湖北省冬季设施火龙果最低气温变化特征及预报模型研究
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摘要：為提高湖北省冬季火龙果（Hylocereus undatus ′Foo-Lon′）设施栽培气象灾害防御，利用湖北省黄石市阳新县火龙果大棚小气候监测站数据，分析冬季火龙果大棚内外最低气温的日变化特征，基于大棚内最低气温与当天大棚外温度、前一天大棚内外温度各要素单因子相关分析，筛选出模型因子，采用逐步回归方法，构建冬季大棚最低温预报模型，并对模型进行验证。结果表明，在观测期间，大棚内最低气温高于棚外，且棚外气温越低棚内外气温差异越大，最低气温日变化白天大于夜晚，其最低值在不同天气状况下出现在7：00左右（早上），最高值出现在14：00左右（午后）;3种不同天气条件下的各模型实测值和模拟值的平均绝对误差在0.49～1.20 ℃，均方根误差在0.69～1.30 ℃，均在1.30 ℃以下，各模型拟合效果较好。
关键词：火龙果（Hylocereus undatus ′Foo-Lon′）;设施栽培;小气候;低温预报
中图分类号：S162.4 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2019）24-0084-04
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.020 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on the change characteristics and forecast model of the lowest temperature of pitaya in winter facilities in Hubei province
MENG Cui-li1， YANG Wen-gang2， ZHANG Shu-juan3， LU Peng-cheng1， WANG Han1
（1.Wuhan Agricultural Meteorology Test Station，Wuhan 430040，China;2.Huangshi Meteorological Bureau，Huangshi 435000，Hubei，China;
3.Daye Meteorological Bureau，Daye 435100，Hubei，China）
Abstract： In order to improve the meteorological disaster prevention of winter pitaya（Hylocereus undatus ′Foo-Lon′） facility cultivation in Hubei province， the daily variation characteristics of the minimum temperature inside and outside the winter pitaya greenhouse by using the data of the small weather monitoring station in Yangxin county， Huangshi city， Hubei province. The diurnal variation characteristics of the minimum temperature inside and outside the greenhouse in winter were analyzed. Based on the single factor correlation analysis of the minimum temperature inside the greenhouse with the temperature outside the greenhouse that day and the temperature inside and outside the greenhouse that day， model factors were selected， and the prediction model of the minimum temperature inside and outside the greenhouse in winter was constructed and verified by the stepped-regression method. The results showed that， during the observation period， the minimum temperature inside the greenhouse was higher than that outside the