黃土高原晚霜?dú)鉁刈兓叭鹧┨O果花抗凍性研究

蔡敏,樊娟,閆雷玉,黃麗鵬,趙政陽,孫魯龍*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院,陜西楊凌 712100;2.承德市中藥材綠色生態(tài)種植技術(shù)服務(wù)中心,河北承德 067000)

近年來,隨著全球氣候變化加劇,區(qū)域性春季霜凍災(zāi)害發(fā)生的概率顯著提高[1-3]。霜凍已經(jīng)成為影響西北黃土高原蘋果產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。加強(qiáng)對蘋果花期霜凍害及蘋果花期抗霜凍機(jī)理的研究越來越迫切。

瑞雪是西北農(nóng)林科技大學(xué)以秦富1號、粉紅女士做親本雜交選育的優(yōu)質(zhì)晚熟黃綠色蘋果,于2019年通過國家林業(yè)和草原局林木品種審定委員會審定,近年來受到種植者和消費(fèi)者的廣泛喜愛,目前正在黃土高原產(chǎn)區(qū)迅速推廣。研究黃土高原花期霜凍對瑞雪蘋果可能產(chǎn)生的影響,對該品種的規(guī)范引種、合理布局以及科學(xué)栽培具有重要意義。本研究對黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)內(nèi)近年來發(fā)生的霜凍天氣進(jìn)行了溫度監(jiān)測,分析了自然霜凍天氣的降溫速度、低溫極限、升溫速度等特征參數(shù),形成了可用于實驗室環(huán)境下的蘋果花期霜凍模擬條件,采用建立的模擬霜凍條件對瑞雪蘋果花進(jìn)行低溫處理,初步了解了瑞雪蘋果花的抗凍性。

1 試驗材料與方法

1.1 氣溫監(jiān)測與分析

試驗于2018年4月至2020年4月在西北農(nóng)林科技大學(xué)白水蘋果試驗示范站(東經(jīng)109°32′49″,北緯35°12′27″)及西北農(nóng)林科技大學(xué)甘肅慶城蘋果試驗示范站(東經(jīng)107°54′56″, 北緯36°0′13″)進(jìn)行。兩地海拔分別為829 m、1 285 m。溫濕度記錄儀(杭州路格,L92-1)的探頭固定在行間離地面2 m高處,數(shù)據(jù)記錄間隔為10 min。

對監(jiān)測的春季霜凍天氣過程中的氣溫進(jìn)行分析,從降溫前當(dāng)日最高溫度開始,到當(dāng)次霜凍期間氣溫恢復(fù)到最高為止,將霜凍天氣過程分為降溫、低溫維持以及回溫階段,對降溫、回溫階段進(jìn)行回歸分析,擬合出降溫、回溫方程,記錄降溫期間的最低溫度及持續(xù)時間等參數(shù),最終構(gòu)建出可用于室內(nèi)模擬霜凍的控制條件。

1.2 低溫處理

試驗材料為5年生瑞雪蘋果,基砧為新疆野蘋果,中間砧為M26。2021年春季采集瑞雪蘋果花序(帶1 cm左右枝,剪口蠟封,避免失水)在高低溫濕熱測試箱(蘇州智河環(huán)境試驗設(shè)備有限公司)中進(jìn)行模擬霜凍處理,檢驗?zāi)M霜凍條件對瑞雪蘋果中心花和邊花的傷害能力以及不同花朵的抗凍性。用于試驗的花在開放之前提前篩選并標(biāo)記,要求花朵在進(jìn)行處理前開放時間為10～12 h。每種花在進(jìn)行處理時每次重復(fù)至少選用15朵,重復(fù)3次。霜凍處理結(jié)束后,統(tǒng)計花柱受凍褐變的情況,認(rèn)為發(fā)生花柱褐變的花為受凍花,凍害程度按以下公式計算:

R=n/N×100

R為中心花或邊花受凍花柱的比例(%);

n為受凍花柱的總數(shù)目,N為處理花柱總數(shù)目。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019數(shù)據(jù)預(yù)處理,采用Origin 9.1進(jìn)行作圖及回歸曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田霜凍天氣的溫度變化規(guī)律

