基于低溫寡照的江蘇省設施農業(yè)氣象災害風險區(qū)劃研究一、引言1.1研究背景與意義設施農業(yè)作為一種高效的農業(yè)生產方式，在江蘇省的農業(yè)產業(yè)結構中占據(jù)著重要地位。它通過人為調控環(huán)境條件，為農作物生長創(chuàng)造適宜的小氣候，有效提高了農產品的產量和質量，增強了農業(yè)生產的穩(wěn)定性和抗風險能力。然而，江蘇省的氣候條件復雜多變，低溫寡照天氣頻繁出現(xiàn)，給設施農業(yè)帶來了嚴重威脅。低溫會導致設施內農作物的生理活動減緩，影響作物的生長發(fā)育，如降低光合作用效率、抑制根系對養(yǎng)分的吸收等，嚴重時甚至會造成作物凍害，導致減產甚至絕收。寡照則使作物無法獲得足夠的光照進行光合作用，影響植株的生長形態(tài)，使莖稈細弱、葉片發(fā)黃，果實品質下降，同時還容易引發(fā)病蟲害的滋生和蔓延。據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近年來，因低溫寡照氣象災害導致江蘇省設施農業(yè)每年的經(jīng)濟損失高達數(shù)億元。因此，深入研究低溫寡照對江蘇省設施農業(yè)的影響，并進行科學合理的氣象災害風險區(qū)劃，對于精準制定防災減災措施、合理布局設施農業(yè)生產、提高設施農業(yè)的經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展能力具有重要的現(xiàn)實意義。這不僅能夠保障農民的切身利益，穩(wěn)定農業(yè)生產，還能為政府部門制定農業(yè)發(fā)展政策提供科學依據(jù)，促進江蘇省設施農業(yè)的高質量發(fā)展。1.2國內外研究現(xiàn)狀在國外，設施農業(yè)起步較早，對氣象災害風險的研究也較為深入。歐美等發(fā)達國家利用先進的傳感器技術和氣象監(jiān)測網(wǎng)絡，實時獲取設施內外部的氣象數(shù)據(jù)，并結合作物生長模型，對低溫寡照等氣象災害進行精準模擬和評估。例如，美國通過建立區(qū)域氣象災害預警系統(tǒng)，為設施農業(yè)提供及時準確的災害預警信息，指導農戶采取有效的防護措施，顯著降低了氣象災害造成的損失。日本則注重從設施結構優(yōu)化和栽培技術改進等方面入手，提高設施農業(yè)對氣象災害的抵御能力，研發(fā)了一系列適用于不同氣候條件的節(jié)能型溫室和抗逆性強的作物品種。在國內，隨著設施農業(yè)的快速發(fā)展，相關氣象災害風險研究也取得了豐碩成果。眾多學者針對不同地區(qū)的氣候特點和設施農業(yè)類型，開展了廣泛的研究工作。在北方地區(qū)，重點研究了冬季低溫寡照對日光溫室蔬菜生產的影響，通過分析氣象數(shù)據(jù)和作物生長指標，確定了低溫寡照災害的閾值，并利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術進行了風險區(qū)劃。在南方地區(qū)，主要關注春季連陰雨和冬季低溫對塑料大棚作物的危害，提出了相應的災害防御技術和風險評估方法。然而，針對江蘇省這一特定區(qū)域，結合其獨特的地理氣候條件和設施農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對低溫寡照氣象災害風險進行系統(tǒng)研究的成果相對較少，仍存在一定的研究空間。1.3研究目標與內容本研究的目標是全面分析江蘇省設施農業(yè)受低溫寡照氣象災害影響的現(xiàn)狀，確定低溫寡照災害的關鍵指標，運用科學的方法對江蘇省設施農業(yè)氣象災害風險進行精準區(qū)劃，為設施農業(yè)防災減災和科學布局提供可靠的理論依據(jù)和技術支持。具體研究內容包括：收集和整理江蘇省多年的氣象數(shù)據(jù)，分析低溫寡照天氣的時空分布特征；開展設施作物在不同低溫寡照條件下的生理生態(tài)響應試驗，確定低溫寡照災害對設施作物生長發(fā)育的影響指標和閾值；結合江蘇省的地形地貌、土壤類型、設施農業(yè)分布等基礎數(shù)據(jù)，運用GIS技術和數(shù)學模型，構建江蘇省設施農業(yè)氣象災害風險評估模型；基于風險評估結果，進行江蘇省設施農業(yè)氣象災害風險等級區(qū)劃，并提出針對性的防災減災對策和建議。