低溫寡照對海南棚栽西瓜生長的影響及其災(zāi)害等級指標(biāo)

侯偉+楊福孫+李尚真等

摘要： 低溫寡照是制約海南塑料大棚栽培西瓜生長發(fā)育的主要因素。為研究低溫寡照對海南棚栽西瓜生長發(fā)育與產(chǎn)量變化規(guī)律的影響并構(gòu)建災(zāi)害等級指標(biāo)體系，基于2012、2013年連續(xù)2年冬季?？趩螌铀芰洗笈飪?nèi)外氣象資料，在災(zāi)害來臨前和影響后測定了西瓜相關(guān)生長指標(biāo)并與后期產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計分析，通過選取最低氣溫、最大降溫幅度和持續(xù)天數(shù)為致災(zāi)因子以構(gòu)建初步等級指標(biāo)體系。結(jié)果表明：（1）過程低溫伴隨著持續(xù)寡照同時出現(xiàn)，低溫寡照天氣下氣溫和太陽輻射日變幅小，棚內(nèi)最低氣溫比外界僅高出1 ℃左右。（2）低溫寡照對西瓜授粉坐瓜和膨大期影響最大，15 ℃以下低溫影響開花授粉，10 ℃以下低溫嚴(yán)重影響授粉坐瓜及瓜果膨大，易產(chǎn)生畸形瓜等變態(tài)瓜。西瓜產(chǎn)量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有緊密關(guān)系，坐瓜率越低，葉面積越小，藤蔓越細(xì)，葉綠素含量越低則產(chǎn)量就越低。（3）選取最低氣溫、最大降溫幅度和持續(xù)天數(shù)為致災(zāi)因子，并結(jié)合減產(chǎn)率將低溫寡照災(zāi)害等級劃分為輕度、中度、重度3個級別。

關(guān)鍵詞： 低溫寡照；西瓜；大棚；生長；災(zāi)害指標(biāo)

中圖分類號：S651.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0161-05

我國南方簡易塑料大棚以太陽輻射能為主要加熱能源，相比于北方而言，具有熱量資源較充足、運行成本較低的特點 [1]，但低成本的塑料大棚對自然災(zāi)害的抵制能力較差，易使溫室作物遭受到外界不利環(huán)境影響而造成傷害 [2]。對于南方冬季溫室大棚栽培的熱帶或亞熱帶作物而言，低溫寡照是限制作物生長發(fā)育的主要因子 [3]，低溫伴隨著陰雨天氣會明顯減弱作物的光合作用，造成作物在生理和形態(tài)上的損害，甚至還會嚴(yán)重影響到其產(chǎn)量和品質(zhì) [4]，低溫寡照氣象災(zāi)害已經(jīng)成為限制南方溫室大棚作物生產(chǎn)的主要障礙因素之一 [5]。

目前有關(guān)溫室大棚內(nèi)外氣象要素變化的研究較多，并建立了較多的數(shù)學(xué)預(yù)測模型 [6-9]。涉及對番茄、黃瓜等溫室作物在低溫寡照天氣下的生長發(fā)育類研究也多見報道 [10-13]，且構(gòu)建了較多的寒害災(zāi)害指標(biāo)體系 [14-15]，并最終建立了高效的日光溫室低溫預(yù)警模型 [16-18]。而有關(guān)低溫寡照影響下溫室西瓜生長發(fā)育、產(chǎn)量及等級指標(biāo)的研究則較少。Korkmaz等 [19]研究溫室西瓜在移栽過程中遭受低溫后的影響發(fā)現(xiàn)，低溫減少了植株葉面積、葉綠素含量及最終產(chǎn)量，低溫顯著延遲了開花坐瓜的時間。

西瓜原產(chǎn)熱帶非洲，是海南省重要的反季節(jié)外銷瓜菜作物之一，但由于冬季易受內(nèi)地強(qiáng)冷空氣影響而造成較長時間的低溫寡照天氣，對棚栽西瓜影響較大，致使歷年棚栽西瓜面積都維持在0.4萬hm2左右，且有減少的趨勢 [20]。本研究以海南棚栽西瓜主要品種早佳8424為試材，研究2012年冬季（2012年12月至2013年2月）、2013年冬季（2013年12月至2014年2月）低溫寡照期間大棚內(nèi)外氣象變化規(guī)律，調(diào)查棚栽西瓜在不同程度低溫寡照下的受害癥狀，測定相關(guān)生長指標(biāo)，并與后期瓜產(chǎn)量進(jìn)行顯著性分析，以期獲得低溫寡照影響下棚栽西瓜敏感生長期的耐受閾值，并最終結(jié)合2年冬季低溫寡照災(zāi)害致災(zāi)因子計算出低溫寡照綜合氣象指標(biāo)，擬構(gòu)建海南棚栽西瓜低溫寡照氣象災(zāi)害等級指標(biāo)體系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為海南冬季塑料大棚主栽西瓜品種早佳8424，采用爬地栽培方式，雙行種植，待幼苗長至4片真葉后移栽至大棚，西瓜進(jìn)行3蔓整枝，株行距設(shè)定為60 cm×250 cm（栽培方式參照海南各地的冬季西瓜種植模式）。