2018年春季,白水示范站發(fā)生1次霜凍(4月6～7日)、慶城示范站發(fā)生2次霜凍(4月5～6日、4月6～7日),2020年春季白水示范站發(fā)生1次霜凍(4月23～24日)。圖1顯示了霜凍過程中氣溫的變化情況。4次花期霜凍發(fā)生時的氣溫變化具有較為明顯的規(guī)律性。其中,白水2018年4月6～7日霜凍(圖1a)與慶城2018年4月6～7日霜凍(圖1c)溫度變化規(guī)律相似,而白水2020年4月23～24日霜凍(圖1b)與慶城2018年4月5～6日霜凍(圖1d)溫度變化規(guī)律相似。為便于分析,本研究將白水2018年4月6～7日霜凍與慶城2018年4月6～7日霜凍溫度變化定為Ⅰ型,將慶城2018年4月5～6日霜凍與白水2020年4月23～24日霜凍溫度變化定為Ⅱ型。

圖1 田間霜凍發(fā)生過程中溫度的變化

對于Ⅰ型(圖1a,圖1c),24 h內(nèi)氣溫的變化可以劃分為降溫和回溫2個階段。降溫過程主要發(fā)生在夜間到清晨。白水2018年4月6～7日霜凍的降溫階段為22∶00～6∶00,歷經(jīng)8 h,溫度從11.1 ℃降到-3.2 ℃;慶城2018年4月6～7日霜凍的降溫階段為7日2∶50～6∶40,歷經(jīng)3 h 50 min,溫度從6.37 ℃降到-4.33 ℃。降溫階段初始溫度平均值為8.74 ℃,降溫階段最低溫度平均值為-3.77 ℃?；販剡^程發(fā)生在早晨到當(dāng)天下午。白水2018年4月7日回溫發(fā)生在6∶00～17∶00,慶城2018年4月7日回溫發(fā)生在7∶00～16∶50,分別經(jīng)歷11 h和9.8 h,氣溫回升到15.50 ℃和16.05 ℃,回溫平均值為15.78 ℃。

對于Ⅱ型(圖1b,圖1d),24 h內(nèi)氣溫的變化可以劃分為預(yù)降溫、降溫和回溫3個階段。Ⅱ型的預(yù)降溫發(fā)生在傍晚到夜間。白水2020年4月23日、慶城2018年4月5日的預(yù)降溫時段分別為16∶41～01∶41和16∶10～01∶20,分別歷經(jīng)9 h和9 h 10 min,溫度從白天的最高氣溫25 ℃和10.77 ℃開始降到7.4 ℃和3.53 ℃。Ⅱ型降溫階段主要發(fā)生在夜間到次日清晨。白水2020年4月23～24日霜凍的降溫階段為24日01∶41～5∶31,歷經(jīng)3 h 50 min,溫度從7.4 ℃降到-1.2 ℃;慶城2018年4月5～6日霜凍的降溫階段為6日01∶20～7∶00,歷經(jīng)5 h 40 min,溫度從3.53 ℃降到-1.56 ℃。Ⅱ型降溫階段起始溫度平均值為5.47 ℃,最低溫度平均值為-1.38 ℃。回溫階段發(fā)生在次日早晨到下午。白水于24日5∶31～16∶01回溫,慶城于4月6日5∶47～13∶47回溫,分別歷經(jīng)10.5 h和8 h,氣溫分別回升到26.2 ℃和6.37 ℃,回溫平均值為16.3 ℃。

2.2 田間霜凍天氣降溫速度

對田間霜凍降溫階段氣溫的變化與時間進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),4次霜凍降溫過程的降溫速度都比較均勻,且比較接近(圖2)。降溫階段氣溫隨時間的變化可以用線性模型進(jìn)行擬合。

圖2 田間霜凍天氣降溫過程氣溫與時間的回歸分析

根據(jù)擬合的線性方程斜率可以算出,Ⅰ型(圖2a,圖2c)的降溫速度分別為1.13 ℃/h,1.25 ℃/h,平均值為1.19 ℃/h;Ⅱ型(圖2b,圖2d)的降溫速度為2.18 ℃/h和0.91 ℃/h,平均值為1.55 ℃/h。Ⅰ型的降溫速度略小于Ⅱ型的降溫速度。

