賀芬芬，孫智輝，劉志超，楊愛琴1,，楊 帆

(1.延安市氣象災(zāi)害應(yīng)急指揮部辦公室，陜西延安 716000；2.延安市氣象局，陜西延安 716000)

在全球氣候變暖背景下，冬春季溫度明顯升高，同時(shí)春季氣溫不穩(wěn)定性也在增加，果樹花期遭遇晚霜凍害的風(fēng)險(xiǎn)在增大[1]。延安是全國(guó)蘋果種植面積最大的地級(jí)市，截止2020年底延安蘋果種植面積27萬hm2，產(chǎn)量達(dá)370萬 t[2]，但蘋果花期凍害成為蘋果生產(chǎn)中最主要的氣象災(zāi)害之一。蘋果花期凍害氣象服務(wù)和防霜凍技術(shù)試驗(yàn)成為了氣象為農(nóng)服務(wù)的重點(diǎn)工作[3-5]。21世紀(jì)以來，延安蘋果凍害天氣基本上每年都有，主要影響蘋果花期和幼果期，造成了蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)的下降[6]。科技工作者開展了無人機(jī)、防霜風(fēng)機(jī)的空氣擾動(dòng)防凍試驗(yàn)[7-8]、噴水防霜凍試驗(yàn)和熏煙防霜凍試驗(yàn)[9]，生產(chǎn)中防御倒春寒的主要措施是熏煙，這種方法的缺點(diǎn)是煙霧持續(xù)時(shí)間短、發(fā)煙不穩(wěn)定、易招致火災(zāi)，而且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，應(yīng)用效果不佳[10]；噴水防霜凍需要充足的水儲(chǔ)備，在黃土高原地區(qū)不適宜大面積推廣，在經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的小地塊可適當(dāng)應(yīng)用[11]。洛川縣位于陜西省延安市南部，地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，蘋果產(chǎn)業(yè)有著得天獨(dú)厚的自然資源，是舉世公認(rèn)的蘋果最佳優(yōu)生區(qū)[12]。同時(shí)洛川蘋果花期凍害影響也很嚴(yán)重，特別是2018年、2020年造成減產(chǎn)，少量地塊絕收的現(xiàn)象[13]。2017年洛川建成全國(guó)首家蘋果氣象試驗(yàn)站，為開展防凍試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。凍害是由溫度降低造成的，利用柴油爐燃燒放熱提高果園溫度是果園防凍方法之一，在國(guó)內(nèi)外的報(bào)道較少。通過對(duì)2021年1月27—29日在洛川蘋果氣象試驗(yàn)站的柴油爐增溫防凍試驗(yàn)進(jìn)行分析，研究柴油爐燃燒放熱防凍的效果，為果農(nóng)開展防凍提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

防凍試驗(yàn)地點(diǎn)位于延安市洛川縣蘋果氣象試驗(yàn)站(109.37° N，35.79° E，海拔高度1 088 m)，有南、北兩塊蘋果園,之間相隔40 m。蘋果種植采用矮化密植栽培方式，株行距1.5 m×3.5 m，樹齡5 a，樹高3～4 m，行間覆草。試驗(yàn)區(qū)處于南果園,其北邊為房屋，東邊和南邊分別為地勢(shì)較高的果園和氣象觀測(cè)場(chǎng)。對(duì)照區(qū)處于北果園，面積大，四周較為開闊(參見圖1)。

圖1 洛川縣蘋果氣象試驗(yàn)站示意圖

利用陜西盛濤農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的STNY-2101(果園版)柴油爐開展試驗(yàn)。柴油爐由3部分組成，下部是裝柴油的容器，可以調(diào)節(jié)火力大小，中間是由可以散熱的粗鐵管和為柴油燃燒提供氧氣的細(xì)鐵管組成，上部是一根帶有蓋子的粗鐵管，用以向上散熱并防止火苗將果樹燒傷。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，2021年1月27—29日將出現(xiàn)一次降溫過程，最低氣溫出現(xiàn)在28日和29日凌晨，由于兩晚降溫方式、風(fēng)向、風(fēng)速各不同，所以在27日和28日晚上各做了1次試驗(yàn)。針對(duì)平流降溫和輻射降溫天氣，基于各個(gè)柴油爐加熱效率相同，通過分析柴油爐加熱前、后試驗(yàn)組與對(duì)照組的溫差，確定柴油爐增溫效果、影響范圍。