1.2 方法

2012、2013年冬季在?？谑徐`山鎮(zhèn)大棚西瓜栽培基地進(jìn)行試驗。采用竹架式結(jié)構(gòu)單層拱圓形塑料大棚，棚長29.6 m，寬4.4 m，高1.9 m，棚膜為PVC無滴膜，膜厚 0.08 mm，大棚開口為東西方向。試驗選定4個大棚處理，對照棚1為在2處棚口朝棚內(nèi)方向距地面0.5 m處各安置1臺功率為1 800 W的美的暖風(fēng)機(jī)（NTJ18-10S），棚頂處等距安裝8盞功率為40 W的防潮雙管日光燈，在低溫寡照天氣來臨夜間關(guān)閉棚口并運行暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行加溫，確保夜間溫度在 15 ℃ 以上（棚內(nèi)放置2個溫度計以供觀察），在白天10：00—14：00打開棚內(nèi)所有日光燈以助補(bǔ)光；對照棚2（僅供觀測）不做任何光溫處理，棚內(nèi)小氣候完全隨外界條件變化；另外選取2個處理棚進(jìn)行溫度與光照處理，棚內(nèi)各放置1臺ZG系列羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)距離地面0.5 m，功率設(shè)置為10 kW，于低溫寡照天氣下運作以構(gòu)造棚內(nèi)西瓜種植方向不同溫度梯度，并且在11：00—14：00使用遮陽網(wǎng)進(jìn)行3 h的遮陽處理。試驗所選大棚內(nèi)部均等距安置了4個光溫感應(yīng)點（距離地面04 m）以對棚內(nèi)的各氣象要素進(jìn)行連續(xù)觀測記錄，棚外同時也單獨設(shè)置了1個觀測感應(yīng)點以便同步記錄棚外實時氣象變化，氣象數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min。

對照棚和處理棚的西瓜幼苗均是進(jìn)行同期移栽，分別在2012年11月10日和2013年11月21日開始移栽，4個試驗大棚的西瓜前后進(jìn)行了4期移栽，每期相隔10 d。氣象觀測項目包括氣溫、太陽輻射、相對空氣濕度、風(fēng)速、降雨量等，日照時數(shù)取至桂林洋地區(qū)，由海南省氣候中心提供。觀測儀器由海南省氣象科學(xué)研究所提供并安置，儀器安裝按照國家氣象局地面氣象規(guī)范進(jìn)行，每分鐘自動獲取氣象數(shù)據(jù)資料。儀器采用北京中儀遠(yuǎn)大科技有限公司生產(chǎn)的RR-9200自動監(jiān)測系統(tǒng)和RR-9140自動監(jiān)測系統(tǒng)。

1.3 測定指標(biāo)

根據(jù)海南省氣候中心及時預(yù)報，在低溫寡照來臨前2 d，影響期間，升溫后2 d分別對對照棚1及2個處理棚中所標(biāo)記西瓜植株的葉面積、葉綠素含量（位于9～14節(jié)位的功能葉）、莖粗、坐瓜率及第1茬瓜產(chǎn)量進(jìn)行測定，其中每個感應(yīng)點附近隨機(jī)獲取3株西瓜，功能葉的選取盡可能避免相互遮光現(xiàn)象。功能葉葉面積采用復(fù)印稱重法 [21]測定；葉綠素含量測定使用SPAD-502型葉綠素測定儀；莖粗使用游標(biāo)卡尺測定坐瓜節(jié)位處藤蔓直徑；坐瓜率以第1次坐瓜成功率統(tǒng)計為準(zhǔn)；產(chǎn)量通過測定感應(yīng)點附近8株以上西瓜的第1茬正常瓜的產(chǎn)量并折成每667 m2的產(chǎn)量，大棚試驗測定均重復(fù)3次。在低溫寡照災(zāi)害影響后對西瓜藤蔓生長、葉片狀態(tài)、開花授粉、瓜果膨大等情況展開田間調(diào)查。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析低溫寡照過程的最低氣溫、最大降溫幅度和持續(xù)天數(shù)3個致災(zāi)因子與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系，分析其相互間的關(guān)系。利用主成分分析方法對多個致災(zāi)因子進(jìn)行最優(yōu)組合與簡化，以作為棚栽西瓜低溫寡照氣象災(zāi)害的綜合氣候指標(biāo)。數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行計算處理并繪制圖表，使用SAS 9.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季大棚內(nèi)外氣溫與日照時數(shù)分析

