模擬干熱風環境試驗裝置設計及試驗驗證

郝曉雷,李 娜,2

(1.菏澤市氣象局,菏澤 274000;2.山東省氣象防災減災重點實驗室,濟南 250000)

0 引言

小麥是中國主要的糧食作物之一,在國家糧食供給中占有重要的地位,小麥產業發展直接關系到國家糧食安全和社會穩定[1-2]。干熱風是危害小麥生產安全的最主要農業氣象災害之一,是指小麥在開花至成熟期間出現的高溫、低濕并伴有一定風力的災害性天氣[3-5]。在全球氣候變暖的大環境下,干熱風災害天氣對全球變暖的響應表現得尤為敏感,呈高發加重趨勢[6-10]。小麥開花至成熟期是花粉傳播、子粒灌漿增重的重要階段,干熱風可使空氣和土壤中的水分大量蒸發,小麥根系得不到水分供應,小麥葉片呼吸蒸騰消耗自身大量的水分,導致葉片蛋白質被破壞,細胞膜受損,葉組織內電解質大量外滲,進一步阻礙光合作用,影響葉綠素的合成,致使小麥顯著減產[11-15]。

干熱風災害研究主要有模擬試驗與數值模擬兩種方法[16]。數值模擬方法難以在作物模型中單獨提取干熱風災害對小麥產量造成影響的數據;模擬試驗方法具有較強的可控性,能夠剔除多因子干擾影響,是最早用于干熱風災害影響研究的方法[17-18]。但干熱風是空氣溫度、濕度、風速及土壤濕度多種氣象要素共同作用下產生的災害,模擬還原干熱風天氣條件對模擬裝置有很高的要求[19]。目前國內干熱風模擬試驗主要使用試驗箱或人工氣候室進行,對比分析的干擾因素較多,部分試驗為便于對比使用盆栽小麥,人為因素影響較大[20-23]。文章設計制作的模擬干熱風環境試驗裝置,可以在大田中直接模擬不同程度干熱風的脅迫作用,便于與自然生長小麥對比觀測,減少干擾因素影響,確保試驗的準確性,研究結果以期為開展農業氣象服務、適時使用減災調控技術提供理論依據。

1 設計與方法

1.1 設計要求

為了達到研究不同程度干熱風災害影響的目的,文章設計的試驗裝置應能夠直接對大田種植的小麥進行不同程度干熱風脅迫,脅迫作用接近自然條件下的干熱風天氣,盡可能減少干擾因素。試驗裝置應能夠監測記錄試驗小麥所處環境各氣象要素的變化,裝置本身需安裝拆卸便捷,能夠在對試驗小麥進行干熱風脅迫前后,使試驗小麥與對比觀測小麥處于同樣的自然環境下,盡可能地將除干熱風作用以外的其他影響因素排除,得到準確的試驗數據以便進行分析。

1.2 試驗地點

為了便于試驗與觀測的對比,得到更準確的試驗數據,試驗地點應選擇在能夠代表一般地形、地勢、氣候、土壤和產量水平及主要耕作制度的區域,應選在環境相對穩定且小麥種植面積較大的地塊[24]。經過篩選,山東省菏澤市農業科學院試驗田(35°19′N,115°29′E,海拔49.6 m)的條件符合要求,決定在此試驗田開展模擬試驗。

1.3 試驗品種

應選擇推廣范圍廣、種植面積較大、具有較強代表性的小麥品種,初步選定為濟麥22,該品種屬半冬性,是高產、多抗、優質中筋小麥品種,在試驗所在地區被普遍種植[25-26]。

1.4 試驗方法

在試驗地點小麥種植區域中間位置選定一個20 m×20 m的小麥生長較為均勻地塊(圖1),此地塊距離田地邊緣2 m以上,遠離田頭、道路旁和入/排水口,避免受邊際及小氣候影響。將選定的地塊自東向西分為3塊,寬分別8 m,4 m和8 m,3個地塊小麥的氣候條件、土壤肥力、墑情等生長環境基本保持一致。將西部地塊設為試驗地塊,僅在進行試驗時,搭建模擬試驗裝置,對小麥進行干熱風環境模擬影響,達到預定效果后將試驗裝置撤除,讓試驗小麥回歸自然環境,減少除干熱風模擬之外的其他因素干擾;東部地塊為對比觀測地塊,此地塊的小麥一直處于自然生長狀態,用于測量自然生長小麥數據,與西部地塊進行對比分析;中間地塊為隔離地塊,避免對比觀測地塊小麥受到試驗地塊干熱風模擬裝置的影響。

