設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備技術(shù)現(xiàn)狀

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摘要：設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)是氣象服務(wù)的特殊領(lǐng)域。日光溫室內(nèi)外氣象要素的關(guān)系模型的建立是設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報的關(guān)鍵，溫室內(nèi)部觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。本文對溫室環(huán)境實測監(jiān)測設(shè)施的應(yīng)用情況和設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，表明設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備在觀測準(zhǔn)確性上不能完全滿足建立數(shù)學(xué)分析模型和設(shè)施環(huán)境調(diào)控的要求。針對現(xiàn)有問題從加強(qiáng)裝備精準(zhǔn)研究和專業(yè)合作方面提出相應(yīng)的對策，為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備發(fā)展及服務(wù)水平等方面提供發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；氣象裝備；土壤水分；對策

1溫室氣象災(zāi)害及預(yù)警

由氣象災(zāi)害導(dǎo)致溫室災(zāi)害主要是兩個方面：一是溫室設(shè)施受到的外界大風(fēng)、暴雨（雪）和冰雹等氣象災(zāi)害造成農(nóng)業(yè)設(shè)施破壞性的機(jī)械損失和物理損傷；二是溫室作物本身因強(qiáng)降溫、連陰天、久陰驟晴和高溫等天氣現(xiàn)象導(dǎo)致危害設(shè)施內(nèi)作物生長發(fā)育和產(chǎn)品形成過程中出現(xiàn)的病害、蟲害等。在我國北方主要有掀棚大風(fēng)，暴雪垮棚，低溫寡照、高溫?zé)岷Φ?種設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。其中掀棚大風(fēng)、暴雪垮棚氣象災(zāi)害程度是溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計、棚膜預(yù)防及保護(hù)措施的關(guān)鍵指標(biāo)；溫室內(nèi)低溫寡照和高溫?zé)岷κ鞘卟藴p產(chǎn)和降低品質(zhì)的重要因素。在研究氣象觀測場的大氣候與溫室內(nèi)小氣候的定量關(guān)系和溫室內(nèi)小氣候?qū)ψ魑锏臑?zāi)害影響指標(biāo)的基礎(chǔ)上，制定形成的災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、災(zāi)害防御和預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)決策等方面提供準(zhǔn)確的技術(shù)依據(jù)。現(xiàn)有的設(shè)施作物氣象災(zāi)害預(yù)警方法主要根據(jù)實時觀測數(shù)據(jù)對比災(zāi)害指標(biāo)判斷其災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)的級別，結(jié)合氣象臺天氣預(yù)報結(jié)果來進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警；也可以采用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，結(jié)合1～2d日光溫室內(nèi)氣象要素和未來1～2d溫室外的氣象因素值，利用統(tǒng)計學(xué)方法建立預(yù)報模型，預(yù)報日光溫室內(nèi)主要氣象要素（最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、太陽能輻射量、日照時數(shù)等）的農(nóng)用天氣預(yù)報［3］。

2溫室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)施及氣象調(diào)控

溫室內(nèi)小氣候變化過程和垂直分布規(guī)律與溫室外氣候要素的關(guān)系是研究氣象災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)用天氣預(yù)報的關(guān)鍵［4］。隨著氣象觀測自動化的水平的提高，可在溫室內(nèi)安裝實時監(jiān)測輻射、光照度、二氧化碳、氣溫、地溫、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、土壤水分等多要素的氣象監(jiān)測儀，熟悉作物對各類氣象要素需求的農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)，研究設(shè)施要素的調(diào)控方法，建立氣象環(huán)境綜合調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型?？衫梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、動態(tài)模型預(yù)測及專家知識推理數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，建立管理決策數(shù)據(jù)平臺，通過移動終端或手機(jī)APP等技術(shù)實現(xiàn)與用戶的聯(lián)動。喀左氣象局根據(jù)多年人工觀測，探索出日光溫室內(nèi)氣象調(diào)控的有效方法：（1）懸掛“防寒裙”提高棚前沿地溫和氣溫：在溫室大棚前沿掛1m左右的“防寒裙”解決了棚內(nèi)前沿地溫偏低的問題。（2）采用透光率高的棚膜增加光照，可起到增加棚內(nèi)太陽輻射量，提高氣溫，降低濕度的作用。（3）棚后墻懸掛反光幕提高地溫、增加光照強(qiáng)度技術(shù)。（4）調(diào)控濕度：采用滴灌，防止漫灌、采用煙劑、粉劑防病治蟲，減輕棚室濕度、調(diào)控棚室溫濕度，調(diào)控生態(tài)條件防治病蟲害。（5）采用壟鑫處理棚室土壤，消毒、增產(chǎn)、防治病蟲害效果明顯。（6）采用秸稈生物降解技術(shù)改善棚室土壤，提高地溫和CO2濃度。（7）裝置植物生長燈，增光補(bǔ)溫。（8）雙層覆蓋防寒保溫：增加大棚的覆蓋物，雙層（一層草簾、一層棉被）或加厚草（氈）簾等。（9）預(yù)防高溫天氣：用溫室大棚遮陽降溫涂料涂抹棚膜或棚膜外加遮光網(wǎng)。（10）增溫控濕、通風(fēng)透光防治棚內(nèi)病蟲害的發(fā)生。（11）增施CO2濃度，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量［5］。