2012、2013年對海口冬季對照棚2（觀測棚）內(nèi)外氣溫與日照時數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，棚內(nèi)外最高氣溫與當(dāng)天日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而最低氣溫極小值的出現(xiàn)與寡照的累積量有關(guān)（圖1）。說明日照充足可迅速提升當(dāng)天的氣溫，而過程低溫是伴隨著持續(xù)寡照同時出現(xiàn)的，寡照天氣明顯縮短了棚內(nèi)外的氣溫日較差值。2012、2013年2個冬季，?？诔霈F(xiàn)的低溫寡照天氣影響均以1月份最為嚴(yán)重，且全年極端最低氣溫均出現(xiàn)在1月中旬左右，此時正是海南大棚栽培西瓜最敏感的坐瓜期和膨大期，長期的低溫寡照天氣直接影響到西瓜的最終產(chǎn)量與品質(zhì)，故1月份的低溫寡照天氣應(yīng)是海南棚栽西瓜種植戶重點防范的不利氣象災(zāi)害。

2 2 不同天氣條件下大棚內(nèi)外氣溫和太陽輻射日變化分析

按氣象上日照量分類標(biāo)準(zhǔn)，即日照百分率S≥60%、20%

通過對不同天氣太陽輻射量分析可知：（1）晴天08：00棚內(nèi)外太陽輻射開始增強(qiáng)，其最大輻射量均在14：00左右出現(xiàn)，而在17：00大幅下降，棚內(nèi)外的輻射差異大，太陽輻射增大是造成當(dāng)日氣溫升高及相對空氣濕度降低的主要原因。（2）少云-多云天氣太陽輻射同樣在08：00開始上升，而在12：00—14：00輻射量增幅減緩，棚內(nèi)外最大輻射在15：00左右出現(xiàn)，說明少云-多云天氣太陽輻射變動異常，相比晴天而言，輻射量有所減少。（3）寡照天氣太陽輻射平穩(wěn)上升，棚內(nèi)外最大輻射量在13：00左右出現(xiàn)，往后開始劇烈下降，棚內(nèi)外輻射差異較小，太陽輻射量大幅減少（表1）。

2 3 低溫寡照下各處理棚之間氣溫與太陽輻射變化規(guī)律

參考蔡德存等的低溫寡照標(biāo)準(zhǔn) [23]，并鑒于低溫寡照天氣對西瓜生長的影響調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修訂，定義為每天日照時 數(shù)≤3 h 為陰天，連續(xù)5個陰天為1個低溫寡照過程。由表2可知，對照棚1在低溫寡照持續(xù)期間經(jīng)過暖風(fēng)機(jī)夜間加溫和正午的日光燈補(bǔ)光之后，最低氣溫和太陽輻射量均大于其他各個處理棚，其中最低氣溫均在15 ℃以上，而最大降溫幅度相比其他大棚較小。對照棚2（觀測棚）在2年的低溫寡照過程中最低氣溫均維持在13 ℃左右，僅比外界高出1 ℃左右，且外界僅有76 3%的太陽輻射量能夠到達(dá)棚內(nèi)，這表明了海南冬季大棚的保溫效果和透光率并不理想。2個處理棚在低溫寡照過程中最低氣溫均達(dá)到了12 ℃以下，且最大降溫幅度為4 ℃左右，均大于對照棚和外界環(huán)境，相比正常大棚而言，遮陽網(wǎng)的覆蓋消減了45 2%左右的太陽輻射量（表2）。

2 3 低溫寡照對西瓜生長的影響

2012—2013年從12月開始海南溫室大棚便開始受到低溫寡照的影響，該月是西瓜伸蔓及開花授粉的重要時期，夜間最低氣溫可降至15 ℃以下。2年調(diào)查結(jié)果均發(fā)現(xiàn)15 ℃以下低溫致使西瓜藤蔓生長緩慢，葉片數(shù)減少，節(jié)間變長，甚至可造成部分老葉提前萎蔫，并對西瓜開花有一定延遲影響。1月是海南大棚西瓜最易受到低溫寡照影響的月份，極端最低氣溫可降至7 ℃左右，調(diào)查發(fā)現(xiàn)多數(shù)葉片大面積黃化干枯，莖尖生長點開始軟化，并有封頂現(xiàn)象。1月是海南棚栽西瓜授粉坐瓜及膨大的關(guān)鍵時期，長時間低溫寡照天氣易導(dǎo)致花粉劣質(zhì)，授粉坐瓜困難，瓜不易膨大，且后期易產(chǎn)生僵瓜、畸形瓜、空心瓜等變態(tài)瓜，對西瓜產(chǎn)量和外觀品質(zhì)影響最大。2月份低溫寡照災(zāi)害影響有所減弱，若該月采收西瓜期間遭遇低溫寡照天氣則會推遲西瓜上市，嚴(yán)重的會影響到西瓜的品質(zhì)。

