基于氣流擾動(dòng)的茶園晚霜凍害防除機(jī)理及控制技術(shù).pdf

1、目前我國茶葉種植面積與產(chǎn)量已穩(wěn)居世界第一位，但是長江以南茶葉主產(chǎn)區(qū)連年遭受嚴(yán)重的倒春寒晚霜凍害，經(jīng)濟(jì)損失慘重，成為制約茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的主要瓶頸之一。國內(nèi)尚無機(jī)械化、自動(dòng)化的茶園防霜技術(shù)與裝備，傳統(tǒng)的覆蓋、灌水或煙熏等措施，不僅防霜效果差，還會(huì)污染環(huán)境。因此，開展茶園晚霜凍害防除機(jī)理及其自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究，開發(fā)適合我國國情的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的茶園防霜機(jī)械，不僅可以提升茶園防霜技術(shù)水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害調(diào)

2、控技術(shù)發(fā)展，具有重要的理論價(jià)值和重大的實(shí)踐意義。本論文在“茶園風(fēng)扇防霜關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究”等課題資助下，進(jìn)行了從茶園晚霜凍害發(fā)生發(fā)展、近地小氣候逆溫特征、氣流擾動(dòng)防霜作用機(jī)理等基礎(chǔ)研究，到氣流擾動(dòng)防霜控制策略，以及高架風(fēng)機(jī)防霜裝備及自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)的集成研究。主要研究工作與結(jié)果如下：
　　 (1)茶樹晚霜發(fā)生預(yù)測及其凍害程度識(shí)別研究
　　 在宏觀時(shí)間尺度上，依據(jù)1979-2010年的歷史氣象資料，運(yùn)用季節(jié)災(zāi)變灰理論，以

3、危害最嚴(yán)重的早春初/末霜為對象，建立其預(yù)測模型。通過氣象數(shù)據(jù)分析得到近32年來，晚霜發(fā)生的概率約96.67％，發(fā)生日期不穩(wěn)定，且跨度很大。根據(jù)建立的灰色預(yù)測模型，預(yù)測了鎮(zhèn)江地區(qū)今后若干年中指定日期上初霜發(fā)生和末霜發(fā)生的最近兩個(gè)年份。在短時(shí)間尺度上，依據(jù)實(shí)時(shí)氣象信息，以相對日落時(shí)間的氣溫和霜夜最低溫為邊界，建立潛在霜夜的最低溫預(yù)測模型和氣溫經(jīng)時(shí)變化模型。經(jīng)驗(yàn)證，潛在霜夜最低溫隨著初始溫度線性變化，初始時(shí)間選擇在日落后1 h，模型方程的相關(guān)

4、系數(shù)為0.86；霜夜的氣溫隨時(shí)間變化的預(yù)測模型，符合下降型自然對數(shù)函數(shù)形式。以上模型為防霜控制提供預(yù)報(bào)和決策支持。
　　 對不同低溫凍害處理的茶樹葉片，獲取其表面漫反射光譜信息，通過歸一化+MAF+二階微分的預(yù)處理方法后，采用PLS+ANN方法建立的預(yù)測模型最佳，其主成份數(shù)為11，回判均方根誤差為0.1512，預(yù)測值與真實(shí)值之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9950，平均相對誤差最小為5.0725％。基于此模型，可快速準(zhǔn)確識(shí)別正常葉片和最輕

5、級(jí)別凍害葉片，為確定葉片發(fā)生凍害的臨界低溫，提供一種新的檢測方法，從而為氣流擾動(dòng)防霜控制提供參數(shù)依據(jù)。
　　 (2)基于氣流擾動(dòng)的茶園晚霜凍害防除機(jī)理研究
　　 基于茶園定點(diǎn)試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)，分析了茶園小氣候環(huán)境及逆溫氣象特征，研究晚霜條件下茶園近地空氣層溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從而揭示氣流擾動(dòng)防霜在不同階段的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明，茶園氣流擾動(dòng)防霜須涵蓋逆溫防霜和反逆溫防霜兩個(gè)階段。在初春晴朗無風(fēng)或少風(fēng)的夜晚極易發(fā)生晚霜，此時(shí)

