1. 引言
棚外养殖白对虾受气象因素影响较大,为提高白对虾产量,大棚养殖是目前最有效的方法,大棚小气候是影响大棚白对虾产量的关键,受季节和天气类型的影响,大棚小气候差异较大,气温是小气候中对白对虾产量影响最显著的因子。因此,许多专家和学者对于大棚白对虾小气候研究及高、低温灾害监测及预警进行了大量的探索和研究,并在国际上取得了一定的研究进展。关于大棚调控效果,前人进行了许多研究。王阳临等利用1984年1~12月逐日气温资料,采用平行对比观测法,发现甘肃林区杉木大棚一月棚内月平均气温比棚外高14.1℃ [1]。吉中礼等在陕西省蔬菜试验站对照观测1995年4月21日逐时气温,发现6:00大棚内外温差为0.7℃~3.0℃ [2]。郜庆炉等利用1999年9月~2000年9月逐日逐时气温,表明河南省新乡市大棚蔬菜大棚增温效果冬季平均为11.5℃ [3]。刘可群等2006年12月~2007年3月对比观测武汉大棚蔬菜棚内外逐时气温,发现晴天棚内最高气温比棚外高20℃左右 [4]。符国槐等就浙江省慈溪市2007年12月~2008年4月逐日逐时气温,表明大棚草莓2月室内外平均气温相差最高达到12℃ [5]。王倩等分析河南省荥阳市2012年1月逐日逐时气温,发现大棚内1月平均室内外最低温差为12.34℃。顾忠良等对比2015年5月~6月上海小昆山镇塑料大棚内与国家气象观测站逐日逐时气温,发现白天棚内气温高于棚外1.2℃~4.9℃ [6]。王雄等就江苏省2015年2~11月逐日气温资料分析大棚蔬菜小气候,表明大棚晴天增温3.5℃。严娟等利用2016年1~5月棚内外逐时气温分析福建省大棚蔬菜小气候,表明3月棚内平均气温比棚外高2.9℃。董晓星等利用2018年8月~2019年8月逐日气温分析河南驻马店大棚番茄,表明1月棚内平均气温较棚外高8.5℃ [7]。孟丽霞等利用2019年8月~2019年10月逐日逐时气温分析山西太原大棚蔬菜小气候,发现晴天增温范围为−2.4℃~1.3℃。
而大棚白对虾生长发育主要受水下温度影响,想要确定出大棚白对虾高、低温灾害棚外气温指标,首先要根据大棚内小气候观测资料确定白对虾水下高、低温灾害指标。陈昌生等就白对虾生长与温度的关系作出研究,表明白对虾存活、生长和摄食最适水温为18℃~35℃,38℃时停止摄食 [8]。宋宗岩等就白对虾体型增长与温度的关系表明25℃~30℃,其生长速度较快 [9]。这些研究都表明了大棚白对虾的生长发育与水下温度有着密切关联。
然而目前关于大棚气温调控效果的研究多与地域、季节、天气类型、作物种类、养殖品类有关,现阶段国内研究主要集中在以下几个方面:研究区域多为华中、华东、西北、华北和东北地区;季节多为冬夏季;作物多为蔬菜、水果、林木。而对于水产类大棚小气候的研究目前国内外都比较缺少,反而大多以农作物为主。水产类大棚小气候要素预报大多以当地气象区域站预报数据提供,而气象站预报数据与当地大棚内气象要素真实数据存在很大的误差不能为当地农户提供准确的天健操作指导,可能引起相应的经济损失。本文以萧山大棚白对虾为主要研究对象,通过分析在四季不同天气条件下大棚白对虾对水温的具体调控,建立春、夏、秋季晴天、少云、多云、阴天四种天气类型下,共12个大棚内外温差数据集,分别统计大棚白对虾水温调控效果频率 ≥ 90%的温差分布区间。获得大棚白对虾对水温调控效果的相关数据,以此对大棚小气候类型研究中水产类产品研究较少现状进行补充。
2. 不同季节不同天气类型大棚白对虾对水温的调控效果
2.1. 春季不同天气类型大棚白对虾水温调控效果
2.1.1. 春季不同天气类型下∆t随棚外气温变化特征
大棚水温调控效果受棚外气温影响,图1为春季不同天气类型下,∆t随棚外气温变化图(图1(a)~(d))。可知,晴天:棚外气温4.0℃~36.0℃,温差为−4.0℃~19.0℃。棚外气温10.0℃~15.0℃升温最大,为18.3℃;35.0℃~40.0℃降温最大,为3.2℃。少云:棚外气温5.0℃~35.0℃,温差−3.0℃~14.9℃。棚外气温10.1℃~15.0℃升温最大,为14℃;30.1℃~35.0℃降温最大,为3.0℃。多云:棚外气温5.0℃~35.0℃,温差−3.0℃~17.9℃。棚外气温5.1℃~10.0℃升温最大,为17.0℃;30.1℃~35.0℃降温最大,为3.0℃。阴天:棚外气温5℃~35.0℃,温差0℃~18.0℃。棚外气温5.1℃~10.0℃升温最大,为6.0℃。