2.3 田間霜凍天氣溫度回升速度

田間霜后氣溫從最低溫回升過程中,氣溫與時間存在線性回歸關(guān)系(圖3)。回歸直線的斜率反映了氣溫的回升速度。

圖3 田間霜凍天氣溫度回升過程氣溫與時間的回歸分析

Ⅰ型(圖3a,圖3c)霜后氣溫回升速度分別為3.61 ℃/h和2.32 ℃/h,平均值為2.97 ℃/h;Ⅱ型(圖3b,圖3d)霜后氣溫回升速度分別為4.43 ℃/h和0.98 ℃/h,平均值為2.71 ℃/h。Ⅰ型的霜后回溫速度要大于Ⅱ型的霜后回溫速度。

2.4 蘋果花期霜凍模擬條件的建立

綜合前面的結(jié)果及相關(guān)研究[4],最終確定兩種可用于蘋果花期霜凍研究的模擬條件。

Ⅰ型模擬條件為:30 min內(nèi),氣溫從室溫(20 ℃)降到9 ℃,之后以1.2 ℃/h的速度降到-4 ℃,在-4 ℃維持2 h,再以3 ℃/h的速度回升到16 ℃,霜凍處理結(jié)束。

Ⅱ型模擬程序為:30 min內(nèi),氣溫從室溫(20 ℃)降到5.5 ℃,之后以1.6 ℃/h的速度降到-1.4 ℃,在-1.4 ℃維持2 h,再以2.7 ℃/h的速度回升到16 ℃,霜凍處理結(jié)束。

2.5 瑞雪蘋果花抗凍性分析

采用建立的兩種霜凍模擬條件,對瑞雪蘋果完全開放的中心花和邊花進(jìn)行霜凍處理,霜凍處理后檢查中心花和邊花花柱的受凍情況。結(jié)果表明,在Ⅰ型模擬條件(最低溫-4 ℃,持續(xù)2 h)下,瑞雪蘋果中心花和邊花的花柱均遭受嚴(yán)重的凍害(圖4a, 4c),中心花的花柱受凍比例高達(dá)66.67%,邊花花柱的受凍比例率接近50%,中心花花柱的抗凍能力顯著低于邊花花柱的抗凍能力。在Ⅱ型模擬條件下(最低溫-1.4 ℃,持續(xù)2 h),瑞雪蘋果中心花和邊花的花柱均未出現(xiàn)凍害褐變現(xiàn)象(圖4b, 4d)。

圖4 瑞雪蘋果花霜凍處理后表現(xiàn)

3 小結(jié)與討論

一般認(rèn)為霜凍根據(jù)降溫特點(diǎn)可以分為平流霜凍、輻射霜凍及混合霜凍[5],平流霜凍由冷空氣入侵引起氣溫降低,降溫程度較大(-3～-5 ℃),持續(xù)時間長;輻射霜凍由夜間輻射散熱導(dǎo)致氣溫降低,降溫程度較小(-1～-2 ℃),持續(xù)時間較短;混合型霜凍則由冷空氣入侵和輻射散熱共同導(dǎo)致降溫。對于黃土高原中低海拔蘋果產(chǎn)區(qū)(如白水)而言,一年中春季花期霜凍類型較為單一,而對于高海拔產(chǎn)區(qū)(如慶城)而言,春季花期霜凍類型很可能不止一種,且平流型霜凍出現(xiàn)的幾率較大,極易造成嚴(yán)重的花期凍害,使高海拔地區(qū)預(yù)防蘋果花期凍害較為困難。

雖然黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)輻射型霜凍降溫速度較快,但其降溫后最低溫度卻略高于平原地區(qū),其回溫速度則顯著慢于平原地區(qū),而回溫后的最高溫則與平原地區(qū)接近,這可能與黃土高原較深厚的土層有關(guān)。綜上而言,黃土高原地區(qū)輻射型霜凍在降溫速度、最低溫、升溫速度三方面有著與平原地區(qū)截然不同的特點(diǎn),對于其他蘋果產(chǎn)區(qū)以及其他物種,在進(jìn)行人工模擬輻射霜凍時要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H監(jiān)測的溫度適當(dāng)調(diào)整。

