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        设施农业气象装备技术现状

        摘要:设施农业气象服务是气象服务的特殊领域。日光温室内外气象要素的关系模型的建立是设施农业气象预报的关键,温室内部观测数据的准确性是建立数学模型的基础。本文对温室环境实测监测设施的应用情况和设施农业气象装备领域发展现状进行阐述,表明设施农业气象装备在观测准确性上不能完全满足建立数学分析模型和设施环境调控的要求。针对现有问题从加强装备精准研究和专业合作方面提出相应的对策,为提高设施农业气象装备发展及服务水平等方面提供发展思路。

        关键词:设施农业;气象装备;土壤水分;对策

        1温室气象灾害及预警

        由气象灾害导致温室灾害主要是两个方面:一是温室设施受到的外界大风、暴雨(雪)和冰雹等气象灾害造成农业设施破坏性的机械损失和物理损伤;二是温室作物本身因强降温、连阴天、久阴骤晴和高温等天气现象导致危害设施内作物生长发育和产品形成过程中出现的病害、虫害等。在我国北方主要有掀棚大风,暴雪垮棚,低温寡照、高温热害等4种设施农业气象灾害。其中掀棚大风、暴雪垮棚气象灾害程度是温室结构设计、棚膜预防及保护措施的关键指标;温室内低温寡照和高温热害是蔬菜减产和降低品质的重要因素。在研究气象观测场的大气候与温室内小气候的定量关系和温室内小气候对作物的灾害影响指标的基础上,制定形成的灾害标准为农业基础设施建设、灾害防御和预警、防灾减灾决策等方面提供准确的技术依据。现有的设施作物气象灾害预警方法主要根据实时观测数据对比灾害指标判断其灾害标准的级别,结合气象台天气预报结果来进行灾害预警;也可以采用数值预报产品,结合1~2d日光温室内气象要素和未来1~2d温室外的气象因素值,利用统计学方法建立预报模型,预报日光温室内主要气象要素(最高气温、最低气温、相对湿度、太阳能辐射量、日照时数等)的农用天气预报[3]。

        2温室内环境监测设施及气象调控

        温室内小气候变化过程和垂直分布规律与温室外气候要素的关系是研究气象灾害标准及农用天气预报的关键[4]。随着气象观测自动化的水平的提高,可在温室内安装实时监测辐射、光照度、二氧化碳、气温、地温、相对湿度、风向风速、土壤水分等多要素的气象监测仪,熟悉作物对各类气象要素需求的农业气象指标,研究设施要素的调控方法,建立气象环境综合调节的数学模型。可利用物联网技术将实时监测数据、动态模型预测及专家知识推理数据库相结合,建立管理决策数据平台,通过移动终端或手机APP等技术实现与用户的联动。喀左气象局根据多年人工观测,探索出日光温室内气象调控的有效方法:(1)悬挂“防寒裙”提高棚前沿地温和气温:在温室大棚前沿挂1m左右的“防寒裙”解决了棚内前沿地温偏低的问题。(2)采用透光率高的棚膜增加光照,可起到增加棚内太阳辐射量,提高气温,降低湿度的作用。(3)棚后墙悬挂反光幕提高地温、增加光照强度技术。(4)调控湿度:采用滴灌,防止漫灌、采用烟剂、粉剂防病治虫,减轻棚室湿度、调控棚室温湿度,调控生态条件防治病虫害。(5)采用垄鑫处理棚室土壤,消毒、增产、防治病虫害效果明显。(6)采用秸秆生物降解技术改善棚室土壤,提高地温和CO2浓度。(7)装置植物生长灯,增光补温。(8)双层覆盖防寒保温:增加大棚的覆盖物,双层(一层草帘、一层棉被)或加厚草(毡)帘等。(9)预防高温天气:用温室大棚遮阳降温涂料涂抹棚膜或棚膜外加遮光网。(10)增温控湿、通风透光防治棚内病虫害的发生。(11)增施CO2浓度,提高作物品质和产量[5]。

        3设施农业气象装备技术

        新型温室设施装备技术系统包括:温室控制系统、温室通风系统、温室灌溉系统、温室移栽系统[9]。其中温度、湿度、光照、太阳辐射量等农业气象环境要素的观测数据既是设施农业调控技术的基本数据,也是建立气象预报预警数学模型的关键,观测数据主要通过自动农业气象观测系统获取,张雪芬研制的自动农业气象观测系统具有作物生长、农田气象要素观测和环境监控的功能,可开展作物生长、田间小气候和土壤水分自动化观测[14]。袁光明设计的农业气象观测数据自动化处理系统可以使观测资料实现自动处理、生成报表及历史资料的查询等功能[15]。从目前的农业气象自动观测装备技术来看,在自动观测数据获取方面可实现作物生长的动态跟踪、气象要素的空间、时间的加密观测及大数据处理的能力。因我国北方设施农业以日光温室为主,传统的温室结构绝大多数只能起到一定的保温作用,在冬季棚内外环境温差大、昼夜温差大,自动气象站观测数据的准确性受环境及装备性能的影响会出现误差,如湿度传感器因长期处于高湿变温的环境,易因迟滞现象导致数据测量值误差偏大;土壤湿度观测值分层自动观测值与经验值不符;百叶箱的通风导致自动传感器的测量值与比对用水银温度计观测值有明显偏差等。这些由仪器引入的误差导致观测数据结果与人工观测值和经验值不符,如2012年10月17日~2014年2月20日时段,从喀左农业设施基地进行了人工与自动观测设备的对比观测的结果表明:人工观测共52d的逐时连续观测数据统计,人工观测棚内相对湿度平均为87%,分别高于田间小气候自动观测仪数据7%;高于自动预警仪数据15%。2014年2月25日~3月9日喀左县气象局技术人员在天盛庄园葡萄棚内进行了13d的观测,每h观测1次,测出深圳某公司自动放风仪器感应器的平均相对湿度差与人工观测相差(比人工低)27%。观测结果的偏差给掌握作物与环境因子交互作用规律探索不同作物对环境响应的定量关系方面、实现温室环境控制等方面的研究与应用带来困扰[10]。