2.1.2. 春季不同天气类型下大棚水温调控效果频率分布
为了进一步定量化研究大棚白对虾对水温的调控效果,分别统计大棚外气温每隔3℃,∆t每隔3℃的水温调控效果频率(表1)。
表1为春季晴天大棚水温调控效果频率分布(表1),可以看出:春季晴天条件下,棚外气温92.9%集中在7.0℃~30.9℃。7.0℃~30.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率分别为:8.1%、12.2%、16.7%、14.5%、19.3%、14.7%、7.4%,各区间出现频率相对均匀,为8%~20%,在19.0℃ ≤ t ≤ 21.9℃有最大频率,为19.3%。∆t在−3.0℃~20.9℃,94.2%集中在0.0℃~14.9℃。0.0℃~14.9℃区间内,每隔3℃水温调控效果频率分别为:9.0%、17.4%、27.3%、26.2%、14.3%,在6.0℃~8.9℃有最大频率,为27.3%。
(a) (b) (c) (d)
Figure 1. (a) Temperature difference in sunny spring weather ∆t changes with the temperature outside the shed; (b) Temperature difference in Spring little cloud weather ∆t changes with the temperature outside the shed; (c) Temperature difference in Spring cloudy weather ∆t changes with the temperature outside the shed; (d) Temperature difference in Spring overcast sky weather ∆t changes with the temperature outside the shed
图1. (a). 春季晴天天气温差∆t随棚外气温变化图。(a) 春季晴天天气温差∆t随棚外气温变化图;(b) 春季少云天气温差∆t随棚外气温变化图;(c) 春季多云天气温差∆t随棚外气温变化图;(d) 春季阴天天气温差∆t随棚外气温变化图
Table 1. Frequency distribution of greenhouse water temperature control effect in sunny days in spring
表1. 春季晴天大棚水温调控效果频率分布
注:t:棚外气温∆t:水温和棚外气温之差;温度单位:℃;频率单位:%;红色标记:最大水温调控效果频率;空值:水温调控效果频率为0%。
由春季少云大棚水温调控效果频率分布,可知:春季少云条件下,棚外气温92.0%集中在8.0℃~28.9℃。8.0℃~28.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率分别为:5.1%、15.8%、17.7%、17.0%、14.8%、13.1%、8.5%,14.0℃ ≤ t ≤ 16.9℃有最大频率,为17.7%。∆t在−3.0℃~14.9℃范围内,94.9%集中在0.0℃~14.9℃。0.0℃~14.9℃区间内,每隔3℃水温调控效果频率分别为:10.7%、15.7%、32.8%、23.8%、11.9%,在6.0℃~8.9℃有最大概率32.8%。
由春季多云大棚水温调控效果频率分布,可知:春季多云条件下,棚外气温92.8%集中在9.0℃~29.9℃。棚外气温9.0℃~29.9℃,每隔3℃棚外气温出现频率分别为:11.9%、12.0%、13.2%、15.5%、17.3%、14.2%、8.7%,分布较均匀,介于11%~18%,在21.0℃ ≤ t ≤ 23.9℃出现最大频率,17.3%。∆t为−3.0℃~17.9℃,90.8%介于0.0℃~11.9℃。0.0℃~11.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率分别为:11.1%、24.3%、32.1%、23.3%,在6.0℃~8.9℃有最大频率,32.1%。
