精河枸杞展葉期霜凍氣象指標室內(nèi)模擬研究

胡啟瑞，楊明鳳，景繼福，張鵬程，李迎春*

（1.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆 石河子 834700；3.博樂市氣象局，新疆 博樂 833400；4.精河縣氣象局，新疆 精河 833400）

枸杞是新疆紅色產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，目前已成為精河乃至博州林果業(yè)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。晚霜凍是指在初春氣溫回暖季節(jié)，受強冷空氣影響，土壤表面、植物表面以及近地面空氣層的溫度驟降到0℃以下，引起農(nóng)作物植株（莖葉）遭受凍傷或死亡的現(xiàn)象[1]。氣候變暖背景下，新疆平均氣溫呈上升趨勢，終霜日提前，初霜日推遲[2-4]。博州地處準噶爾盆地西南緣，春秋兩季冷空氣活動頻繁，霜凍是博州農(nóng)業(yè)的主要氣象災害之一，特別是晚霜凍對處于萌芽期的經(jīng)濟林影響較大，易造成枸杞葉片枝條等的凍害[5-8]。關于霜凍的研究方法，劉偉[9]、王靜[10-11]、陳叢敏等[12]利用人工氣候箱模擬試驗獲得釀酒葡萄、果樹、巴旦木發(fā)生不同程度霜凍的指標；王培娟等[13]采用熱量指數(shù)法研究玉米冷害指標；段曉鳳等[14]利用人工氣候室進行寧夏枸杞現(xiàn)蕾期、初花期和盛花期霜凍指標試驗，建立了基于低溫、持續(xù)時間、受凍級別和受凍率的霜凍指標。另外，植物的葉綠素熒光對外界各種脅迫因子十分敏感[15-16]，基礎熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、最大光能轉(zhuǎn)化率（Fv/Fm）等常被用作標明環(huán)境脅迫程度的指標和探針，相關參數(shù)已在很多植物上進行測定以分析其受脅迫程度[17-18]，但很少應用于枸杞霜凍研究。目前對精河枸杞霜凍發(fā)生過程中光合及生理特征變化尚不清楚，對精河枸杞霜凍發(fā)生的氣象條件報道較少。本研究利用人工氣候室開展室內(nèi)模擬試驗，分析低溫脅迫下枸杞葉綠素含量、相對電導率及形態(tài)特征的變化，初步建立精河枸杞展葉期霜凍氣象指標，旨在為枸杞春季霜凍預報和預警提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

枸杞低溫脅迫試驗選取精河縣氣象局雷達站主栽品種寧杞7號。展葉期剪取樹齡相同、無病蟲害、長勢一致的枝條共計54枝，蒸餾水沖洗干凈后用吸水紙吸干水分，將枝條兩端進行蠟封，分類貼上標簽后用聚乙烯保鮮膜包裹并置于冰盒中帶回實驗室。溫度梯度和持續(xù)時間的設置以研究區(qū)域歷史霜凍災害發(fā)生情況及氣象條件分析為基礎，設置6個溫度梯度和3個不同持續(xù)時間。處理溫度：常溫（CK）、0、-2、-4、-6、-8℃，持續(xù)時間：3、6、9 h，每個處理重復3次，人工氣候箱內(nèi)光照強度設置為3 000 Lux。

1.2 測定方法

低溫處理結(jié)束后，在室溫下放置12 h測定熒光參數(shù)、葉綠素含量和相對電導率。

熒光參數(shù)測定：每個處理取3個枝條，剪取葉片暗適應35 min后利用MINI-PAM（德國，WALZ）測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）等參數(shù)[17]，根據(jù)Fo和Fm計算光合系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm，F(xiàn)v/Fm=（Fm-Fo）/Fm。

相對電導率測定：采用電導法測定枝條相對電導率。將枝條剪成0.5 cm長莖段并稱取0.5 g莖段置入試管，加20 ml蒸餾水搖勻3 h，再放置3 h后采用SG23型電導儀測定浸出液的初始電導值C。初始電導值測定后沸水中水浴30 min后冷卻至室溫，靜置24 h測定電導值CK，同時測定蒸餾水電導率C0，枝條相對電導率REC%=C-C0/CK-C0×100%。