        4提高设施农业气象观测数据的准确性

        自动农业气象观测系统是通过传感器感应气象要素的变化并转换成电信号,由信号转换模块经过数据采集装置及通讯系统实现气象观测的自动化功能,传感器的湿敏元件的特性是保证气象观测数据的准确性关键技术,新机理和高灵敏度的传感器是突破气象观测领域开发的先驱。

        41湿度观测装备的关键技术

        湿度传感器主要有电容式、电阻式和热电偶式3种类型,目前,应用在气象观测领域大多为电容式湿度传感器。电容型湿度传感器的湿敏元件感湿原理是湿敏材料的特征参量随其内部水分子含量浓度的线性变化。故湿敏元件的线性度、响应时间、湿滞等静态特性是是衡量湿敏元件性能的主要指标,湿敏材料的湿滞和动态响应特性及其水蒸气传质机理是研究湿敏元件技术指标的关键技术[20]。研究结果表明,湿敏材料感湿膜的厚度、浓度对水分子有效渗透系数和有效扩散系数具有显著的影响,但不是唯一要素,环境温度的升高,使水蒸气的饱和压力增大,进而影响水分子有效渗透系数和吸附时间,因在温室大棚内的密闭空间,经常出现高温高湿、低温高湿的情况,如果湿敏元件选择不当,会直接影响湿度观测结果的准确性。

        42土壤水份观测的关键技术

        土壤水分监测仪器的驻波比法直接得到的土壤容积含水率与人工观测烘干称重法通过土壤重量含水率与土壤容重计算后得到的容积含水率的值存在着偏差,如喀左县气象部门业务使用的自动土壤水分测量仪,2018年9月1日~2018年11月20日期间对0~100cm等8个土层的土壤水分观测仪器进行自动站与人工对比试验。试验结果表明:各层次正差值在1.2%~18.1%之间,最大值18.1%和最小值1.2%均出现在40~50cm层次。自动站与人工观测土壤相对湿度值负差值在-0.6%~-5.4%之间,最大值-5.4%出现在20~30cm,最小值-0.6%出现在10~20cm深度。因此,自动站观测值总体高于人工观测值,其中20~30cm偏低较多,40~50cm偏高较多,0~10cm和30~40cm层次差别较小。影响自动观测测量准确性的关键点有两个,一是自动监测仪器的相对湿度等最终观测结果的准确性与各土层的土壤常数值直接相关,故人工测量的土壤常数的准确性能直接影响自动监测仪器的观测结果;二是监测仪器的投入业务运行前,用传感器输出值与人工的比对结果计算修正值,将数据修正后的终值作为观测结果,故修正值的准确性直接影响观测质量。因土壤水分的观测与土壤特性等相关参数关联密切,为了保证观测数据的准确性,有必要和人工观测对应的观测要素值实施在线比对和定期修正,才能使装备稳定特性与人工比对相结合,才能真正减小自动土壤水分的驻波比法与人工烘干法的观测结果的数据偏差,将这种比对后的偏差控制在允许的范围内才能确保自动观测数据的准确性,确保数据准确及可业务化,实现土壤水份观测的自动化观测仪器能够在气象预报、科研领域的应用。

        5结论

        51设施农业气象装备发展面对的方向

        设施农业应用设施及环境调控手段,为作物生长提供相对适宜的气象环境条件,但目前我国日光温室发展的还处于初级阶段,设施农业还没完全摆脱自然环境对作物产量、质量的危害,设施农业气象发展还以应对自然灾害防灾减灾为主要方向,为了适应地域、气候及防灾减灾的特点,其观测装备的观测手段不宜千篇一律,应在不同空间层次、观测要素等方面有所调整,如北方以适应防掀棚大风,暴雪垮棚,低温寡照、高温热害及病虫害的气象灾害配备相应的观测装备等。环境调节的基础数据来自于温室内部的气象观测数据,目前国内在天气、航空、军事预报等方面已具备先进、精准的气象新型装备科研技术成果,可结合温室内部的特殊环境进行农业气象装备科研领域方面的技术融合,另一方面应加强与植保等部门之间的科研合作,将气象装备与植保装备相结合,一方面加强观测数据的准确性,另一方向提高装备的有效综合利用。

        52加强关键技术装备的研制与探索

        提高监测装备的数据准确性,加强对发展成熟的观测装备如空气及土壤温湿度传感器的精准度的深入研究,从传感器感应元件材料、传感器特性与观测介质(土壤、作物等)相适应的修正方法和特性方程的研究和新型气象要素观测装备如太阳光谱、CO2浓度与作物生长、病虫害关系的理论化深入研究与探索。利用先进气象设施,结合数值预报产品,做好温室大棚农用天气预报,搞好综合气象调控技术研发推广,减少防治病虫农药的用量,提高温室作物的品质,让老百姓吃上放心菜,用科技手段提高作物的综合生产能力,实现产业的可持续发展。

        作者:沙莉 孙立德 张晶丹 马成芝 单位:辽宁省气象装备保障中心 辽宁省喀左县气象局 沈阳农业大学

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