擺放柴油爐前1 h，在試驗(yàn)區(qū)距離地面約1.5 m處分別懸掛20支便攜式溫濕度儀，并分別編號(hào)(見圖2)。每隔5 min自動(dòng)觀測(cè)溫濕度1 次，溫度觀測(cè)精度為±0.1 ℃，測(cè)量范圍±50 ℃，所測(cè)溫度為試驗(yàn)區(qū)溫度。用相同方法在對(duì)照區(qū)懸掛1支便攜式溫濕度儀，作為對(duì)照區(qū)溫度。

根據(jù)果樹的株行距，將柴油爐分別編號(hào)并均勻排列放置在試驗(yàn)區(qū)的果樹中間位置。在27日21時(shí)開啟便攜式溫濕度儀，當(dāng)溫度降到零下時(shí)，試驗(yàn)區(qū)每人負(fù)責(zé) 1個(gè)柴油爐，在最短時(shí)間內(nèi)同時(shí)點(diǎn)火，28日方法相同。由于27日和28日試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向不同，便攜式溫濕度儀應(yīng)主要在下風(fēng)方擺放，所以設(shè)計(jì)了2種不同的擺放位置(參見圖2)。27日夜間試驗(yàn)稱為試驗(yàn)1，28日夜間試驗(yàn)稱為試驗(yàn)2。

圖2 試驗(yàn)1(a)和試驗(yàn)2(b)柴油爐和便攜式溫濕度儀位置示意圖(單位：m)

通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，12號(hào)便攜式溫濕度儀工作不正常，數(shù)據(jù)不具備參考性。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)1

試驗(yàn)1期間有冷空氣過境，以平流降溫為主。風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，期間平均風(fēng)速為6.5 m/s。晚間開始試驗(yàn)，點(diǎn)火時(shí)間為23:00，22:00—23:00為加熱前的溫度對(duì)照觀測(cè)時(shí)間，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的溫度差平均值為-0.3～-0.1 ℃，溫度相差不大。

23:00—24:00為加熱時(shí)間，期間平均風(fēng)速5.6 m/s。表1為加熱后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度差的平均值。除8號(hào)溫度觀測(cè)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱8號(hào)，下同)、20號(hào)外，其他各點(diǎn)在加熱5～10 min后，溫差變?yōu)檎?，說明加熱開始發(fā)生作用的時(shí)間為5～10 min。8號(hào)、20號(hào)點(diǎn)與對(duì)照區(qū)的溫差為負(fù)值，是因?yàn)榫嚯x爐子較遠(yuǎn)且處于試驗(yàn)區(qū)的上風(fēng)方，熱量逆風(fēng)傳輸效率低，但5～10 min后溫差開始變小，說明加熱對(duì)于他們發(fā)生作用的時(shí)間較長(zhǎng)。

表1 試驗(yàn)1加熱后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度差的平均值

因?yàn)轱L(fēng)向和風(fēng)速會(huì)影響熱量輸送，因此對(duì)處于爐子上風(fēng)方和下風(fēng)方的溫度觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行劃分。上風(fēng)方包括2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、20號(hào)，下風(fēng)方包括1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)。取加熱前時(shí)間(22:17—22:57)和加熱后時(shí)間(23:04—23:49)，分別對(duì)比放置柴油爐加熱前、后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的溫差變化(圖3，見第73頁(yè))，確定柴油爐的增溫效果。