葉綠素含量測定：每個枝條選取5個葉片用SPAD502葉綠素計測定，取其平均數(shù)作為該葉片的SPAD值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS進行數(shù)據(jù)處理和顯著性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 低溫處理過程中枝條熒光特性的變化

基礎熒光（Fo）與葉片葉綠素濃度有關，F(xiàn)o升高意味著光系統(tǒng)II（PSII）受到傷害或者不可逆失活[19-20]。不同低溫及持續(xù)時間處理下枸杞枝條葉綠素熒光參數(shù)的變化如圖1所示。隨著溫度的降低及低溫持續(xù)時間的延長，低溫脅迫趨于增強，枸杞枝條基礎熒光總體呈上升趨勢，并且低溫持續(xù)時間越長，基礎熒光升高的幅度也越大。0、-2、-4、-6、-8℃處理下，與CK相比，枸杞枝條基礎熒光平均值分別增加2.53%、4.50%、11.63%、18.32%、22.73%。不同時間處理下基礎熒光差異顯著，與CK相比，3、6、9 h基礎熒光分別增加8.87%、11.73%、16.29%。

圖1 低溫過程中枸杞枝條基礎熒光的變化

葉綠素熒光與光合作用各反應過程緊密相關，光能利用率（Fv/Fm）表示葉綠體光系統(tǒng)受到的傷害程度，其大小可反映植物受傷害的程度[21-22]。本試驗表明，隨著處理溫度的降低以及持續(xù)時間的延長Fv/Fm呈下降趨勢（圖2），0、-2、-4、-6、-8℃處理下，與CK相比，F(xiàn)v/Fm平均值分別下降5.18%、13.35%、26.71%、81.62%、86.5%，-8℃時下降率最高。3、6、9 h時處理下，F(xiàn)v/Fm平均值分別下降41.28%、67.87%、95.14%，處理9 h光能轉(zhuǎn)化率下降率最高。以上結(jié)果表明：低溫脅迫使枸杞枝條光系統(tǒng)II生理活性發(fā)生變化，低溫脅迫下葉綠素的光還原活性降低，光系統(tǒng)II的潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率減弱。低溫脅迫時間持續(xù)越長，F(xiàn)v/Fm下降幅度越高，受損變化程度差異越顯著。

圖2 低溫過程中枸杞枝條光能轉(zhuǎn)化率的變化

2.2 低溫處理過程中葉片葉綠素含量的變化

葉綠素是表征植物光合作用的重要參數(shù)，葉綠素含量的穩(wěn)定性一定程度上反映了低溫脅迫對植物的傷害程度，當溫度超過一定范圍會損傷葉綠體結(jié)構，抑制光合作用[23-24]，并且低溫持續(xù)時間越長葉綠素含量越低。由圖3可知，低溫脅迫下枸杞葉片葉綠素含量呈下降趨勢，0、-2、-4、-6、-8℃處理下，與CK相比，葉綠素含量分別下降19.95%、23.51%、31.10%、59.80%和74.82%。3、6、9 h處理下，葉綠素含量下降率分別為34.88%、42.02%和55.53%。由此說明，低溫脅迫對枸杞葉綠素的合成及降解或葉綠體結(jié)構造成了一定的負面影響。

圖3 低溫過程中枸杞葉片葉綠素含量的變化

2.3 低溫處理過程中枝條相對電導率的變化

相對電導率是植物受逆脅迫后細胞受損傷程度的重要指標，低溫可使細胞通透性增加，而透性的增加與外滲電導率呈正相關[25]。由圖4可知，隨著處理溫度的降低和處理時間的延長，枝條相對電導率呈增加趨勢。枝條在0、-2、-4℃處理下，枝條相對電導率與CK差異不顯著，當溫度低于-4℃后枝條相對電導率明顯升高，說明當溫度低于-4℃時枸杞枝條質(zhì)膜受到不同程度損傷，細胞中電解質(zhì)外滲，相對電導率增加。0、-2、-4、-6、-8℃處理下，與CK相比，相對電導率分別增加11.76%、26.63%、32.50%、47.06%、52.45%。3、6、9 h處理下，與CK相比，枝條相對電導率分別增加34.65%、37.50%、40.57%。