3設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備技術(shù)

新型溫室設(shè)施裝備技術(shù)系統(tǒng)包括：溫室控制系統(tǒng)、溫室通風(fēng)系統(tǒng)、溫室灌溉系統(tǒng)、溫室移栽系統(tǒng)［9］。其中溫度、濕度、光照、太陽輻射量等農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境要素的觀測數(shù)據(jù)既是設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)控技術(shù)的基本數(shù)據(jù)，也是建立氣象預(yù)報預(yù)警數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵，觀測數(shù)據(jù)主要通過自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)獲取，張雪芬研制的自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)具有作物生長、農(nóng)田氣象要素觀測和環(huán)境監(jiān)控的功能，可開展作物生長、田間小氣候和土壤水分自動化觀測［14］。袁光明設(shè)計的農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)可以使觀測資料實現(xiàn)自動處理、生成報表及歷史資料的查詢等功能［15］。從目前的農(nóng)業(yè)氣象自動觀測裝備技術(shù)來看，在自動觀測數(shù)據(jù)獲取方面可實現(xiàn)作物生長的動態(tài)跟蹤、氣象要素的空間、時間的加密觀測及大數(shù)據(jù)處理的能力。因我國北方設(shè)施農(nóng)業(yè)以日光溫室為主，傳統(tǒng)的溫室結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)只能起到一定的保溫作用，在冬季棚內(nèi)外環(huán)境溫差大、晝夜溫差大，自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受環(huán)境及裝備性能的影響會出現(xiàn)誤差，如濕度傳感器因長期處于高濕變溫的環(huán)境，易因遲滯現(xiàn)象導(dǎo)致數(shù)據(jù)測量值誤差偏大；土壤濕度觀測值分層自動觀測值與經(jīng)驗值不符；百葉箱的通風(fēng)導(dǎo)致自動傳感器的測量值與比對用水銀溫度計觀測值有明顯偏差等。這些由儀器引入的誤差導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)結(jié)果與人工觀測值和經(jīng)驗值不符，如2012年10月17日～2014年2月20日時段，從喀左農(nóng)業(yè)設(shè)施基地進(jìn)行了人工與自動觀測設(shè)備的對比觀測的結(jié)果表明：人工觀測共52d的逐時連續(xù)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，人工觀測棚內(nèi)相對濕度平均為87％，分別高于田間小氣候自動觀測儀數(shù)據(jù)7％；高于自動預(yù)警儀數(shù)據(jù)15％。2014年2月25日～3月9日喀左縣氣象局技術(shù)人員在天盛莊園葡萄棚內(nèi)進(jìn)行了13d的觀測，每h觀測1次，測出深圳某公司自動放風(fēng)儀器感應(yīng)器的平均相對濕度差與人工觀測相差（比人工低）27％。觀測結(jié)果的偏差給掌握作物與環(huán)境因子交互作用規(guī)律探索不同作物對環(huán)境響應(yīng)的定量關(guān)系方面、實現(xiàn)溫室環(huán)境控制等方面的研究與應(yīng)用帶來困擾［10］。

4提高設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)是通過傳感器感應(yīng)氣象要素的變化并轉(zhuǎn)換成電信號，由信號轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置及通訊系統(tǒng)實現(xiàn)氣象觀測的自動化功能，傳感器的濕敏元件的特性是保證氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性關(guān)鍵技術(shù)，新機(jī)理和高靈敏度的傳感器是突破氣象觀測領(lǐng)域開發(fā)的先驅(qū)。

41濕度觀測裝備的關(guān)鍵技術(shù)

濕度傳感器主要有電容式、電阻式和熱電偶式3種類型，目前，應(yīng)用在氣象觀測領(lǐng)域大多為電容式濕度傳感器。電容型濕度傳感器的濕敏元件感濕原理是濕敏材料的特征參量隨其內(nèi)部水分子含量濃度的線性變化。故濕敏元件的線性度、響應(yīng)時間、濕滯等靜態(tài)特性是是衡量濕敏元件性能的主要指標(biāo)，濕敏材料的濕滯和動態(tài)響應(yīng)特性及其水蒸氣傳質(zhì)機(jī)理是研究濕敏元件技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)［20］。研究結(jié)果表明，濕敏材料感濕膜的厚度、濃度對水分子有效滲透系數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)具有顯著的影響，但不是唯一要素，環(huán)境溫度的升高，使水蒸氣的飽和壓力增大，進(jìn)而影響水分子有效滲透系數(shù)和吸附時間，因在溫室大棚內(nèi)的密閉空間，經(jīng)常出現(xiàn)高溫高濕、低溫高濕的情況，如果濕敏元件選擇不當(dāng)，會直接影響濕度觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