从春季阴天大棚水温调控效果频率分布,可知:在春季阴天条件下,棚外气温92%介于8.0℃~25.9℃。8.0℃~25.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率分别为:17.0%、20.6%、12.5%、15.7%、16.4%、9.8%,在11.0℃ ≤ t ≤ 13.9℃有最大频率,20.6%。∆t为−3.0℃~17.9℃,93.6%介于3.0℃~14.9℃。3.0℃~14.9℃区间每隔3℃水温调控效果频率分别为:18.0%、41.3%、24.0%、10.3%,在6.0℃~8.9℃出现最大概率,为41.3%,其余区间介于10%~24%,分布相对均匀。
综上所述,春季晴天:棚外气温7.0℃~30.9℃,∆t为0.0℃~14.9℃时,大棚水温调控效果频率为92.3%,即92.3%的情况在棚外气温7.0℃~30.9℃,温差0.0℃~14.9℃。棚外气温10.0℃~15.0℃升温最大,为18.3℃;35.0℃~40.0℃降温最大,为3.2℃。升温效果0℃~14.9℃,占94.2%。少云:棚外气温8.0℃~28.9℃,∆t为0.0℃~14.9℃时,大棚水温调控效果频率为89.3%。棚外气温10.1℃~15.0℃升温最大,为14℃;30.1℃~35.0℃降温最大,为3.0℃。升温效果0℃~14.9℃,占94.9%。多云:棚外气温9.0℃~29.9℃,∆t为0.0℃~11.9℃时,大棚水温调控效果频率为86.4%。棚外气温5.1℃~10.0℃升温最大,为17.0℃;30.1℃~35.0℃降温最大,为3.0℃。升温效果0℃~11.9℃,占90.8%。阴天:棚外气温8.0℃~25.9℃,∆t为3.0℃~14.9℃时,大棚水温调控效果频率为89.2%。棚外气温5.1℃~10.0℃升温最大,为6.0℃;15.1℃~20.0℃降温最大,为0℃。升温效果3.0℃~14.9℃时,占93.6%。
2.2. 夏季不同天气类型大棚水温调控效果
2.2.1. 夏季不同天气类型下温差随棚外气温变化特征
由夏季温差∆t随棚外气温变化可知,晴天:棚外气温24.0℃~40.0℃,∆t为−5.0℃~8.0℃。棚外气温27.1℃~30.0℃升温最大,为8.0℃;36.1℃~39.0℃降温最大,为5.0℃。少云:棚外气温20.1℃~40.0℃,∆t为−8.0℃~8.0℃。棚外气温27.1℃~30.0℃升温最大,为8.0℃;36.1℃~40.0℃降温最大,为8.0℃。多云:棚外气温18.1℃~39.0℃,∆t为−6.0℃~13.0℃。棚外气温21.1℃~24.0℃升温最大,为13.0℃;36.1℃~39.0℃降温最大,为6.0℃。阴天:棚外气温19.1℃~38.0℃,∆t为−4.0℃~12.0℃。棚外气温21.1℃~24.0℃升温最大,为12.0℃;33.1℃~38.0℃降温最大,为4.0℃。
2.2.2. 夏季不同天气类型下大棚水温调控效果频率分布
为进一步明确大棚白对虾水温调控效果,统计棚外气温每隔3℃,温差∆t每隔3℃的大棚白对虾水温调控效果频率F1,图2为夏季大棚气调控效果频率分布(图2(a)~(d))。
(a) (b) (c) (d)
Figure 2. (a) Frequency distribution of greenhouse water temperature control effect in sunny days in summer; (b) Frequency distribution of greenhouse water temperature control effect in little cloud days in summer; (c) Frequency distribution of greenhouse water temperature control effect in cloudy days in summer; (d) Frequency distribution of greenhouse water temperature control effect in overcast sky days in summer