6、氣溫發(fā)生分層的逆溫變化，典型的逆溫溫度場分布梯度按方根函數(shù)變化，垂直地面上空9 m高處比茶樹冠層位置溫度高出約6～8℃。茶園中低洼處溫度最低，霜凍害嚴(yán)重；單株茶樹冠層氣溫的空間分布不均，西北側(cè)冠層上方的溫度最低。因此，利用風(fēng)機(jī)等機(jī)械裝備擾動(dòng)茶園近地逆溫層，將上方較暖空氣強(qiáng)制對流吹向下方低溫的茶樹冠層，可提高其溫度，從而防止或減輕茶樹霜凍害。此為逆溫階段氣流擾動(dòng)防霜的機(jī)理。進(jìn)一步的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，日出前后逆溫層逐漸消失(反逆溫)，近地上方氣

7、溫開始略低于茶樹冠層處，此時(shí)如果繼續(xù)擾動(dòng)氣流，以緩解冠層葉片溫度的快速上升，從而保護(hù)葉片組織免受應(yīng)激損傷。這是本論文在國內(nèi)外首次明確提出的反逆溫階段氣流擾動(dòng)防霜的機(jī)理。綜合以上兩階段不同的防霜過程于一體，形成完備的氣流擾動(dòng)防霜機(jī)理，達(dá)到功效最大化。
　　 對氣流擾動(dòng)防霜作用過程的計(jì)算流體力學(xué)模擬結(jié)果表明：高架風(fēng)機(jī)的作用范圍為梨狀對稱分布，設(shè)定條件下，核心區(qū)域溫升可達(dá)4℃以上，可有效防霜。
　　 (3)氣流擾動(dòng)防霜系統(tǒng)控制

8、技術(shù)研究
　　 控制技術(shù)是氣流擾動(dòng)防霜的核心和關(guān)鍵。在分析國外現(xiàn)有防霜控制技術(shù)存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合茶樹的耐凍性和氣象逆溫的特點(diǎn)，首次提出基于臨界低溫的逆溫差控制策略，使系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。在逆溫成霜階段，以茶樹開始發(fā)生凍害的臨界低溫為充分條件，以逆溫強(qiáng)度為必要條件，控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉。從而避免了傳統(tǒng)控制策略可能導(dǎo)致的誤操作或反作用。在反逆溫融霜階段，以氣溫和時(shí)段為限制條件，控制系統(tǒng)停機(jī)延后運(yùn)行，緩解霜凍融解過程，避免霜凍害進(jìn)一步加

9、劇。研制了自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件，并進(jìn)行了測試。此外，基于AT89C52單片機(jī)和TC35i無線通訊模塊，開發(fā)了茶園氣象信息采集與無線發(fā)送裝置，編制應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和短信操作等主要功能。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)可靠的天氣信息實(shí)時(shí)采集和無線傳送，為茶園小氣候的監(jiān)測和晚霜凍害預(yù)警及控制，提供了信息支持。
　　 (4)茶園氣流擾動(dòng)防霜試驗(yàn)研究與性能評價(jià)
　　 基于前幾章所研究的氣流擾動(dòng)防霜機(jī)理與技術(shù)，自主設(shè)計(jì)和研制

10、了茶園高架防霜風(fēng)機(jī)。該裝備采用簡單結(jié)構(gòu)、使用維護(hù)方便、無污染，特別適于丘陵山區(qū)茶果園使用。通過實(shí)驗(yàn)室和田間性能測試分析，對其控制的防霜效果進(jìn)行研究，并與進(jìn)口日本的防霜裝備進(jìn)行了比較?；诟倪M(jìn)層次分析法的模糊綜合評價(jià)結(jié)果表明，所開發(fā)的WT3000型高架風(fēng)機(jī)防霜系統(tǒng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其額定功率3 kw，有效防霜面積約1000 m2。在輻射晚霜條件下，可提高茶樹冠層溫度約2.86℃；在有重霜凍的年份可提高茶葉產(chǎn)量約47.7％。其控制系統(tǒng)運(yùn)行