薛曉萍，李 楠，楊再強

(1.山東省氣候中心，山東濟南250031;2.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京210044)

黃瓜為喜溫作物，是我國北方地區(qū)冬季日光溫室主栽作物之一，由于日光溫室結(jié)構(gòu)較為簡陋，且以非加溫為主，其內(nèi)部溫度的高低主要依賴于外界天氣條件，在冬季生產(chǎn)過程中，常因強降溫天氣導(dǎo)致溫室內(nèi)出現(xiàn)低溫逆境，從而使黃瓜生長遭受低溫脅迫，生理活動失調(diào)，產(chǎn)量、品質(zhì)下降。目前，低溫冷害已成為我國北方地區(qū)冬季溫室黃瓜生產(chǎn)主要氣象災(zāi)害之一。關(guān)于低溫對黃瓜光合作用、生長發(fā)育、產(chǎn)量形成等生理生態(tài)指標的影響，前人已進行了大量研究，早期的研究主要集中于短期極端低溫及中高光強下低溫對黃瓜生長的影響［1－5］。近年來，針對低溫弱光對黃瓜影響研究表明［6－8］，持續(xù)低溫弱光環(huán)境條件下，植株CO2同化能力降低，凈光合速率下降，從而影響其生長發(fā)育與產(chǎn)量。上述研究為構(gòu)建和完善低溫影響的評價指標體系奠定了基礎(chǔ)。關(guān)于低溫冷害對作物的影響，國內(nèi)、外學(xué)者比較關(guān)注的是影響機理，而對低溫災(zāi)害風(fēng)險評估、區(qū)劃等方面的研究成果甚少［5－10］。近年來，國內(nèi)學(xué)者將自然災(zāi)害風(fēng)險理論應(yīng)用于氣象災(zāi)害風(fēng)險評估［11－17］，綜合考慮了氣象災(zāi)害致災(zāi)強度、承災(zāi)環(huán)境、抗災(zāi)能力、災(zāi)損風(fēng)險等因素，使氣象災(zāi)害風(fēng)險性的定量評估更科學(xué)。而針對低溫災(zāi)害對農(nóng)業(yè)影響風(fēng)險評估，多以低溫災(zāi)害發(fā)生頻率和災(zāi)害損失等為主主要研究內(nèi)容，且主要是針對大田作物［18－21］，迄今為止，日光溫室低溫冷害風(fēng)險評估與區(qū)劃技術(shù)研究尚未見報道，本文擬基于人工氣候箱和大田試驗，構(gòu)建溫室黃瓜不同低溫冷害等級下外界氣溫等級指標，以山東為例，對其低溫冷害風(fēng)險進行評估，探討日光溫室生產(chǎn)災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)，以期為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供科技支撐，同時為日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 人工氣候箱試驗

試驗于2011年1－6月于人工氣候箱(TPG1260，Australian)中進行，人工氣候箱容積1 260 L，光照控制范圍0 ～1 000 μmol·m－2·s－1，溫度控制范圍5～45℃，濕度控制范圍 30%～90%RH。低溫試驗設(shè)計5、7、9、11℃四個水平，處理1～5 d，恢復(fù)1～5 d。低溫試驗期間，相對濕度控制為75%，光合有效輻射控制為800 μmolom－2·s－1，以 25 ℃處理為對照，供試黃瓜品種為津優(yōu)35號。

在試驗過程中，采用LI－6400便攜式光合測定儀獲取黃瓜光合、葉綠素熒光等參數(shù)，每個處理重復(fù)3次。

1.1.2 大田試驗

大田觀測試驗于2009年12月至2012年5月在天津(寶坻、小王莊)、山東(萊蕪、淄博、東營、昌樂)進行，試驗溫室坐北朝南，東西長60～80 m、南北跨度9～12 m、脊高3～4 m，東、西、北三面墻是厚度為1 m實土墻，前屋面覆蓋聚乙烯無滴膜，溫室內(nèi)種植作物為黃瓜。

溫室小氣候觀測要素包括室內(nèi)氣溫、濕度、輻射和地溫(0、5、10、20、40 cm)，觀測儀器為ZQZ-A自動氣象站，數(shù)據(jù)采集頻次為1次/h。溫室外氣象資料來源于當?shù)貧庀缶帧?/p>

1.2 低溫冷害等級指標確定

1.2.1 溫室內(nèi)黃瓜低溫冷害指標的確定方法

采用葉綠素熒光動力學(xué)技術(shù)對黃瓜低溫冷害等級溫度指標進行確定［22－24］，黃瓜光合作用受低溫影響的脅迫指數(shù)(LTI)表達式為:

式中:Pgmax和P′gmax分別表示最適溫度及低溫狀態(tài)下的最大光合速率，F(xiàn)v/Fm和(Fv/Fm)′分別表示最適溫度及低溫狀態(tài)下的PSII潛在光化學(xué)效率。