图2. (a) 夏季晴天大棚水温调控效果频率分布;(b) 夏季少云大棚水温调控效果频率分布;(c) 夏季多云大棚水温调控效果频率分布;(d) 夏季阴天大棚水温调控效果频率分布
由图2可知:晴天:棚外气温24.0℃~38.9℃,96.5%介于27.0℃~38.9℃。27.0℃~38.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率为:23.9%、33.2%、21.3%、18.1%,在30.0℃ ≤ t ≤ 32.9℃有最大频率,33.2%。温差∆t为−6.0℃~8.9℃,97.7%介于−3.0℃~8.9℃。−3.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率分别为:17.9%、28.2%、38.8%、12.8%,在3.0℃~−5.9℃出现最大频率,38.8%。
少云:棚外气温20.0℃~37.9℃,全部集中在20.0℃~37.9℃。20.0℃~37.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率为:10.3%、8.2%、27.9%、30.2%、14.6%、8.8%。在29.0℃ ≤ t ≤ 31.9℃有最大频率,30.2%。温差∆t为−9.0℃~8.9℃,96.9%介于−3.0℃~8.9℃。−3.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率为:19.2%、31.7%、36.4%、9.6%,在3.0℃~−5.9℃有最大频率,36.4%。
多云:棚外气温18.0℃~35.9℃,99.5%集中在21.0℃~35.9℃。21.0℃~35.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率为:11.1%、26.2%、31.6%、20.8%、9.8%。在27.0℃ ≤ t ≤ 29.9℃出现最大频率,31.6%。温差∆t为−6.0℃~14.9℃,97.8%介于−3.0℃~8.9℃。−3.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率为:12.4%、29%、39.3%、17.1%,在3.0℃~−5.9℃出现最大频率,39.3%。
阴天:棚外气温19.0℃~36.9℃,96.4%介于19.0℃~30.9℃。19.0℃~30.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率为:9.8%、36.0%、36.9%、13.7%,25.0℃ ≤ t ≤ 27.9℃有最大频率,36.9%。温差∆t为−6.0℃~11.9℃,92.4%介于0.0℃~8.9℃。在0.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率分别为:20.1%、44.6%、27.7%,在3.0℃~5.9℃有最大频率,为44.6%。
综上所述,夏季晴天:棚外气温27.0℃~38.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃时,大棚水温调控效果频率为94.2%,即夏季晴天条件下,有94.2%的部分在棚外气温27.0℃~38.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃。降温效果主要在−3.0℃~−0.1℃,占17.9%,升温效果0~8.9℃,占79.8%。少云:棚外气温20.0℃~37.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃时,大棚水温调控效果频率为94.0%。降温效果集中在−3.0℃~−0.1℃,占19.2%,升温效果0℃~8.9℃时,占77.7%。多云:棚外气温21.0℃~35.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃时,大棚水温调控效果频率为94.6%。降温效果集中在−3.0℃~−0.1℃,占12.4%,升温效果0℃~8.9℃,占85.4%。阴天:棚外气温19.0℃~30.9℃,温差∆t为0.0℃~8.9℃时,大棚水温调控效果频率91.9%。升温效果0℃~8.9℃,占92.4%。
