基于能耗與作物生產(chǎn)潛力的中國溫室氣候區(qū)劃.pdf

1、中國設(shè)施作物栽培面積目前已超過300萬hm2，成為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)第一大國。氣候條件特別是光熱資源，不僅影響溫室作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)，還直接影響溫室作物生產(chǎn)的能耗，進而影響溫室作物生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。溫室生產(chǎn)是一種抗逆性強的耗能型產(chǎn)業(yè)，受不同氣候條件的影響較大，因此溫室生產(chǎn)具有很強的區(qū)域性。如何充分利用當(dāng)?shù)毓鉄豳Y源，合理布局不同類型溫室并從能耗角度優(yōu)化溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計與環(huán)境調(diào)控，是中國設(shè)施農(nóng)業(yè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　 國內(nèi)已

2、有的溫室氣候區(qū)劃研究沒有綜合考慮溫室生產(chǎn)的能耗利用率或溫室生產(chǎn)的投入與產(chǎn)出問題；所采用的氣候資料代表性站點不夠多，大多數(shù)側(cè)重于溫室的區(qū)域性的靜態(tài)區(qū)劃，不能針對歷史氣候資料的時空變化，利用新近的或更長年代和更多站點的氣候資料，及時動態(tài)更新溫室氣候區(qū)劃結(jié)果；在溫室能耗估算方面，國內(nèi)已有研究一方面沒有考慮溫室夏季的強制通風(fēng)降溫能耗，另一方面沒有考慮溫室結(jié)構(gòu)和覆蓋材料、以及環(huán)境控制目標(biāo)和作物狀況對能耗的影響。本研究針對中國溫室氣候區(qū)劃和溫室能耗

3、估算中存在的問題，根據(jù)溫室作物生長發(fā)育對光溫條件的要求，確定不同能耗期的劃分指標(biāo)，系統(tǒng)分析中國主要溫室作物不同能耗期的持續(xù)天數(shù)及相應(yīng)的光熱資源分布情況；結(jié)合溫室小氣候模型、溫室能耗預(yù)測模型和作物生長模擬模型，全面分析了中國溫室基礎(chǔ)能耗、主要溫室作物潛在產(chǎn)量及能耗利用率分布情況；在此基礎(chǔ)上，研究基于能耗與作物潛在產(chǎn)量的溫室氣候區(qū)劃方法，對中國溫室氣候進行區(qū)劃；并集成中國溫室氣候區(qū)劃及能耗與作物潛在產(chǎn)量估算系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室氣候區(qū)劃的自動、動態(tài)

4、和實時制作。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.基于能耗的溫室作物生產(chǎn)的光熱資源分析。從溫室周年生產(chǎn)所需能耗的角度出發(fā)，根據(jù)溫室作物生長發(fā)育對光溫條件的要求，分別以平均氣溫穩(wěn)定通過低于溫室作物生長發(fā)育的最低溫度、平均氣溫穩(wěn)定通過22℃為依據(jù)，確定各地一年中適宜進行溫室作物生產(chǎn)的時期(無能耗期)、需要進行加熱的時期(加熱能耗期)、需要進行通風(fēng)降溫的時期(降溫能耗期)，計算分析3個時期的持續(xù)天數(shù)及相應(yīng)時段的有效積溫、負積溫和太陽輻射的分布

5、情況。中國溫室需要進行加熱采暖日數(shù)的高值區(qū)主要位于西藏和青海、內(nèi)蒙古和黑龍江省大部分地區(qū)，這些區(qū)域加溫能耗高。而溫室降溫期的高值區(qū)主要位于海南省，高達200d以上，不利于溫室生產(chǎn)。一年中溫室作物適宜生產(chǎn)的日數(shù)高值區(qū)主要集中在云南省，騰沖地區(qū)高達277d。
　　 2.溫室作物周年生產(chǎn)能耗及潛在產(chǎn)量分析。以Venlo型連棟溫室和溫室主栽作物黃瓜和番茄為研究對象，利用溫室能耗預(yù)測模型和作物生長模型，模擬預(yù)測在商業(yè)化生產(chǎn)中常用的兩種不同

6、的溫室溫度(白天和夜間溫度控制目標(biāo)分別為控制策略一：24℃與19℃，控制策略二：20℃與15℃)和CO2體積分?jǐn)?shù)(增施：1000μL/L，自然通風(fēng)不增施：350μL/L)控制策略下，連棟溫室黃瓜、番茄周年生產(chǎn)所需的能耗和潛在產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上，計算每單位黃瓜、番茄產(chǎn)量所需要的能耗，并利用GIS技術(shù)及反距離權(quán)重插值方法獲得空間上連續(xù)分布的柵格數(shù)據(jù)，得到中國連棟溫室黃瓜和番茄周年生產(chǎn)單位產(chǎn)量能耗分布圖。中國溫室周年生產(chǎn)黃瓜、番茄單位產(chǎn)量能耗總