2年試驗調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，15 ℃以下低溫持續(xù)5 d以上會明顯減緩西瓜莖葉生長速率，且會影響到花粉和子房發(fā)育形成；8～13 ℃的低溫持續(xù)9 d以上則會造成西瓜莖葉明顯損傷，包括葉片黃化、萎蔫及封頂現(xiàn)象，對授粉坐瓜及西瓜膨大有較大影響；7～12 ℃低溫若持續(xù)超過12 d則會直接造成西瓜葉片的大面積死亡，花粉質(zhì)量劣質(zhì)，不易授粉坐瓜，后期的畸形瓜、空心瓜等變態(tài)瓜數(shù)量大幅增加（表3）。

2 4 低溫寡照下西瓜生長指標(biāo)與產(chǎn)量相關(guān)性分析

低溫寡照影響前后分別計算出西瓜葉面積、葉綠素含量、莖粗的相對增量（低溫寡照影響后生長指標(biāo)相對影響前的日均增長量），以夜間溫度不低于15 ℃的對照棚西瓜莖葉生長情況進(jìn)行比較，并結(jié)合相應(yīng)的低溫寡照災(zāi)害氣象條件進(jìn)行分析后得出（表4），15 ℃以下低溫持續(xù)5 d以上對西瓜坐瓜期葉面積、葉綠素含量、莖粗、坐瓜率及產(chǎn)量影響顯著，可直接造成西瓜減產(chǎn)近20%；西瓜坐瓜期遭遇8 ℃的極端低溫，并持續(xù)9 d以上在13 ℃以下低溫同樣顯著抑制了各項生長指標(biāo)，可造成西瓜30%以上減產(chǎn)；若極端低溫達(dá)到7 ℃，且12 ℃以下低溫持續(xù)13 d以上則對各項生長指標(biāo)產(chǎn)生更大抑制，此時可致使西瓜減產(chǎn)40%以上。隨著低溫的加重及持續(xù)時間的延長，西瓜各項生長指標(biāo)增量逐漸下降，這表明低溫的持續(xù)顯著抑制了西瓜的生長并最終導(dǎo)致嚴(yán)重傷害。

由西瓜生長指標(biāo)與第1茬瓜產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果（表5）可以看出，低溫寡照條件下西瓜各項生長指標(biāo)與產(chǎn)量有顯著的相關(guān)性。葉面積增量和坐瓜率與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)最高，均達(dá)到90%以上，而莖粗增量和葉綠素增量與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)也表現(xiàn)較高，均高于75%。這說明低溫寡照影響下西瓜產(chǎn)量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有密切關(guān)系。西瓜植株坐瓜率越低，葉片面積越小，藤蔓越細(xì)，葉綠素含量越低，則西瓜的產(chǎn)量也就越低。

2 5 災(zāi)害等級指標(biāo)

通過計算低溫寡照天氣極端最低氣溫、最大降溫幅度、持續(xù)天數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)得出，低溫寡照影響下3種致災(zāi)因子之間的相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到了0 05的顯著水平（表6），這表明致災(zāi)因子之間不是孤立存在的，而是相互影響的。

由于3個致災(zāi)因子之間相關(guān)性顯著，為避免存在信息上的重復(fù)分析，故利用主成分分析法對3個致災(zāi)因子進(jìn)行簡化，以期簡化后的指標(biāo)能較好地反映出原來指標(biāo)的主要信息?，F(xiàn)對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)化處理（最低氣溫取最小值），計算其協(xié)方差矩陣，并求出協(xié)方差矩陣的特征根λ、特征向量[WTHX]ν[WTBX]及累計方差貢獻(xiàn)率G（p）。