圖3a為上風(fēng)方溫度點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的溫差變化圖。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)2號(hào)、20號(hào)、8號(hào)分別在1號(hào)爐1.75 m、3.50 m、5.25 m的上風(fēng)方，2號(hào)距離較近所以溫差由加熱前的-0.2 ℃變?yōu)樵鰷睾蟮?.4 ℃，20號(hào)、8號(hào)距離遠(yuǎn)且在上風(fēng)方，所以變化不大；9號(hào)與10號(hào)距離1號(hào)爐太遠(yuǎn)，而又處于3號(hào)爐上風(fēng)方，略有增溫，平均增溫0.1 ℃，最大0.3、0.2 ℃；位于2號(hào)爐上風(fēng)方約3.3 m處的6號(hào)增溫幅度與2號(hào)相近；3號(hào)、5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)雖然也處于上風(fēng)方，但由于位于爐子的西南約2.0 m處，增溫最為明顯，平均增溫0.8、0.7 ℃，最大1.1 ℃。

圖3b中下風(fēng)方各溫度觀測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在東南方，增溫幅度與距離明顯有關(guān)。距離最近的18號(hào)平均增溫0.8 ℃，最大1.1 ℃；距離約2.3 m處于正下風(fēng)方的17號(hào)平均增溫0.8 ℃，最大1.3 ℃，增幅最大，效果最好；4號(hào)、19號(hào)、15號(hào)距離約2.3～3.5 m，增溫較高，增溫幅度在0.5 ℃以上；距離約5.0 m的處11號(hào)、16號(hào)，平均增溫0.5 ℃和0.3 ℃；距離柴油爐約6.0～8.0 m的14號(hào)、13號(hào)、7號(hào)，略有增溫，平均增溫0.1～0.3 ℃，最大0.3～0.4 ℃，說明距離柴油爐約8.0 m內(nèi)有增溫效果。

圖3 試驗(yàn)1加熱前后上風(fēng)方(a)和下風(fēng)方(b)試驗(yàn)組與對(duì)照組溫差變化(文見第71頁(yè))

2.2 試驗(yàn)2

試驗(yàn)2為晴朗天氣，夜間以輻射降溫為主。風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，期間平均風(fēng)速為3.0 m/s。點(diǎn)火時(shí)間為22:30，21:30—22:30為加熱前的溫度對(duì)照觀測(cè)時(shí)間。放柴油爐之前，試驗(yàn)組與對(duì)照組的溫度差平均值為-0.7～-0.4 ℃，溫度相差較大，主要原因是試驗(yàn)區(qū)北邊為房屋，東、南為地勢(shì)較高的果園和氣象觀測(cè)場(chǎng)，阻擋著空氣流動(dòng)，在風(fēng)小的情況下，冷空氣容易堆積；而對(duì)照區(qū)面積大，四周較為開闊，空氣流動(dòng)性大，且根據(jù)洛川蘋果災(zāi)情調(diào)查，在靠墻的位置風(fēng)小空氣不流動(dòng)更容易出現(xiàn)凍害，試驗(yàn)區(qū)有房屋阻擋，因而溫度較低。

22:30—02:00為加熱時(shí)間，期間平均風(fēng)速2.3 m/s。表2為加熱后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度差平均值，除8號(hào)、14號(hào)外，其他各點(diǎn)均明顯增加。在增溫時(shí)間反應(yīng)上，點(diǎn)火后下風(fēng)方溫度迅速升高，而上風(fēng)方升溫較慢。如下風(fēng)方的2號(hào)在5 min內(nèi)升溫明顯，在1.0 ℃以上；而上風(fēng)方的16號(hào)30 min內(nèi)升溫緩慢，后期溫度才明顯上升。由于風(fēng)速較小且在試驗(yàn)區(qū)的上風(fēng)方，熱量逆風(fēng)傳輸效率很低，因而需要較長(zhǎng)時(shí)間才能看到溫度明顯變化。