黃土高原地區(qū)降溫階段多在后半夜到清晨之間,而平原地區(qū)霜凍降溫過程多在前半夜至次日清晨,且其降溫時間長于黃土高原地區(qū),這可能與黃土高原地區(qū)海拔高濕度低,水汽對降溫的緩沖作用較弱有關(guān)。白水站霜凍降溫階段的起止時間與慶城站類似,表現(xiàn)出高原地區(qū)霜凍降溫階段的共性。在降溫速度方面,黃土高原地區(qū)的4次霜凍降溫過程與平原地區(qū)類似,均為線性降低,降溫速度的平均值為1.40 ℃/h,白水兩次霜凍的降溫速度的平均值為1.66 ℃/h,慶城兩次霜凍的降溫速度的平均值為1.08 ℃/h,均高于平原地區(qū)霜凍的降溫速度0.75 ℃/h,白水霜凍降溫速度略快于慶城。在降溫階段的溫度最低值方面,黃土高原地區(qū)四次霜凍最低溫度平均值為-2.57 ℃,白水站霜凍最低溫平均值為-2.2 ℃,慶城站霜凍最低溫平均值為-2.95 ℃,均低于平原地區(qū)的霜凍低溫平均值(-1.93 ℃),表明高原地區(qū)霜凍最低溫較平原地區(qū)嚴(yán)重,海拔越高霜凍脅迫越嚴(yán)重。

本研究發(fā)現(xiàn),黃土高原地區(qū)的4次霜凍回溫過程與平原地區(qū)類似。4次霜后氣溫回升速度的平均值為2.84 ℃/h,低于平原地區(qū)霜后回溫速度4.73 ℃/h,白水站兩次霜后回溫速度的平均值為4.02 ℃/h,慶城站兩次霜后回溫速度的平均值為1.65 ℃/h,海拔越高霜后回溫速度越慢。一些研究探索了霜凍過程中光照、光強(qiáng)等環(huán)境因子的變化及其對植物霜后表現(xiàn)的影響[6-8]。然而,由于春季霜凍對蘋果的危害主要體現(xiàn)在花器官方面,而遭受霜凍低溫傷害的組織無論是否經(jīng)過霜后光照處理均會發(fā)生褐化,最終干枯。因此,在本研究中并未對霜后的光照條件進(jìn)行監(jiān)測與模擬,這與其他物種上的研究存在一定差異。

根據(jù)自然霜凍天氣模擬的低溫處理條件可以有效檢測出瑞雪蘋果花的抗凍性。從研究結(jié)果可以看出,在Ⅱ型模擬條件下(最低溫-1.4 ℃,持續(xù)2 h),不論中心花還是邊花,花柱均未出現(xiàn)受凍褐變的跡象,這表明,瑞雪蘋果的花具有一定程度的抗霜凍能力,溫度不低于-1.4 ℃的短期低溫霜凍仍是較為安全的。然而在Ⅰ型模擬條件(最低溫-4 ℃,持續(xù)2 h)下,即便是短時間的低溫處理,亦可造成至少近50%的花柱凍傷,未表現(xiàn)出褐變的花柱或在后期生長過程中因遭遇過低溫的影響下授粉不良,加上生理落花、落果的影響,當(dāng)年蘋果的產(chǎn)量、商品率嚴(yán)重下降。因此,當(dāng)花期氣溫低于-4 ℃時,瑞雪蘋果需要采取一定的防凍措施。

從研究結(jié)果可以看出,瑞雪蘋果中心花和邊花的抗凍能力存在較大差異。霜凍氣溫在-4 ℃時,邊花花柱的凍害比例近50%,而中心花花柱的凍害比例則遠(yuǎn)高于50%。因此可以推測,邊花花柱的半致死溫度大概為-4 ℃,而中心花花柱的半致死溫度為-1.4～-4 ℃,即邊花的抗凍能力要好于中心花,但還需要進(jìn)一步的試驗驗證。