二、研究區(qū)域概況與研究方法2.1江蘇省地理與氣候特征江蘇省地處中國大陸東部沿海中心，介于東經(jīng)116°18′-121°57′，北緯30°45′-35°20′之間。全省地勢平坦，以平原為主，地形地貌類型多樣，包括黃淮平原、江淮平原、長江三角洲平原等。這種地形條件使得江蘇省的氣候受海洋和陸地的雙重影響，氣候類型屬于亞熱帶向暖溫帶過渡的季風氣候。江蘇省氣候溫和濕潤，四季分明。年平均氣溫在13℃-16℃之間，自北向南逐漸升高。冬季受北方冷空氣影響，氣溫較低，尤其是蘇北地區(qū)，常有寒潮侵襲，出現(xiàn)低溫天氣。夏季受海洋暖濕氣流控制，氣溫較高，降水充沛。年降水量在800-1600毫米之間，降水分布不均，南部多于北部，夏季降水占全年的比重較大。江蘇省的日照時數(shù)相對較少，年日照時數(shù)在1800-2600小時之間，且冬季和春季日照時數(shù)明顯低于夏季和秋季，寡照天氣較為頻繁，特別是在江淮地區(qū)和蘇南地區(qū)，冬季常出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，導致光照不足。2.2設施農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，江蘇省設施農業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴大。截至[具體年份]，全省設施農業(yè)面積達到[X]萬公頃，占耕地總面積的[X]%。設施農業(yè)的類型主要包括塑料大棚、日光溫室、連棟溫室等，其中塑料大棚應用最為廣泛，占設施農業(yè)總面積的[X]%左右。設施農業(yè)的種植作物種類豐富，主要有蔬菜、水果、花卉等，其中蔬菜種植面積最大，占設施農業(yè)種植總面積的[X]%以上。江蘇省設施農業(yè)的區(qū)域分布存在一定差異。蘇北地區(qū)以日光溫室和塑料大棚為主，主要種植蔬菜和瓜果，由于該地區(qū)冬季氣溫較低，設施農業(yè)對保溫性能要求較高。蘇中地區(qū)設施農業(yè)發(fā)展較為均衡，塑料大棚和連棟溫室均有一定規(guī)模，種植作物除蔬菜外，花卉種植面積也在逐漸增加。蘇南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，設施農業(yè)以智能化、現(xiàn)代化的連棟溫室為主，注重發(fā)展高端花卉、水果等高效農業(yè)產業(yè)，對設施環(huán)境的調控能力較強。2.3研究方法2.3.1數(shù)據(jù)來源與處理本研究收集了江蘇省1981-2020年期間70個氣象站點的逐日氣溫、日照時數(shù)、降水等氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，確保數(shù)據(jù)的準確性和權威性。同時，收集了江蘇省的地形數(shù)據(jù)（DEM）、土壤類型數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及設施農業(yè)分布數(shù)據(jù)等基礎地理信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別來自于國家測繪地理信息局、江蘇省自然資源廳和江蘇省農業(yè)農村廳。對收集到的氣象數(shù)據(jù)進行質量控制和預處理，剔除異常值和錯誤數(shù)據(jù)。利用克里金插值法將離散的氣象站點數(shù)據(jù)插值為連續(xù)的柵格數(shù)據(jù)，以便與其他地理信息數(shù)據(jù)進行空間分析。對基礎地理信息數(shù)據(jù)進行格式轉換、投影變換等處理，使其統(tǒng)一到相同的坐標系和空間分辨率下，為后續(xù)的研究工作奠定基礎。