42土壤水份觀測的關(guān)鍵技術(shù)

土壤水分監(jiān)測儀器的駐波比法直接得到的土壤容積含水率與人工觀測烘干稱重法通過土壤重量含水率與土壤容重計算后得到的容積含水率的值存在著偏差，如喀左縣氣象部門業(yè)務(wù)使用的自動土壤水分測量儀，2018年9月1日～2018年11月20日期間對0～100cm等8個土層的土壤水分觀測儀器進(jìn)行自動站與人工對比試驗。試驗結(jié)果表明：各層次正差值在1．2％～18．1％之間，最大值18．1％和最小值1．2％均出現(xiàn)在40～50cm層次。自動站與人工觀測土壤相對濕度值負(fù)差值在－0．6％～－5．4％之間，最大值－5．4％出現(xiàn)在20～30cm，最小值－0．6％出現(xiàn)在10～20cm深度。因此，自動站觀測值總體高于人工觀測值，其中20～30cm偏低較多，40～50cm偏高較多，0～10cm和30～40cm層次差別較小。影響自動觀測測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點有兩個，一是自動監(jiān)測儀器的相對濕度等最終觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性與各土層的土壤常數(shù)值直接相關(guān)，故人工測量的土壤常數(shù)的準(zhǔn)確性能直接影響自動監(jiān)測儀器的觀測結(jié)果；二是監(jiān)測儀器的投入業(yè)務(wù)運行前，用傳感器輸出值與人工的比對結(jié)果計算修正值，將數(shù)據(jù)修正后的終值作為觀測結(jié)果，故修正值的準(zhǔn)確性直接影響觀測質(zhì)量。因土壤水分的觀測與土壤特性等相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)密切，為了保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有必要和人工觀測對應(yīng)的觀測要素值實施在線比對和定期修正，才能使裝備穩(wěn)定特性與人工比對相結(jié)合，才能真正減小自動土壤水分的駐波比法與人工烘干法的觀測結(jié)果的數(shù)據(jù)偏差，將這種比對后的偏差控制在允許的范圍內(nèi)才能確保自動觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及可業(yè)務(wù)化，實現(xiàn)土壤水份觀測的自動化觀測儀器能夠在氣象預(yù)報、科研領(lǐng)域的應(yīng)用。

5結(jié)論

51設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象裝備發(fā)展面對的方向

設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用設(shè)施及環(huán)境調(diào)控手段，為作物生長提供相對適宜的氣象環(huán)境條件，但目前我國日光溫室發(fā)展的還處于初級階段，設(shè)施農(nóng)業(yè)還沒完全擺脫自然環(huán)境對作物產(chǎn)量、質(zhì)量的危害，設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象發(fā)展還以應(yīng)對自然災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)為主要方向，為了適應(yīng)地域、氣候及防災(zāi)減災(zāi)的特點，其觀測裝備的觀測手段不宜千篇一律，應(yīng)在不同空間層次、觀測要素等方面有所調(diào)整，如北方以適應(yīng)防掀棚大風(fēng)，暴雪垮棚，低溫寡照、高溫?zé)岷安∠x害的氣象災(zāi)害配備相應(yīng)的觀測裝備等。環(huán)境調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于溫室內(nèi)部的氣象觀測數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)在天氣、航空、軍事預(yù)報等方面已具備先進(jìn)、精準(zhǔn)的氣象新型裝備科研技術(shù)成果，可結(jié)合溫室內(nèi)部的特殊環(huán)境進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象裝備科研領(lǐng)域方面的技術(shù)融合，另一方面應(yīng)加強(qiáng)與植保等部門之間的科研合作，將氣象裝備與植保裝備相結(jié)合，一方面加強(qiáng)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另一方向提高裝備的有效綜合利用。

52加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)裝備的研制與探索

提高監(jiān)測裝備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，加強(qiáng)對發(fā)展成熟的觀測裝備如空氣及土壤溫濕度傳感器的精準(zhǔn)度的深入研究，從傳感器感應(yīng)元件材料、傳感器特性與觀測介質(zhì)（土壤、作物等）相適應(yīng)的修正方法和特性方程的研究和新型氣象要素觀測裝備如太陽光譜、CO2濃度與作物生長、病蟲害關(guān)系的理論化深入研究與探索。利用先進(jìn)氣象設(shè)施，結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，做好溫室大棚農(nóng)用天氣預(yù)報，搞好綜合氣象調(diào)控技術(shù)研發(fā)推廣，減少防治病蟲農(nóng)藥的用量，提高溫室作物的品質(zhì)，讓老百姓吃上放心菜，用科技手段提高作物的綜合生產(chǎn)能力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

作者：沙莉 孫立德 張晶丹 馬成芝 單位：遼寧省氣象裝備保障中心 遼寧省喀左縣氣象局 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)