作為原來3個致災(zāi)因子的綜合指標(biāo)。

HI=-0 600 6X1+0 623 3X2+0 500 7X3。

由上式可知，低溫寡照持續(xù)過程中極端最低氣溫X1越低，最大降溫幅度X2越大，持續(xù)天數(shù)X3越長，則對氣候綜合指標(biāo)HI的貢獻(xiàn)也就越大，它們對綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)分別為-0 600 6、0 623 3和0 500 7。將表3中相應(yīng)的氣象條件帶入綜合氣候指標(biāo)，并將產(chǎn)量折算為減產(chǎn)率則可以得出海南棚栽西瓜早佳8424的低溫寡照氣象災(zāi)害等級指標(biāo)體系（表7）。依據(jù)氣候綜合指標(biāo)值，將?？谂镌晕鞴系蜏毓颜諝庀鬄?zāi)害劃分為輕度、中度、重度3個等級，隨著綜合指標(biāo)值的增大，西瓜受災(zāi)級別和減產(chǎn)率也在同步增加。

3 結(jié)論

本研究以海南棚栽西瓜主要品種早佳8424為試材，探討了2012、2013年冬季低溫寡照期間大棚內(nèi)外氣象變化規(guī)律，調(diào)查了棚栽西瓜在不同程度低溫寡照下的受害癥狀，測定了相關(guān)生長指標(biāo)，并與后期瓜產(chǎn)量進(jìn)行了顯著性分析，獲得低溫寡照影響下棚栽西瓜敏感生長期的耐受閾值，并最終結(jié)合2年冬季低溫寡照災(zāi)害致災(zāi)因子計算出了低溫寡照綜合氣象指標(biāo)，構(gòu)建了海南棚栽西瓜低溫寡照氣象災(zāi)害等級指標(biāo)體系。這對有效利用大棚增溫作用，高效進(jìn)行大棚作物生產(chǎn)，開展冬季低溫寡照氣象災(zāi)害評估、區(qū)劃及監(jiān)測預(yù)警有一定的參考價值。

海南冬季氣溫與日照時數(shù)呈正相關(guān)，日照數(shù)多、光照充足可快速提高當(dāng)天氣溫，而低溫的出現(xiàn)往往伴隨著寡照。棚內(nèi)最低氣溫較之棚外而言僅高出1 ℃左右，大棚保溫和透光的效果并不理想，這也說明南方塑料大棚保溫的局限性 [24]。晴天條件棚內(nèi)低溫在18 ℃以上，而高溫能達(dá)到40 ℃以上，故正午需提前開棚通風(fēng)降低氣溫和濕度。低溫寡照天氣棚內(nèi)低溫一般在15 ℃以下，日照數(shù)與輻射量均偏少，全天相對空氣濕度在85%以上。?？诘靥師釒В嗄陿O端最低氣溫維持在79 ℃左右 [25]，屬偏低溫范疇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用的簡易塑料大棚難以抵抗低溫寡照天氣的危害，這也是?？跉v年來氣象災(zāi)害造成農(nóng)業(yè)損失不斷上升的原因之一。

有研究認(rèn)為，西瓜生長適宜溫度為20～32 ℃，上限與下限氣溫分別為35 ℃與18 ℃ [26]，15 ℃以下生長受阻，10 ℃以下停止生長，西瓜寒害溫度為≤5 ℃ [27-28]。本研究認(rèn)為，西瓜不同生長發(fā)育期對低溫寡照災(zāi)害耐受程度不同，伸蔓期西瓜能忍受較強(qiáng)的低溫寡照災(zāi)害，10 ℃以上短期低溫對其影響不大，授粉坐瓜及膨大期對低溫寡照最為敏感，15 ℃以下低溫持續(xù)5 d以上就可影響西瓜開花授粉，而10 ℃以下低溫在相當(dāng)大的程度上影響了西瓜的坐瓜率及瓜膨大速率。低溫寡照天氣西瓜產(chǎn)量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有緊密的關(guān)系。

選定最低氣溫、最大降溫幅度、持續(xù)天數(shù)為低溫寡照災(zāi)害致災(zāi)因子，由于這3個致災(zāi)因子之間的相關(guān)性明顯，故對其進(jìn)行了綜合簡化并得到綜合氣候指標(biāo)，其中最低氣溫、最大降溫幅度和持續(xù)天數(shù)對綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)相當(dāng)，表明此3個致災(zāi)因子均能較好地代表低溫寡照的危害程度。

本次研究的結(jié)果可為西瓜農(nóng)業(yè)設(shè)施生產(chǎn)，低溫寡照災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與災(zāi)損評估提供有用參考，但部分結(jié)論還需進(jìn)行更長時間的觀測調(diào)查和統(tǒng)計分析進(jìn)行驗證。

致謝：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院詹園鳳、黨選民研究員對試驗提供寶貴意見，海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院楊重法教授對論文寫作提出寶貴意見，在此致以最誠摯的謝意。

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