2.3.2低溫寡照指標確定通過查閱相關文獻資料，并結合在江蘇省不同地區(qū)開展的設施作物低溫寡照脅迫試驗，確定低溫寡照災害的評價指標。對于低溫災害，采用連續(xù)低溫日數(shù)、日平均氣溫、極端最低氣溫等指標來衡量低溫的強度和持續(xù)時間。對于寡照災害，選用連續(xù)寡照日數(shù)、日照百分率等指標來反映光照不足的程度。根據(jù)設施作物在不同低溫寡照條件下的生長發(fā)育狀況和生理生態(tài)響應，確定低溫寡照災害的閾值，將低溫寡照災害劃分為輕度、中度、重度三個等級。2.3.3GIS空間分析技術應用運用ArcGIS軟件平臺，對處理好的氣象數(shù)據(jù)和基礎地理信息數(shù)據(jù)進行空間分析。利用空間插值模塊將氣象要素數(shù)據(jù)插值生成全省的氣象要素空間分布圖，直觀展示低溫寡照的空間分布特征。通過疊加分析功能，將氣象災害指標數(shù)據(jù)與地形、土壤、土地利用、設施農業(yè)分布等數(shù)據(jù)進行疊加，分析不同地理環(huán)境因素對設施農業(yè)氣象災害風險的影響。采用多因子綜合評價法，構建設施農業(yè)氣象災害風險評估模型，計算全省各區(qū)域的設施農業(yè)氣象災害風險指數(shù)，并根據(jù)風險指數(shù)進行風險等級區(qū)劃。2.3.4數(shù)理統(tǒng)計與模型構建運用數(shù)理統(tǒng)計方法，對氣象數(shù)據(jù)和設施農業(yè)相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究低溫寡照天氣的時間變化規(guī)律和空間分布特征，以及其與設施農業(yè)受災情況之間的相關性。基于多元線性回歸、層次分析法等數(shù)學方法，構建設施農業(yè)氣象災害風險評估模型。在模型構建過程中，通過反復試驗和驗證，確定各評價因子的權重，確保模型的準確性和可靠性。利用構建好的模型對江蘇省設施農業(yè)氣象災害風險進行模擬和預測，為風險區(qū)劃提供科學依據(jù)。三、低溫寡照對設施農業(yè)的影響分析3.1低溫對設施作物生理生態(tài)的影響3.1.1對光合作用的影響低溫會顯著抑制設施作物的光合作用。當溫度降低時，作物葉片中的光合酶活性下降，導致光合作用的暗反應過程受阻。研究表明，在黃瓜、番茄等常見設施蔬菜中，當溫度低于10℃時，光合速率開始明顯下降。在不同低溫處理試驗中，以黃瓜為例，當溫度降至5℃時，其葉片的凈光合速率相較于適宜溫度（25℃-30℃）下降低了60%以上。這是因為低溫影響了葉綠體的結構和功能，使葉綠素的合成減少，光系統(tǒng)Ⅱ的活性降低，電子傳遞受阻，從而降低了光能的捕獲和轉化效率，最終導致作物光合作用減弱，無法為植株的生長發(fā)育提供足夠的能量和物質。3.1.2對呼吸作用的影響低溫對設施作物呼吸作用的影響較為復雜。在一定范圍內，隨著溫度降低，呼吸作用強度會逐漸減弱。但當溫度過低時，作物會啟動自身的應激反應，呼吸作用反而會出現(xiàn)短暫的增強，以消耗更多的能量來維持細胞的正常生理功能。然而，這種過度的呼吸消耗會加速作物自身營養(yǎng)物質的損耗，對作物生長產生不利影響。例如，在對辣椒的研究中發(fā)現(xiàn)，當溫度降至2℃時，辣椒植株的呼吸速率在短時間內升高了30%左右，但隨著低溫脅迫時間的延長，呼吸速率逐漸下降，且植株的生長受到嚴重抑制，果實產量和品質均大幅降低。3.1.3對細胞膜透性的影響低溫會破壞設施作物細胞膜的結構和功能，導致細胞膜透性增加。細胞膜是細胞與外界環(huán)境進行物質交換和信息傳遞的重要屏障，當細胞膜受到低溫損傷時，細胞內的電解質會外滲，破壞細胞內的離子平衡，進而影響細胞的正常代謝和生理功能。通過測定葉片的相對電導率可以反映細胞膜透性的變化，研究發(fā)現(xiàn)，隨著低溫脅迫時間的延長和溫度的降低，設施作物葉片的相對電導率逐漸升高。如在茄子的低溫試驗中，當溫度從20℃降至5℃時，葉片相對電導率從10%左右上升至50%以上，表明細胞膜受到了嚴重損傷，細胞內的物質大量外滲，植株的抗逆性下降。3.2寡照對設施作物生長發(fā)育的影響3.2.1對植株形態(tài)的影響寡照會使設施作物的植株形態(tài)發(fā)生明顯變化。