圖4 低溫過程中枸杞枝條相對電導率的變化

2.4 低溫處理過程中形態(tài)特征的變化

室內(nèi)低溫模擬結(jié)束后，對所有處理進行歸納、總結(jié)得到精河枸杞展葉期發(fā)生不同程度霜凍的等級指標。由表1可知，溫度越低、持續(xù)時間越長，枸杞展葉期受凍越嚴重。當-2℃≤T＜0℃，持續(xù)時間在3 h內(nèi)，會發(fā)生輕度霜凍。輕度霜凍時枸杞葉片顏色正常，少量葉片萎蔫，輕微卷曲。當-4℃≤T＜-2℃、持續(xù)時間3 h≤t＜6 h或-2℃≤T＜0℃、持續(xù)時間6 h≤t＜9 h，會發(fā)生中度霜凍。中度霜凍時葉片顏色變暗，部分葉片失水萎蔫卷曲，葉片邊緣及尖端逐漸變?yōu)楹稚胰~片表面呈水漬狀。當-6℃≤T＜-4℃，持續(xù)時間t≥6 h或-8℃≤T＜-6℃，持續(xù)時間t≥3 h會發(fā)生重度霜凍。重度霜凍絕大部分葉片顏色變?yōu)楹稚杈砬?，大部分葉片呈水漬狀且木質(zhì)部變?yōu)楹稚?/p>

表1 不同低溫和時間處理下枸杞展葉期霜凍氣象指標

3 結(jié)論與討論

葉綠素熒光對外界脅迫因子十分敏感，本研究將其應用于枸杞枝條觀測。研究結(jié)果表明：低溫脅迫過程中枸杞枝條光合系統(tǒng)活性發(fā)生了變化，隨著溫度的下降和持續(xù)時間的延長，枸杞枝條基礎熒光呈上升趨勢，光能轉(zhuǎn)化率和葉綠素含量下降明顯，這與其他植物一致[26-29]，說明可以利用葉綠素熒光參數(shù)進行枸杞霜凍研究。

低溫脅迫過程中，隨著溫度的下降和低溫持續(xù)時間的延長，枸杞枝條相對電導率逐漸增加。植物原生質(zhì)膜是細胞與外界原環(huán)境聯(lián)系的界面，可有效截取各種逆境引起的損傷，低溫脅迫下枸杞枝條因細胞質(zhì)膜受損致使膜透性發(fā)生變化，細胞內(nèi)含物大量外滲，相對電導率上升，這與其他植物上變化趨勢基本一致[30-35]。本研究還發(fā)現(xiàn)低溫脅迫初期時枸杞枝條質(zhì)膜并未受到嚴重傷害，當溫度低于-4℃時，枸杞枝條相對電導率明顯升高，說明只有當溫度下降到某一界限溫度時枝條質(zhì)膜透性才顯著增大。此外，當溫度低于-4℃時，枸杞枝條、葉片等形態(tài)特征與相對電導率、葉綠素含量均開始發(fā)生明顯變化，低溫脅迫下枸杞抗寒性特征變化與相對電導率、葉綠素含量是否有相關性有待進一步深入研究。

在氣候變暖背景下春季物候總體呈提前趨勢，個別年份初霜凍過早、晚霜凍過晚的極端氣候事件成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需加強防范的災害性天氣[36-37]。實際業(yè)務中對枸杞霜凍的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，枸杞發(fā)生霜凍危害的程度與以下條件有關：一是枸杞所處的物候期，萌芽前處于休眠期，耐凍能力強。萌芽后隨著時間的延后，發(fā)生霜凍的危害越重，不僅幼芽、葉片和幼蕾受凍，嚴重者樹液流動的枝條也會受凍。二是與枸杞品種自身抗逆能力、植物營養(yǎng)水平和管理水平有關。本研究通過室內(nèi)模擬試驗對枸杞展葉期霜凍氣象指標進行了初步探討，但研究工作還存在以下不足，一是室內(nèi)霜凍模擬試驗與大田實際霜凍存在一定差別，在今后的研究中，應將室內(nèi)模擬試驗與大田栽培試驗結(jié)合，對霜凍指標進行修訂與完善；二是枸杞其他物候期的霜凍指標也需進行研究，為開展枸杞抗寒性評價和鑒定提供科學依據(jù)。