greenhouse， and the lower the temperature outside the greenhouse was， the greater the temperature difference between inside and outside the greenhouse was. The daily variation of the minimum temperature was larger than that outside the greenhouse. The lowest value appearred around 7：00（morning） in different weather conditions， while the highest value appearred around 14：00（afternoon）. The average absolute error of the measured and simulated values of the three models under different weather conditions was 0.49～1.20 ℃， and the root mean square error was 0.69～1.30 ℃， which were all below 1.30 ℃， and the fitting effect of the models was better. Key words： pitaya（Hylocereus undatus ′Foo-Lon′）; facility cultivation; microclimate; low temperature forecast
火龙果（Hylocereus undatus ′Foo-Lon′）是仙人掌科量天尺属多年生攀援性肉质植物的果实，是一种低热量、高纤维的水果[1]，具有抗衰老、减肥、美白，预防心脑血管疾病、调节机体免疫功能、调节激素水平等保健功效[2]。因其观赏性强、采摘期长、营养保健价值高而深受消费者喜爱。随着政府对农业支持力度的加大，投入的增加，传统农业正朝着现代农业转型，设施农业的栽培面积在不断扩大。正是在这种情况下，按传统农业栽培在当地不能过冬的高档、优质果蔬品种有了种植的潜力。目前，设施火龙果栽培在湖北省已有一定规模。作为热带水果，火龙果耐热不抗低温，最适宜的生长温度为25～35 ℃[3，4]，在低于8 ℃或高于40 ℃时，细胞分裂活动处于基本停滞状态，以植物特有的短暂休眠抗逆，但若长时间处于5 ℃以下，叶片会发生散发性黄色冻伤，幼芽、嫩枝，甚至部分成熟枝也可能被冻伤或冻死[5]。对于火龙果的设施栽培和灾害指标，李晶等[6]通过对大棚内小气候条件分析得到了鲁西平原地区种植设施火龙果所需气候条件;谷晓平等[7]通过各项指标与温度间的定量关系，通过试验观察确定了火龙果树的寒害温度指标。对于设施农业小气候的特征研究和相关统计模型的建立，国内学者从20世纪90年代开始涉及[8，9]。金志凤等[10-12]对大棚内气象因子的变化特征影响以及基于BP神经网络的最高、最低气温预测模型进行了研究;符国槐等[13]对塑料大棚的小气候特征及其预报模型进行了研究;李宁等[14]对冬季温室内温度变化特征进行分析，采用主成分回归分析法建模对温室内日最低气温进行预报。火龙果在湖北省最大的生长障碍是安全越冬，保温成为最关键的措施，进入11月以后，火龙果园区采用封双膜覆盖保温，本研究利用湖北省黄石市阳新县大棚小气候监测站采集的数据，分析冬季火龙果大棚内外最低气温的变化特征，建立冬季大棚最低温预报模型，为该地区设施火龙果冬季低温冷冻害气象服务提供技术支撑，为湖北省冬季火龙果安全越冬生产管理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 资料来源
试验塑料大棚位于黄石市阳新县五夫果园，大棚长30.0 m，宽8.0 m，高3.4 m。观测时间为2017年12月至2018年2月，在棚内中间位置1.5 m处布设大棚温湿度传感器（CR800型），每10 min采集1次数据。对采集的气温数据进行日值统计，剔除异常值，共计获取85 d逐日最高气温、最低气温观测数据。
大棚外气象资料采用阳新国家基本气象监测站数据，选取与大棚小气候监测站时间对应的日最高气温、最低气温值。
1.2 方法
1）天气类型划分。依据气象上划分标准，按照日照百分率S≥60%、20%≤S<60%、0≤S<20%，将天气类型划分为晴天、多云、寡照3种[15，16]，分天气类型对塑料大棚内外气温变化资料统计。
2）研究方法。对当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温分别进行单因子相关分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子;以模型备选因子作为自变量，采用逐步回归方法构建火龙果大棚冬季最低气温预报模型并对模型进行验证。