2.3. 秋季不同天气类型大棚白对虾水温调控效果
2.3.1. 秋季不同天气类型下温差∆t随棚外气温变化特征
气温对大棚水温调控效果影响很大,由秋季不同天气类型温差∆t分布可知:晴天:棚外气温6.0℃~36.0℃,温差−6.0℃~13.0℃。棚外气温9.0℃~15.0℃升温最大,为13.0℃;27.0℃~36.0℃降温最大,为6.0℃。少云:棚外气温12.0℃~34.0℃,温差−5.0℃~12.0℃。棚外气温12.0℃~15.0℃升温最大,为12.0℃;30.0℃~35.0℃降温最大,为5.0℃。多云:棚外气温7.0℃~35.0℃,温差−5.0℃~12.0℃。棚外气温12.0℃~15.0℃升温最大,为12.0℃;27.0℃~33.0℃降温最大,为5.0℃。阴天:棚外气温6.0℃~31.0℃,温差−3.0℃~9.0℃。棚外气温15.0℃~18.0℃升温最大,为9.0℃;21.0℃~27.0℃降温最大,为3.0℃。
2.3.2. 秋季不同天气类型下大棚水温调控效果频率分布
图3为秋季大棚水调控效果频率分布(图3(a)~(d)),由图3可知:晴天:棚外气温5.0℃~34.9℃,92.0%集中在8.0℃~28.9℃。8.0℃~28.9℃区间,每隔3℃大棚外气温频率为:3.8%、12.9%、14.2%、17.1%、17.2%、16.5%、10.3%,在20.0℃ ≤ t ≤ 22.9℃有最大频率,17.2%。温差∆t为−6.0℃~11.9℃,90.8%介于−3.0℃~8.9℃。−3.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率为:27.5%、41.6%、18.2%、3.5%,在0.0℃~2.9℃有最大频率,41.6%。少云:棚外气温11.0℃~31.9℃,93.3%集中在11.0℃~28.9℃。11.0℃~28.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率分别为:4.9%、19.8%、22.2%、17.8%、18.3%、10.3%,在17℃ ≤ t ≤ 19.9℃有最大频率,22.2%。温差∆t为−6.0℃~11.9℃,93.7%集中在−3.0℃~8.9℃,−3.0℃~8.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率分别为:24.1%、37.9%、22.0%、9.7%,在0.0℃~2.9℃出现最大频率,为37.9%。
(a) (b) (c) (d)
Figure 3. (a) Frequency distribution of greenhouse water temperature regulation effect in sunny days in autumn; (b) Frequency distribution of greenhouse water temperature regulation effect in little cloud days in autumn; (c) Frequency distribution of greenhouse water temperature regulation effect in cloudy day days in autumn; (d) Frequency distribution of greenhouse water temperature regulation effect in overcast sky days in autumn
图3. (a) 秋季晴天大棚水温调控效果频率分布;(b) 秋季少云大棚水温调控效果频率分布;(c) 秋季多云大棚水温调控效果频率分布;(d) 秋季阴天大棚水温调控效果频率分布