以最適宜溫度條件下LTI值為基礎(chǔ)，根據(jù)光合作用系統(tǒng)活性受低溫影響的程度，將LTI值劃分為不同等級范圍，從而確定對應(yīng)的低溫冷害等級溫度指標值。

1.2.2 溫室外低溫冷害氣溫指標的確定

根據(jù)溫室內(nèi)黃瓜低溫冷害等級指標，分別挑選溫室內(nèi)不同等級最低溫度對應(yīng)的溫室外最低氣溫數(shù)據(jù)，按照80% 的保證率的對應(yīng)關(guān)系選取，取其平均值作為溫室外低溫冷害等級指標值。

1.3 風(fēng)險評估方法

根據(jù)1.2節(jié)中確定的低溫冷害等級指標，統(tǒng)計山東省各氣象站常年冬季日光溫室不同等級低溫冷害出現(xiàn)日數(shù)，基于GIS，采用反距離加權(quán)方法對各冷害等級出現(xiàn)日數(shù)進行90 m×90 m網(wǎng)格點插值，通過計算綜合風(fēng)險指數(shù)(P)對全省低溫冷害風(fēng)險進行評估與區(qū)劃。綜合風(fēng)險指數(shù)計算方法為:

式中:a，b，c，d分別為四個低溫冷害等級的影響權(quán)重值;X1，X2，X3，X4分別為無災(zāi)、輕災(zāi)、中災(zāi)及重災(zāi)四個等級柵格數(shù)據(jù)標準化后的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)黃瓜低溫冷害等級指標

將試驗所得不同低溫處理條件下黃瓜光合速率、熒光參數(shù)等觀測數(shù)據(jù)帶入式(1)，可得到其對應(yīng)條件下的LTI值(表1)。

表1 黃瓜低溫脅迫指標計算值

對于黃瓜，在最適宜溫度條件下，F(xiàn)v/Fm最高，光合作用速率達到最大，此時公式(1)中的LTI值為10，當黃瓜受到低溫脅迫時，F(xiàn)v/Fm顯著下降，在0℃以上和最適溫度下限之間，氣溫越低及持續(xù)時間越長，葉片光合作用速率(Pgmax)及PSII潛在光化學(xué)效率(Fv/Fm)越低。本研究中，當5℃持續(xù)24 h或者7℃持續(xù)48 h，黃瓜葉片光合作用速率下降到1.56 mol·s－1·m－2，PSII潛在光化學(xué)效率下降0.29時，此時光系統(tǒng)活性受損;當?shù)蜏孛{迫繼續(xù)加劇，葉片光合作用速率低于0時，PSII潛在光化學(xué)效率(Fv/Fm)低于0.2，此時葉片光系統(tǒng)活性受損嚴重，造成不可恢復(fù)的傷害;植株發(fā)生嚴重凍害甚至死亡，此時LTI低于0。若將黃瓜生長受低溫脅迫影響分為無、輕、中和重4個等級，則根據(jù)不同脅迫處理光合作用速率和Fv/Fm，可將LTI值介入4～10的低溫處理視為無冷害發(fā)生，1≤LTI＜4為輕度冷害，0≤LTI＜1為中度冷害，LTI≤0，將發(fā)生重度冷害。各等級災(zāi)害對應(yīng)的低溫指標見表2。

將表2中不同等級冷害對應(yīng)的溫度指標與大田試驗數(shù)據(jù)進行比較，按照1.2.2節(jié)中指標確定方法，可獲得溫室黃瓜不同等級低溫冷害對應(yīng)的溫室外最低氣溫指標值(表3)，當溫室外氣溫最低溫度T↓高于－2℃時，溫室內(nèi)氣溫對黃瓜生長無影響;T↓介于－5℃與－2℃時，將導(dǎo)致輕度災(zāi)害;T↓高于－9℃、低于－5℃時，中度災(zāi)害;若T↓低于－9℃，則產(chǎn)生嚴重災(zāi)害。

表2 低溫冷害等級溫度指標

表3 黃瓜低溫冷害溫室外氣溫等級指標

2.2 不同等級冷害日數(shù)空間分布特征

按照表3中低溫冷害指標，分別統(tǒng)計分析山東省冬季各縣歷年(1981－2012年)不同災(zāi)害等級出現(xiàn)日數(shù)(圖1)，可以看出，全省各級冷害出現(xiàn)日數(shù)隨著低溫冷害程度的加重呈減少的趨勢，但區(qū)域間存在一定差異。

圖1 山東省冬季不同災(zāi)害等級出現(xiàn)日數(shù)分布圖(1981－2012年)

2.2.1 無災(zāi)日數(shù)區(qū)域分布

30年平均無災(zāi)日數(shù)為12～56 d(圖1a)，出現(xiàn)概率為12%～62%。無災(zāi)日出現(xiàn)概率的空間分布為:魯西北大部、魯中局部及半島中部部分地區(qū)為13%～22%;魯南大部、半島沿海部分地區(qū)及魯西北南部局部地區(qū)為44%～62%，其中半島沿海局部為56%以上;其他地區(qū)在22%～44%之間。

