2021 年單一年份的數(shù)據(jù)，在進行溫室設(shè)備配置和制定生產(chǎn)策略時還應(yīng)考慮氣候的波動。