多云:棚外气温6.0℃~32.9℃,91.6%介于9.0℃~29.9℃。9.0℃~29.9℃区间,每隔3℃棚外气温出现频率为:2.6%、8%、17.2%、17.7%、17.5%、19%、9.6%,24.0℃ ≤ t ≤ 26.9℃有最大频率,19.0%。温差∆t为−6.0℃~11.9℃,97.8%集中在−3.0℃~11.9℃。−3.0℃~11.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率为:26.3%、47.2%、11.8%、4.5%、8%,0.0℃~−2.9℃有最大频率,47.2%。
阴天:棚外气温6.0℃~29.9℃,95.0%集中在9.0℃~26.9℃。在9.0℃~26.9℃区间内,每隔3℃大棚外气温出现频率分别为:17.9%、3.4%、23.7%、25.4%、26.6%、8.0%,在21.0℃ ≤ t ≤ 23.9℃有最大频率,26.6%。温差∆t为−3.0℃~8.9℃,95.0%集中在−3.0℃~5.9℃,在−3.0℃~5.9℃区间,每隔3℃水温调控效果频率分别为:13.4%、57.0%、24.6%,在0.0℃~−2.9℃有最大频率,57.0%。
综上所述,秋季晴天:棚外气温8.0℃~28.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃,大棚水温调控效果频率为84.5%,即秋季晴天条件下,84.5%的部分在棚外气温8.0℃~28.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃。降温效果介于−3.0℃~−0.1℃,占27.5%,升温效果0℃~8.9℃,占63.3%。少云:棚外气温11.0℃~28.9℃,温差∆t为−3.0℃~8.9℃时,大棚水温调控效果频率为87.6%。降温效果介于−3.0℃~−0.1℃,占24.1%,升温效果0℃~8.9℃,占69.6%。多云:棚外气温9.0℃~29.9℃,温差∆t为−3.0℃~11.9℃时,大棚水温调控效果频率89.7%。降温效果集中在−3.0℃~−0.1℃,占26.3%,升温效果0℃~11.9℃时,占71.5%。阴天:棚外气温9.0℃~26.9℃,温差∆t为−3.0℃~5.9℃时,大棚水温调控效果频率90.0%。降温效果介于−3.0℃~−0.1℃,占13.4%,升温效果0℃~5.9℃,占81.6%。
3. 项目创新
本项目有以下三个方面的创新性:
1) 理论创新性:
任何一项高新技术都需要较为完善的理论体系支撑。本项目研发的大棚白对虾水温调控效果研究,集成了气象学理论和天气分析预报理论,并将二者有机地结合起来,形成一个较为完整的大棚白对虾水温调控估预警系统,有较强的理论创新性。
2) 应用创新性:
本项目关键技术研发是现阶段,在农业养殖方便,还没有一套完整的从大棚小气候分析到灾害监测预警的系统。而本项目从水温调控效果入手,分析大棚小气候,从而进一步可以对大棚白对虾灾害监测预警提供一定的理论支撑。因此,从现有技术和数据拓展应用方面来看,本项目有很好的应用创新性,在国内属领先水平。
3) 技术创新性:
随着科学技术的发展进步,地面气象台站也实现了全自动无人值守的观测功能,同时更加精细化的数值天气产品,也可以提供较为准确的网格尺度的地面和大气产品的数据情况和数值,为本项目的系统性精确分析大棚白对虾养殖灾害体系的监测和预警提供了可能。同时也为大棚白对虾灾害监测预警系统的进一步发展提供数据支持和理论支撑。
4. 结论
通过监测春、夏、秋季不同天气类型下大棚白对虾水温调控效果频率,表明夏季大棚对于水温的整体调控效果达到最佳,调控效果频率基本稳定在90%以上,这意味着夏季养殖大棚白对虾水温能够更好的达到适宜虾类生长的温度。而秋季与春季的大棚水温调控频率也基本在85%之上,这将使得大棚与外界水温有着不可忽视的差别。同时,根据本实验数据,大棚白对虾水温调控时对于升温效果的调控程度在一定比例上要大于对于降温效果的调控程度,究其原因可能在于虾类水产的生长温度可能处于一种较高的层次。而除本文实验之外,张月红等就广东湛江气象条件对大棚养殖对虾展开分析,表明对虾生长适宜水温为20℃~35℃,18℃以下摄食量减少存活率降低 [10]。而大棚白对虾水温调控效果频率如此之高使得养殖白对虾的水温在一年四季都基本可以稳定在生长所需温度,使得白对虾摄食量处于稳定状态,避免因摄食量减少而造成的产量降低。同时通过研究大棚白对虾水温调控效果,可为农户更为准确地预测大棚气象要素尽量减少因养殖不当引起的经济损失。