基于氣流擾動的茶園晚霜凍害防除機理及控制技術.pdf

1、目前我國茶葉種植面積與產量已穩(wěn)居世界第一位，但是長江以南茶葉主產區(qū)連年遭受嚴重的倒春寒晚霜凍害，經濟損失慘重，成為制約茶產業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的主要瓶頸之一。國內尚無機械化、自動化的茶園防霜技術與裝備，傳統(tǒng)的覆蓋、灌水或煙熏等措施，不僅防霜效果差，還會污染環(huán)境。因此，開展茶園晚霜凍害防除機理及其自動控制技術的基礎研究，開發(fā)適合我國國情的具有自主知識產權的茶園防霜機械，不僅可以提升茶園防霜技術水平，提高勞動生產率，而且對促進我國農業(yè)氣象災害調

2、控技術發(fā)展，具有重要的理論價值和重大的實踐意義。本論文在“茶園風扇防霜關鍵技術及其應用研究”等課題資助下，進行了從茶園晚霜凍害發(fā)生發(fā)展、近地小氣候逆溫特征、氣流擾動防霜作用機理等基礎研究，到氣流擾動防霜控制策略，以及高架風機防霜裝備及自動控制系統(tǒng)開發(fā)的集成研究。主要研究工作與結果如下：
　　 (1)茶樹晚霜發(fā)生預測及其凍害程度識別研究
　　 在宏觀時間尺度上，依據(jù)1979-2010年的歷史氣象資料，運用季節(jié)災變灰理論，以

3、危害最嚴重的早春初/末霜為對象，建立其預測模型。通過氣象數(shù)據(jù)分析得到近32年來，晚霜發(fā)生的概率約96.67％，發(fā)生日期不穩(wěn)定，且跨度很大。根據(jù)建立的灰色預測模型，預測了鎮(zhèn)江地區(qū)今后若干年中指定日期上初霜發(fā)生和末霜發(fā)生的最近兩個年份。在短時間尺度上，依據(jù)實時氣象信息，以相對日落時間的氣溫和霜夜最低溫為邊界，建立潛在霜夜的最低溫預測模型和氣溫經時變化模型。經驗證，潛在霜夜最低溫隨著初始溫度線性變化，初始時間選擇在日落后1 h，模型方程的相關

4、系數(shù)為0.86；霜夜的氣溫隨時間變化的預測模型，符合下降型自然對數(shù)函數(shù)形式。以上模型為防霜控制提供預報和決策支持。
　　 對不同低溫凍害處理的茶樹葉片，獲取其表面漫反射光譜信息，通過歸一化+MAF+二階微分的預處理方法后，采用PLS+ANN方法建立的預測模型最佳，其主成份數(shù)為11，回判均方根誤差為0.1512，預測值與真實值之間的相關系數(shù)達到0.9950，平均相對誤差最小為5.0725％?；诖四Ｐ停煽焖贉蚀_識別正常葉片和最輕

5、級別凍害葉片，為確定葉片發(fā)生凍害的臨界低溫，提供一種新的檢測方法，從而為氣流擾動防霜控制提供參數(shù)依據(jù)。
　　 (2)基于氣流擾動的茶園晚霜凍害防除機理研究
　　 基于茶園定點試驗測定的數(shù)據(jù)，分析了茶園小氣候環(huán)境及逆溫氣象特征，研究晚霜條件下茶園近地空氣層溫度動態(tài)變化規(guī)律，從而揭示氣流擾動防霜在不同階段的作用機理。研究結果表明，茶園氣流擾動防霜須涵蓋逆溫防霜和反逆溫防霜兩個階段。在初春晴朗無風或少風的夜晚極易發(fā)生晚霜，此時

6、氣溫發(fā)生分層的逆溫變化，典型的逆溫溫度場分布梯度按方根函數(shù)變化，垂直地面上空9 m高處比茶樹冠層位置溫度高出約6～8℃。茶園中低洼處溫度最低，霜凍害嚴重；單株茶樹冠層氣溫的空間分布不均，西北側冠層上方的溫度最低。因此，利用風機等機械裝備擾動茶園近地逆溫層，將上方較暖空氣強制對流吹向下方低溫的茶樹冠層，可提高其溫度，從而防止或減輕茶樹霜凍害。此為逆溫階段氣流擾動防霜的機理。進一步的試驗研究發(fā)現(xiàn)，日出前后逆溫層逐漸消失(反逆溫)，近地上方氣

7、溫開始略低于茶樹冠層處，此時如果繼續(xù)擾動氣流，以緩解冠層葉片溫度的快速上升，從而保護葉片組織免受應激損傷。這是本論文在國內外首次明確提出的反逆溫階段氣流擾動防霜的機理。綜合以上兩階段不同的防霜過程于一體，形成完備的氣流擾動防霜機理，達到功效最大化。
　　 對氣流擾動防霜作用過程的計算流體力學模擬結果表明：高架風機的作用范圍為梨狀對稱分布，設定條件下，核心區(qū)域溫升可達4℃以上，可有效防霜。
　　 (3)氣流擾動防霜系統(tǒng)控制

8、技術研究
　　 控制技術是氣流擾動防霜的核心和關鍵。在分析國外現(xiàn)有防霜控制技術存在問題的基礎上，結合茶樹的耐凍性和氣象逆溫的特點，首次提出基于臨界低溫的逆溫差控制策略，使系統(tǒng)節(jié)能運行。在逆溫成霜階段，以茶樹開始發(fā)生凍害的臨界低溫為充分條件，以逆溫強度為必要條件，控制系統(tǒng)的啟動和關閉。從而避免了傳統(tǒng)控制策略可能導致的誤操作或反作用。在反逆溫融霜階段，以氣溫和時段為限制條件，控制系統(tǒng)停機延后運行，緩解霜凍融解過程，避免霜凍害進一步加

9、劇。研制了自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件，并進行了測試。此外，基于AT89C52單片機和TC35i無線通訊模塊，開發(fā)了茶園氣象信息采集與無線發(fā)送裝置，編制應用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和短信操作等主要功能。該裝置結構簡單，操作方便，可實現(xiàn)可靠的天氣信息實時采集和無線傳送，為茶園小氣候的監(jiān)測和晚霜凍害預警及控制，提供了信息支持。
　　 (4)茶園氣流擾動防霜試驗研究與性能評價
　　 基于前幾章所研究的氣流擾動防霜機理與技術，自主設計和研制

10、了茶園高架防霜風機。該裝備采用簡單結構、使用維護方便、無污染，特別適于丘陵山區(qū)茶果園使用。通過實驗室和田間性能測試分析，對其控制的防霜效果進行研究，并與進口日本的防霜裝備進行了比較?；诟倪M層次分析法的模糊綜合評價結果表明，所開發(fā)的WT3000型高架風機防霜系統(tǒng)綜合技術經濟性最優(yōu)，其額定功率3 kw，有效防霜面積約1000 m2。在輻射晚霜條件下，可提高茶樹冠層溫度約2.86℃；在有重霜凍的年份可提高茶葉產量約47.7％。其控制系統(tǒng)運行