2 结果与分析
2.1 大棚内外的气温变化特征
对大棚内外的逐日最低气温进行比较，结果如图1所示。大棚内逐日最低气温始终高于棚外逐日最低温度，大棚内平均逐日最低气温为12.55 ℃，比棚外同一时期的大气平均逐日最低气温高9.91 ℃，且棚外最低气温越低时，棚内外的逐日最低气温日平均差异越大;反之棚外最低气温越高，大棚内外的逐日最低气温差异越小。在1月下旬至2月上旬大棚外逐日最低气温低至0 ℃以下，此时大棚内外的日平均逐日最低气温的差值最大，大棚内逐日最低气温比大棚外逐日最低气温平均偏高13.0 ℃，说明大棚的增温效应在外界温度越低的情况下效果越显著，且随着外界温度不断攀升，大棚内气温随之升高。不同月份大棚内外最低气温的差异也有所不同，棚内逐日最低气温12月比棚外平均偏高9.7 ℃，1月平均偏高8.5 ℃，2月平均偏高11.7 ℃。這是因为为使棚内温度始终维持在火龙果适宜生长的范围内，冬季大棚始终处于关闭状态，白天的太阳辐射使得大棚内增温，而夜晚的大气逆辐射使得大棚保温，所以棚内的温度始终高于棚外，且随着棚外大气温度的变化而变化。
分析不同天气状况下冬季大棚气温的变化特征，由表1可知，晴天时棚内日最低气温为14.93 ℃，较棚外高14.82 ℃，多云天气状况下，棚内日最低气温为14.78 ℃，比同期棚外高12.46 ℃，寡照天气条件下，棚内日最低气温为10.38 ℃，比棚外高5.98 ℃;日最高气温在晴天时棚内增幅3.60 ℃，多云天气增幅4.20 ℃，寡照天气增幅2.60 ℃;就日平均气温而言，在晴天棚内气温增幅9.97 ℃，多云天气增幅8.87 ℃，寡照天气增幅4.49 ℃，即日最低气温增幅均高于日最高气温和日平均气温增幅，大棚保温效果明显。
2.2 不同天气状况下气温日变化
选用大棚内试验监测数据，对不同天气类型进行统计分析，绘制不同天气状况下棚内最低气温日变化曲线。结果（图2）显示，不同天气条件下，夜晚至早上（7：00）最低气温一直呈下降趋势，在这一时段内最低气温表现为寡照>多云>晴天，因为寡照的夜晚大气逆辐射较强，所以寡照的夜晚气温比晴天夜晚的气温高。早晨7：00左右分别出现日最低气温，此时最低气温表现为晴天<多云<寡照，晴天最低气温最小值低至4 ℃以下。从7：00开始随着时间变化最低气温逐渐升高，这期间晴天和多云天气日最低气温变化非常明显，表现为晴天>多云>寡照，晴天和多云在午时之后气温升至35 ℃以上，晴天在14：50最低气温出现最大值，多云和寡照天气在14：40气温出现最大值，此时最低气温表现为晴天>多云>寡照，这与不同的天气状况下大棚吸收的太阳辐射有关，晴天的日照时间最长，吸收到的太阳辐射最多，增温效应也最为明显。14：00之后气温逐渐降低，且晴天的气温下降速率最快。由于太阳辐射的作用，大棚内最低气温白天的变化要大于夜晚。 2.3 冬季大棚最低气温预报模型因子筛选
在分析塑料大棚内外气温相互影响机理的基础上，考虑日常天气预报中的预报要素，将当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温分别进行单因子相关分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子。筛选的原则包括选取通过显著性检验因子，所选的因子组合必须消除共线性影响。
结果（表2）表明，晴天时当天棚外平均气温、最高气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，由于平均气温、最高气温、最低气温三者之间具有高度相关关系，为了消除模型组合因子共线性，选取相关系数最大的当天棚外最低气温作为模型备选因子;前一天棚外平均气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，但前一天棚外平均气温与最低气温存在共线性，选取相关系数最大的前一天棚外最低气温作为模型备选因子;前一天棚内最高气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，前一天棚内最高气温与当天棚内最低气温呈负相关，前一天棚内最低气温与当天棚内最低气温呈正相关，考虑晴天棚内最高气温与最低气温自身存在显著负相关，选择相关系数较大的前一天棚内最低气温作为模型备选因子。因此晴天状况下选取当天棚外最低气温、前一天棚外最低气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。
多云天气状况下，当天棚外平均气温、最低气温与棚内最低气温通过了信度为0.05水平的显著性检验，呈正相关，为了消除共线性影响，选取当天棚外平均气温作为模型备选因子;前一天棚内最低气温与当天棚内最低气温通过了信度为0.05水平的显著性检验，呈正相关，选取为模型备选因子。因此，多云天气状况下选取当天棚外平均气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。