表2 試驗(yàn)2加熱后試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度差值的平均值

分為上風(fēng)方和下風(fēng)方對(duì)試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論。上風(fēng)方包括1號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、13號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)；下風(fēng)方包括2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、19號(hào)、20號(hào)。由于試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)較多，采用不等時(shí)間間隔處理(5 min、10 min、15 min、20 min)，可以看出溫度數(shù)據(jù)差異比較大，如2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)溫度差較大，但有的點(diǎn)溫度差值較小，甚至是負(fù)值，與加熱前變化很小，如7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)等。分別對(duì)比加熱前(22：01—22：30)和加熱后(22：30—01：47)試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的溫度差變化(參見圖4)，確定柴油爐的增溫效果。

圖4 試驗(yàn)2加熱前后上風(fēng)方(a)和下風(fēng)方(b)試驗(yàn)組與對(duì)照組溫差變化

上風(fēng)方溫度差均在升高，燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，增溫越明顯。距柴油爐1.75 m的1號(hào)、18號(hào)平均增溫均為0.7 ℃，最大2.1 ℃和1.9 ℃，增溫效果較好；距離約2.3 m的4號(hào)、13號(hào)、17號(hào)分別增溫0.4 ℃、0.8 ℃和0.6 ℃，最大1.0 ℃、1.8 ℃、1.0 ℃；距離約3.5 m的9號(hào)、10號(hào)分別增溫0.4 ℃、0.6 ℃，最大0.8 ℃、1.4 ℃(圖4a)。

下風(fēng)方距離近增溫效果好，距離遠(yuǎn)增溫效果差。1號(hào)爐下風(fēng)方8號(hào)、14號(hào)距柴油爐為5.25 m和約6.2 m，距離較遠(yuǎn)無增溫效果；距離約3.5 m、5.0 m的11號(hào)、7號(hào)平均增溫0.7 ℃、0.5 ℃，最大1.0 ℃、0.6 ℃；距離最近的2號(hào)平均增溫為2.0 ℃，最大為3.6 ℃；2號(hào)爐下風(fēng)方的5號(hào)測(cè)溫點(diǎn)距柴油爐約2.3 m，增溫效果最好，平均增溫3.7 ℃，最大6.1 ℃；距離約3.4 m的6號(hào)平均增溫1.9 ℃，最大2.7 ℃，效果較好；3號(hào)、19號(hào)距離柴油爐1號(hào)爐約3.0 m，平均溫度增高1.0 ℃、0.9 ℃，最大1.7 ℃、1.8 ℃，屬于2號(hào)爐下風(fēng)方但距離較遠(yuǎn)，因靠近1號(hào)爐，增溫還是比較明顯(圖4b)。

3 結(jié)論與討論

(1)以平流降溫為主且風(fēng)速較大時(shí)(平均風(fēng)力4～5級(jí))，上風(fēng)方距離柴油爐約3.3 m內(nèi)具有增溫效果，平均增溫0.4～0.8 ℃，最大0.3～1.1 ℃；下風(fēng)方距離柴油爐約8.0 m內(nèi)具有增溫效果，平均增溫0.3～0.8 ℃，增溫最大值0.4～1.3 ℃，增溫范圍大但效果不明顯。

(2)以輻射降溫為主且風(fēng)速較小時(shí)(平均風(fēng)力2～3級(jí))，上風(fēng)方距離柴油爐約3.5 m內(nèi)具有增溫效果，平均增溫0.4～0.8 ℃，最大可達(dá)2.1 ℃；下風(fēng)方距離柴油爐約5.0 m內(nèi)具有增溫效果，平均增溫0.5～3.7 ℃，約2.3 m以內(nèi)平均增溫在2.0 ℃以上，最大6.1 ℃，增溫范圍較小但效果明顯，可有效防凍。

(3)目前開展柴油爐燃燒給果園增溫的試驗(yàn)研究很少，在試驗(yàn)時(shí)可借鑒的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)較少，且本次試驗(yàn)柴油爐少，燃燒時(shí)間短，因此在代表性上還有欠缺。今后在開展此類試驗(yàn)研究時(shí)，可加大投入力度，增加柴油爐和溫度觀測(cè)設(shè)備，進(jìn)一步開展研究。