由于光照不足，作物為了獲取更多的光照，會出現(xiàn)節(jié)間伸長、莖稈細弱、葉片變薄變大且顏色變淡等現(xiàn)象，這種徒長的植株形態(tài)不利于作物的光合作用和物質積累，容易導致作物倒伏，降低作物的抗病蟲害能力。在番茄的寡照處理試驗中，當連續(xù)寡照日數(shù)達到10天時，番茄植株的節(jié)間長度相較于正常光照條件下增加了30%左右，莖粗減小了20%左右，葉片的葉綠素含量降低，葉片顏色變淺，植株整體生長勢變弱。3.2.2對花芽分化與果實發(fā)育的影響寡照對設施作物的花芽分化和果實發(fā)育影響顯著。光照不足會導致作物花芽分化延遲，花芽數(shù)量減少，畸形花比例增加。在黃瓜、西葫蘆等瓜類作物中，寡照會使雌花數(shù)量減少，雄花數(shù)量相對增加，影響作物的授粉受精過程，導致坐果率降低。對于已經(jīng)坐果的作物，寡照會影響果實的膨大速度和品質。例如，草莓在寡照條件下，果實膨大緩慢，果實色澤暗淡，糖分積累減少，口感變差，商品價值降低。研究表明，當草莓生長期間的日照時數(shù)低于8小時/天時，果實的單果重、可溶性固形物含量和維生素C含量均顯著下降。3.2.3對病蟲害發(fā)生的影響寡照環(huán)境有利于設施作物病蟲害的滋生和蔓延。由于光照不足，設施內的溫度和濕度條件相對穩(wěn)定，且濕度較高，這種環(huán)境非常適合病原菌的生長和繁殖。同時，寡照導致作物生長勢減弱，植株的抗病蟲害能力下降，更容易受到病蟲害的侵襲。如在黃瓜種植中，寡照條件下黃瓜白粉病、霜霉病等病害的發(fā)病率明顯增加。據(jù)調查，在連續(xù)寡照15天的情況下，黃瓜白粉病的發(fā)病率比正常光照條件下高出50%以上。此外，一些害蟲如蚜蟲、白粉虱等也喜歡在光照不足、濕度較大的環(huán)境中活動，它們會吸食作物汁液，傳播病毒，進一步加重對作物的危害。3.3低溫寡照復合脅迫的影響3.3.1復合脅迫下作物的生理響應當?shù)蜏睾凸颜胀瑫r發(fā)生時，設施作物會遭受更為嚴重的脅迫，其生理響應表現(xiàn)出疊加和協(xié)同的效應。在光合作用方面，低溫寡照復合脅迫對光合系統(tǒng)的破壞程度遠大于單一脅迫。研究表明，在低溫寡照條件下，設施作物葉片的光合速率下降幅度比單獨低溫或寡照脅迫時更大。以辣椒為例，在溫度為5℃、日照時數(shù)為4小時/天的低溫寡照復合脅迫下，辣椒葉片的凈光合速率相較于適宜條件下降低了80%以上，而單獨低溫（5℃）或寡照（4小時/天）脅迫時，凈光合速率分別降低了60%和70%左右。這是因為低溫和寡照共同作用，不僅影響了光合酶的活性和葉綠體的結構功能，還進一步減少了光能的捕獲和利用，使光合作用受到極大抑制。在細胞膜透性方面，低溫寡照復合脅迫會加劇細胞膜的損傷，導致細胞膜透性急劇增加。如在番茄試驗中，在低溫寡照復合脅迫下，番茄葉片的相對電導率比單獨低溫或寡照脅迫時高出30%-50%，細胞內物質大量外滲，嚴重破壞了細胞的正常生理功能，植株的抗逆性大幅下降。3.3.2對作物產量與品質的影響低溫寡照復合脅迫對設施作物的產量和品質產生嚴重的負面影響。由于光合作用受到極大抑制，作物無法積累足夠的光合產物，導致植株生長緩慢，果實發(fā)育不良，最終產量大幅降低。在品質方面，低溫寡照會使果實的糖分、維生素等營養(yǎng)物質含量降低，果實口感變差，色澤暗淡，商品價值大幅下降。例如，在草莓生產中，低溫寡照復合脅迫下，草莓的產量比正常條件下減少了40%-60%，果實的可溶性固形物含量降低了3-5個百分點，果實硬度下降，更容易腐爛變質。在蔬菜生產中，低溫寡照會導致蔬菜葉片發(fā)黃、纖維化程度增加，口感變差，營養(yǎng)品質降低。3.3.3與單一脅迫影響的差異分析與單一低溫或寡照脅迫相比，低溫寡照復合脅迫對設施作物的影響具有明顯的差異。在影響程度上，復合脅迫的危害更為嚴重，對作物生理生態(tài)過程的破壞更為全面和深入。在影響機制方面，單一脅迫主要通過影響作物的某一個或幾個生理過程來對作物產生影響，而復合脅迫則通過多個生理過程之間的相互作用和反饋，加劇對作物的傷害。例如，低溫主要影響作物的細胞