寡照天气状况时，当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，为了消除因子共线性影响，选取相关系数较大的当天棚外最低气温、前一天棚外平均气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。
2.4 冬季大棚最低气温预报模型构建
2.4.1 模型构建 以模型备选因子作为自变量，采用逐步回归方法进行建模，分别建立3种天气状况下日最低气温多元回归模型。由表3可知，模型均通过0.01水平的显著性检验。
2.4.2 模型检验 利用棚内日最低气温预报模型，对模型进行回代检验，结果（图3）表明，模拟值与实测值平均绝对误差晴天时为0.49 ℃，均方根误差为0.69 ℃。多云与寡照模拟值与实测值平均绝对误差为1.10～1.20 ℃，均方根误差为1.30 ℃。预报模型具有良好的拟合效果。
3 小结
1）大棚内最低气温始终高于棚外。观测期间，大棚内日平均最低气温较大棚外高2.60～20.90 ℃。棚外最低气温越低，棚内外的最低气温差异越大;大棚外最低气温越高，棚内外最低气温差异越小。棚外气温越低大棚的增温效果越显著，棚外气温升高棚内气温也随之逐渐升高。
2）不同天气状况下，大棚内最低气温的增幅均高于最高气温和日平均气温，晴天时日平均最低气温变化幅度最大，多云天气的变化小于晴天，寡照天气的日平均最低气温变化幅度较小。大棚内最低气温的日变化白天大于晚上，最低气温最高值均出现在14：00—15：00（午后），最低气温最低值均出现在7：00左右（早上）。
3）根据大棚内外气温的变化特征，以及对冬季大棚不同天气条件下气温的特征分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子作为预测模型的因子。晴天选取当天棚外最低气温、前一天棚外最低气温和前一天棚内最低气温;多云天气选取当天棚外平均气温和前一天棚内最低气温;寡照天气选取当天棚外最低气温、前一天棚外平均气温和前一天棚内最低气温。
4）采用逐步回归方法建立3种天气状况下日最低气温多元回归模型，均通过0.01水平的显著性检验。对模型进行回代检验，不同天气条件下的实测值和模拟值误差均在1.30 ℃以下，说明该模型与实际情况拟合效果较好。
参考文献：
[1] 黄 胜.新植物细胞分裂素混剂对火龙果果实经济性状的影响初探[J].农业工程技术（温室园艺），2006（7）：36-37.
[2] 马媛媛，党 璇，杨 柳，等.火龙果药学研究概况[J].安徽农业科学，2011，39（35）：21629-21630.
[3] 江志鹏.火龙果栽培技术[J].柑桔与亚热带果树信息，1999（2）：9.
[4] 郑德剑.对防城区火龙果产业发展的思考[J].广西园艺，2007， 18（1）：13-14.
[5] 何秀恋，沈耀文，童怀忠.诏安县火龙果低温寒害气候分析及防御建议[J].福建热作科技，2015，40（3）：48-50.
[6] 李 晶，赵春芳.鲁西平原设施火龙果种植的气候适应性分析[J].农业灾害研究，2019，9（3）：42-44.
[7] 谷晓平，袁小康，胡家敏.火龙果幼苗和成龄树寒害指标初探[J].中国农业气象，2014，35（2）：214-220.
[8] 张艳红，张立文，汤金树.大棚内外气象要素差异分析[J].现代农业科技，2008（14）：82-83.
[9] 司慧萍，苗香雯，崔绍荣.温室动态温度预测模型及试验研究[J].农机化研究，2003，10（4）：182-184.
[10] 金志凤，封秀燕，陈士平.大棚气温变化特征及其对杨梅生育期的影响[J].浙江农业科学，2004（2）：57-59.
[11] 金志凤，景元书，李永秀，等.连栋塑料大棚内温湿度及番茄叶片净光合速率的垂直和水平分布特征[J].农业工程学报，2006， 22（14）：275-278.
[12] 金志凤，符国槐，黄海静，等.基于BP神经网络的杨梅大棚内气温预测模型研究[J].中国农业气象，2011，32（3）：362-367.
[13] 符国槐，张 波，杨再强，等.塑料大棚小气候特征及预报模型的研究[J].中国农学通报，2011，27（13）：242-248.
[14] 李 宁，申双和，黎贞发，等.基于主成分回归的日光温室内低温预测模型[J].中国农业气象，2013，34（3）：306-311.
[15] 张晓月，李荣平，王 莹，等.日光温室小气候要素预报模型研究[J].中国农学通报，2018，34（32）：113-118.
[16] 袁 靜，李树军，崔建云，等.山东寿光冬季日光温室内温度变化特征及低温预报[J].中国农学通报，2012，28（3）：300-304.
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