1—試驗地塊;2—隔離地塊;3—對比觀測地塊;4—模擬裝置搭建地塊。圖1 選定地塊區劃

1.5 模擬裝置

為了研究干熱風各致災因子與小麥產量間的關系,需將試驗地塊小麥控制在一個較為穩定,空氣溫度、濕度、風速可以調控的環境中,基于此,文章設計了模擬干熱風環境試驗裝置,如圖2所示。

1—溫濕度控制裝置外機;2—溫濕度控制裝置;3—溫濕度控制室;4—風扇;5—試驗小麥種植區;6—試驗區氣象要素監測點;7—通風口;8—擋風板。圖2 模擬干熱風環境試驗裝置結構設計及儀器布設

試驗區域整體框架用較為堅固、耐腐蝕的不銹鋼材料,為保持試驗裝置內的光照條件同外部基本一致,使用通光條件良好的材料將試驗裝置(不包括溫濕度控制裝置外機)及試驗小麥封閉在一個相對穩定的環境中。在試驗區后部近地面處留有通風口,避免因過于密閉導致氣壓升高影響試驗結果,通風口不宜過大,避免達不到試驗區域氣象要素控制的要求。通風口北方設置一個寬度、高度均大于通風口的擋風板,防止氣流倒灌影響試驗的模擬效果。試驗區域外壁構筑材料及預留通風口的大小需通過試驗確定。

1.5.1 模擬試驗區域整體布局

模擬試驗區域長約15 m,寬6 m,整體呈南北分布(圖3)。根據干熱風以南風為主的特點將氣象要素控制裝置布設在試驗區域南部;試驗小麥區域為長約12 m,寬約6 m的地塊;在小麥種植區域中部偏北方向設定一個試驗區氣象要素監測點,便于觀測記錄試驗區域氣象要素的變化,驗證試驗裝置的模擬效果;在氣象要素監測點四周劃定一個長4 m、寬3 m的試驗小麥采樣區域,采樣區域長、寬方向與小麥種植區域保持一致。

a—氣象要素控制區域;b—試驗小麥種植區域;c—模擬試驗采樣區域;d—試驗區氣象要素監測點。圖3 試驗區域整體平面布局

1.5.2 氣象要素控制區域

氣象要素控制區域控制試驗區內的溫度、濕度、風速氣象條件,是試驗的重要區域,能夠決定試驗是否成功以及試驗結果的準確程度,故氣象要素控制區域的布設至關重要(圖4)。溫濕度控制裝置的溫度控制范圍為15～45 ℃,調節精度為1 ℃;濕度控制范圍10%～70%RH,調節精度為1%RH。設計將氣象要素控制區域獨立出來,使用PO塑料薄膜連接風扇周圍與試驗區外壁,把溫濕度控制裝置與小麥試驗區域隔開,形成溫濕度控制室,僅通過風扇實現兩個區域的空氣交換,不排除受薄膜阻隔影響,小麥種植區域達不到設定的氣象條件,具體效果會進行試驗驗證。

e—溫濕度控制裝置;f—溫濕度控制裝置外機;g—風扇;h—溫濕度控制室;i—出風口。圖4 氣象要素控制區域平面布局

1.5.3 模擬試驗區氣象要素監測點

為精確測量和記錄試驗小麥區域內氣象要素的變化情況,設立氣象要素監測點。氣象要素監測點的測量儀器采用國家氣象觀測站點統一使用的儀器,溫度測量精度為0.1 ℃,濕度測量精度為1%RH,風速測量精度為0.1 m/s,土壤濕度測量精度為1%RH。風速傳感器布設在高于地面1 m的位置,較試驗品種濟麥22的植株正常高度(0.75 m左右)略偏高,以減少因小麥阻擋作用對測量結果的影響;百葉箱(內設溫度傳感器、濕度傳感器)布設在高于地面0.5 m位置,位于小麥麥穗偏下部位,避免受風扇吹出的熱氣流直接作用影響,以更準確地測量試驗小麥植株所處環境溫度、濕度變化情況。據部分研究表明,土壤的水分含量對冬小麥抵御干熱風災害能力有一定影響,20 cm土壤相對濕度的影響力最大,故將土壤水分傳感器布設在地下0.2 m處,監測土壤濕度的變化情況[27-28]。