2.2.2 輕災(zāi)日數(shù)區(qū)域分布

山東省30年平均輕災(zāi)日數(shù)為20～34 d(圖1b)，出現(xiàn)概率為22% ～38%。魯中部分及魯西北、魯中內(nèi)陸、魯南局部地區(qū)在22%～28%之間;魯西南大部、半島北部、魯南及魯西北局部地區(qū)為31%～38%;其他地區(qū)在28%～31%之間。

2.2.3 中災(zāi)日數(shù)區(qū)域分布

中災(zāi)日數(shù)在11～35 d之間(圖1c)，出現(xiàn)概率在12%～39%之間。魯西及魯中地區(qū)、半島大部、魯南部分地區(qū)為28% ～39%，其中魯西北大部及魯中、半島部分地區(qū)在33%以上;其他地區(qū)為12% ～28%。

2.2.4 重災(zāi)日數(shù)區(qū)域分布

重災(zāi)日數(shù)為0～25 d(圖1d)，概率低于28%。全省空間分布情況為:魯西北中部、魯中東部及半島內(nèi)陸部分地區(qū)在17% ～28%;魯南及半島沿海局部地區(qū)小于6%;其他地區(qū)在6%～17%之間。

2.3 不同等級冷害風(fēng)險評估

由2.2節(jié)的統(tǒng)計結(jié)果可知，不同災(zāi)害等級出現(xiàn)日數(shù)存在一定的量級差異，為便于比較，將其數(shù)據(jù)進行標準化處理，數(shù)據(jù)標準化方法采用下式進行:

式中:Xj為低溫天數(shù)標準化值;Xi為低溫天數(shù)原始值;Xmin為低溫天數(shù)最小值;Xmax為低溫天數(shù)最大值。

根據(jù)層次分析法可獲得各低溫冷害等級的影響權(quán)重，其中無災(zāi)為0.096，輕災(zāi)0.162，中災(zāi)0.278，重災(zāi)0.463，則(2)式可表達為:

根據(jù)自然斷點法，將區(qū)域低溫冷害風(fēng)險確定為低風(fēng)險、中風(fēng)險和高風(fēng)險三個等級，其中，0≤P＜0.420為低度風(fēng)險，0.420≤P＜0.570為中度風(fēng)險，0.570≤P＜1為高度風(fēng)險。由圖2可知，對于山東而言，魯北、魯西北北部、魯中中北部以及半島內(nèi)陸地區(qū)冬季利用日光溫室種植黃瓜，遭受低溫冷害風(fēng)險較高，需要做好防御措施。半島東部沿海、魯西南、魯南及魯東南沿海區(qū)域風(fēng)險較低，其他地區(qū)屬于中度風(fēng)險。

圖2 山東省日光溫室黃瓜生產(chǎn)低溫冷害風(fēng)險分布圖

3 結(jié)論與討論

(1)近年來，隨著災(zāi)害風(fēng)險評估理論的發(fā)展，氣象災(zāi)害風(fēng)險評價指標是綜合考慮危險性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力四個主要因素，從而能更加科學(xué)、定量地反映各類災(zāi)害風(fēng)險度。而本研究在對日光溫室黃瓜生產(chǎn)低溫冷害風(fēng)險的評價僅考慮了其危險性，主要原因在于，對于某一區(qū)域而言，生產(chǎn)上所用溫室建造結(jié)構(gòu)與場所均有一定的規(guī)范要求，因而其暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力基本一致。

(2)盡管關(guān)于黃瓜低溫冷害研究成果較多，但多數(shù)屬于機理研究，本研究根據(jù)人工氣候箱的試驗觀測結(jié)果，對低溫冷害溫度指標進行等級劃分，可為生產(chǎn)者提供根據(jù)更具針對性防災(zāi)依據(jù)。研究表明［22］，溫室小氣候具有一定的區(qū)域穩(wěn)定性，因而本文研究基于溫室內(nèi)黃瓜低溫冷害指標和溫室內(nèi)外氣象觀測數(shù)據(jù)所確定的低溫冷害等級指標，將使區(qū)域溫室低溫冷害風(fēng)險評價與區(qū)劃能更客觀地反映當?shù)氐膶嶋H情況。

(3)從山東全省不同災(zāi)害等級的出現(xiàn)天數(shù)的概率分析看，魯西南西部輕災(zāi)發(fā)生概率較大，但中災(zāi)和重在的概率較低，因此，其綜合風(fēng)險最低。魯中山區(qū)、魯北發(fā)生中、重冷害幾率較大，綜合風(fēng)險最大。而半島地區(qū)輕、中等出現(xiàn)概率大，但受海洋氣候影響，其發(fā)生重災(zāi)的概率較少，綜合風(fēng)險較半島東部較內(nèi)陸地區(qū)低。綜上，低溫是山東魯中山區(qū)、魯北北部開展日光溫室黃瓜生產(chǎn)的主要逆境脅迫因子，需要加強低溫冷害的防御。

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