7、體趨勢是從低緯度地區(qū)向高緯高海拔的寒冷地區(qū)增加。兩種溫度控制策略下各地的黃瓜、番茄單位產(chǎn)量能耗差異在8％以內(nèi)，但增施CO2可以降低各地的黃瓜、番茄單位產(chǎn)量能耗達29％-67％，低緯度地區(qū)降低幅度大于高緯高海拔區(qū)。中國溫室能耗主要受室外氣候和溫室溫度控制目標(biāo)影響；在兩種溫室溫度控制策略下，黃瓜、番茄潛在產(chǎn)量主要受室外光照條件和室內(nèi)CO2濃度影響。增施CO2能夠大幅提高溫室作物產(chǎn)量，是增加溫室作物產(chǎn)量和提高能耗利用率的有效手段。
　　

8、 3.基于能耗與作物潛在產(chǎn)量的中國溫室氣候區(qū)劃。在分析基于能耗的中國溫室生產(chǎn)氣候資源及能耗利用率分布情況的基礎(chǔ)上，確定溫室作物適宜生長期、采暖期、通風(fēng)降溫期的持續(xù)天數(shù)以及相應(yīng)時段的輻射和有效積溫等10個要素為指標(biāo)，通過模糊C-均值聚類對基于能耗的溫室氣候進行一級區(qū)域劃分，以表征該區(qū)域特點的主要因子為指標(biāo)，分別將每個一級區(qū)分為3個二級區(qū)(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級區(qū))。中國溫室氣候適宜區(qū)主要分布在北京-山西-陜西-四川-云南以及此線以東以南地區(qū)；

9、次適宜區(qū)主要分布在西北和遼寧大部分地區(qū)，不適宜區(qū)則位于中國東北的黑龍江和吉林、內(nèi)蒙古東北部、新疆北部、以及青藏高原海拔4500米以上地區(qū)。適宜區(qū)的特點是基于能耗的溫室氣候條件最優(yōu)越，一年中適宜溫室作物生產(chǎn)時期長，溫室生產(chǎn)能耗相對較低，僅為不適宜區(qū)的45％左右，以云南為代表的適宜Ⅰ級區(qū)溫室作物適宜生長期最長，溫室作物單位產(chǎn)量所需能耗低，生產(chǎn)效率高，從能耗角度看，發(fā)展溫室成本相對較低，優(yōu)勢明顯。不適宜區(qū)冬季溫室生產(chǎn)需要加熱采暖的天數(shù)相對較多

10、，加溫能耗大約為適宜區(qū)的3倍，單位產(chǎn)量所需能耗是適宜區(qū)的220％左右，以黑龍江為代表的不適宜Ⅲ級區(qū)，冬季需要加溫采暖天數(shù)最多，溫室作物單位產(chǎn)量所需能耗最高，生產(chǎn)效率低，不適宜發(fā)展溫室。該研究結(jié)果較好地反映了中國溫室生產(chǎn)基礎(chǔ)能耗、主要作物潛在產(chǎn)量及相關(guān)氣候條件的地域差異，為中國溫室生產(chǎn)合理布局提供科學(xué)依據(jù)。
　　 4.溫室氣候區(qū)劃及能耗與作物潛在產(chǎn)量估算系統(tǒng)集成。將溫室氣候區(qū)劃與溫室作物周年生產(chǎn)能耗預(yù)測模型和作物生長模型相結(jié)合，建

11、立了溫室氣候區(qū)劃及能耗與作物潛在產(chǎn)量估算系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將各地區(qū)的室外氣象資料、溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫室環(huán)境控制設(shè)置點以及作物基本信息作為輸入，實現(xiàn)作物發(fā)育期預(yù)測、潛在干物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量預(yù)測、溫室小氣候預(yù)測、溫室運行能耗預(yù)測、溫室氣候區(qū)劃及查詢、系統(tǒng)維護和幫助等功能。實現(xiàn)溫室氣候區(qū)劃及能耗與作物潛在產(chǎn)量估算的自動、滾動、實時制作。同時，利用GIS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，相比前人的研究，精度明顯提高。
　　 本研究開展基于能耗與作物潛在產(chǎn)量的