2 試驗與分析

2.1 通風口大小對比試驗

干熱風模擬裝置的外壁分別使用高透光PO塑料薄膜(雙層,間隔約1 cm,下同)和鋼化玻璃兩種材料搭建在自然生長的乳熟期小麥田中,將溫濕度控制裝置溫度設定為40 ℃、濕度設定為15%RH,控制時間設定為1 h,調整通風口的大小并開展模擬試驗進行對比,通過氣象要素監測點及動槽式水銀氣壓表觀測記錄試驗區內溫濕度及氣壓變化情況。通過模擬對比試驗結果得出,通風口的大小對模擬裝置內部氣溫、相對濕度、氣壓均有極顯著(P<0.01)影響;在滿足溫度與設定溫度差值≤1.0 ℃,濕度與設定濕度差值≤2%RH的前提下,10 cm通風口進行模擬試驗時的氣壓最接近外界,故通風口的大小應設置為10 cm。

2.2 外壁構筑材料對比試驗

將分別使用PO塑料薄膜和鋼化玻璃兩種材料搭建的模擬裝置的通風口設置為10 cm,將溫濕度控制裝置的溫度設定為45 ℃,濕度設定為10%RH,監測試驗區域內的溫濕度變化情況,確定試驗裝置的構筑材料。如圖5所示,通過試驗結果可以看出,2種材料搭建的模擬裝置均可以滿足試驗要求;鋼化玻璃搭建的模擬裝置升溫效率略高于PO塑料薄膜,相對濕度控制效果兩者相仿?？紤]到實際干熱風天氣的升溫效率及模擬裝置搭建和拆除的便捷性,決定使用PO塑料薄膜構筑本模擬裝置。

圖5 兩種材料搭建的控制對比試驗

2.3 封閉隔斷溫濕度控制裝置對比試驗

使用PO塑料薄膜搭建的模擬裝置進行試驗,將風扇安裝至指定位置,風扇周圍與試驗區外壁使用PO塑料薄膜連接,把溫濕度控制裝置與小麥試驗區域隔開,形成溫濕度控制室,僅通過風扇實現對小麥試驗區域氣象要素的影響和控制,將溫濕度控制裝置溫度設定為45 ℃,相對濕度設定為10%,風扇設為最低擋位(-1擋),監測試驗區域內的溫濕度變化情況。如圖6所示,試驗結果表明風扇周圍與試驗區外壁使用PO塑料薄膜連接會造成溫濕度的控制效率降低,達到模擬條件用時較長,但最終達到的模擬條件相同,故可以用PO塑料薄膜連接風扇周圍與試驗區外壁。

圖6 封閉隔斷溫度控制裝置控制對比試驗

2.4 模擬試驗驗證

在確定通風口大小、試驗裝置構筑材料及構建溫濕度控制室后,進行不同程度干熱風條件的模擬試驗。溫濕度控制裝置設定不同溫度和相對濕度,風扇調整不同檔位,控制時間均為1 h,通過氣象要素監測點觀測記錄試驗區內溫濕度及風速變化情況。結合模擬試驗結果可知,實際達到溫度與設定溫度差值均≤1.0 ℃,實際達到相對濕度與設定相對濕度差值均≤2%,溫度控制最高可以達到44.3 ℃,相對濕度控制最低可以達到12%,試驗裝置可以達到模擬不同程度干熱風條件試驗的要求。

3 結束語

文章通過模擬干熱風環境試驗裝置設計并進行試驗驗證,得出如下結論:

1)設計制作的干熱風模擬裝置通過試驗驗證達到了設計要求,能夠對不同程度干熱風條件進行模擬;能夠直接對大田種植的小麥進行干熱風脅迫,脅迫作用的大小能夠人為控制;裝置能夠監測和記錄試驗小麥所處環境多種氣象要素的變化。

2)通過試驗確定通風口應為10 cm寬,這樣既可以保證試驗裝置的模擬效果達到標準,又不會造成裝置內部環境氣壓過高影響試驗效果。

3)通過試驗確定裝置外壁構筑材料為PO塑料薄膜,其安裝拆卸便捷,能夠在試驗小麥的干熱風脅迫前迅速搭建完畢,脅迫結束后迅速撤除裝置,使試驗小麥恢復與對比觀測小麥相同的自然環境下生長,減少除干熱風作用以外的其他干擾因素影響,得到更為準確的試驗數據。

該模擬裝置缺乏控制土壤相對濕度的能力,后期可以采用搭建遮雨棚等方式降低土壤相對濕度,然后分地塊進行不同程度澆灌,達到控制土壤相對濕度的效果[29]。