空氣濕度對(duì)富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)的影響

王 靜，李紅英，馬國(guó)飛，段曉鳳，張曉煜

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750002；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

中國(guó)是世界上蘋果種植面積最大、總產(chǎn)量最高的國(guó)家，其產(chǎn)量約占世界蘋果總產(chǎn)量的55%。富士系蘋果是中國(guó)種植最廣泛的品種，其產(chǎn)量占中國(guó)蘋果總產(chǎn)量的65%。霜凍是制約寧夏乃至中國(guó)北方特色經(jīng)濟(jì)林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。氣象因素與植物自身因素是影響植物抗寒性的關(guān)鍵因素，影響植物抗寒性的氣象因素主要包括溫度、光周期和水分等[1]。相關(guān)學(xué)者以西北地區(qū)蘋果[2-5]、梨[6]、杏[7]、巴旦木[8]、葡萄[9]等果樹為研究對(duì)象，從低溫的臨界溫度和持續(xù)時(shí)間等角度，研究了果樹春季花期遭受不同程度霜凍的指標(biāo)。也有研究采用室內(nèi)等速降溫試驗(yàn)法，通過(guò)研究生理指標(biāo)和樣品解剖形態(tài)特征與半致死溫度的關(guān)系，探尋植株器官抗寒能力差異[10]。關(guān)于霜凍發(fā)生過(guò)程中田間小氣候，尤其是空氣濕度，對(duì)霜凍指標(biāo)影響的研究鮮見報(bào)道。過(guò)冷卻點(diǎn)（super cooling point）是指生物體體液溫度下降到冰點(diǎn)以下而不結(jié)冰的現(xiàn)象，是生物體生理適應(yīng)的低溫下限，可表征生物體抵御低溫的能力[11]。相關(guān)報(bào)道最早是關(guān)于昆蟲的研究[12-13]。本研究中以富士系蘋果為研究對(duì)象，使用人工霜凍模擬箱設(shè)置一定的降溫過(guò)程和不同的濕度梯度，測(cè)定富士系蘋果花器官過(guò)冷卻點(diǎn)溫度，從而研究空氣濕度對(duì)富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)的影響，明確不同濕度條件下富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)的分布頻率，旨在為不同空氣濕度對(duì)蘋果霜凍指標(biāo)的影響研究和霜凍預(yù)報(bào)預(yù)警及影響評(píng)估提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2016—2017年，在寧夏銀川市河?xùn)|生態(tài)園藝試驗(yàn)中心開展試驗(yàn)。果園管理規(guī)范，試驗(yàn)對(duì)象為富士系蘋果，樹齡13～15 a，砧木類型為喬砧。蘋果花期，選擇樹勢(shì)、樹齡接近的富士系蘋果樹進(jìn)行田間取樣，于樹體東南西北各方向1.5和3 m高度，隨機(jī)采取20～30個(gè)蘋果枝條，每枝條約30 cm長(zhǎng)且?guī)в凶銐蚧颖荆ɑɡ俸突ǘ錁颖緮?shù)分別為200、136），置于裝滿營(yíng)養(yǎng)土的花盆中待用。花蕾判斷標(biāo)準(zhǔn)為所有花瓣可見且包裹形成一個(gè)空心的球，花朵判斷標(biāo)準(zhǔn)為所有花瓣展開，雄蕊、雌蕊和柱頭完全可見。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 濕度范圍劃分

濕度范圍的劃分主要考慮以下因素。1）2012—2015年，項(xiàng)目組布設(shè)于試驗(yàn)區(qū)的4個(gè)自動(dòng)氣象站霜凍期溫度變化規(guī)律，3 m處空氣相對(duì)濕度最低為17%～19%，最高49%～70%，1.5 m處空氣相對(duì)濕度最低約為19%，最高58%～67%。2）參照文獻(xiàn)[14]的濕度劃分方法，同時(shí)考慮濕度在降溫過(guò)程中是一個(gè)變化的過(guò)程，且霜凍發(fā)生期間的濕度對(duì)于生產(chǎn)更具有參考性。因此，綜合考慮將溫度降低至-7.0～0 ℃時(shí)的平均濕度作為霜凍發(fā)生期間低、中、高3個(gè)濕度劃分范圍，其中低濕（30%～50%）、中濕（50%～70%）和高濕（70%以上）的初始濕度為溫度降低至0 ℃時(shí)的相對(duì)濕度（表1）。

表1 不同濕度處理控制范圍 Table 1 Humidity ranges in different treatments %

1.2.2 溫度和濕度控制

采用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)的以PID調(diào)節(jié)方式控溫的MSX-2F型模擬霜箱系統(tǒng)進(jìn)行溫度和濕度的控制。該霜凍模擬箱以放置在模擬箱中心的溫度控制傳感器控制試驗(yàn)箱溫度，能夠按照預(yù)設(shè)的溫度曲線對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，控制精度為±0.5 ℃。用模擬霜箱內(nèi)40只TC-40C型熱電偶溫度傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)材料（花蕾和花朵）的溫度變化。使用加濕器和干燥劑對(duì)模擬霜箱內(nèi)濕度進(jìn)行控制。在模擬霜箱內(nèi)不同部位布設(shè)溫濕度自記儀，監(jiān)控箱內(nèi)溫濕度變化情況。

為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可對(duì)比性，每次試驗(yàn)均以4 ℃/h降溫，在0 ℃以下以1 ℃/h降溫到-10 ℃，之后自然升溫，溫度控制曲線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)期間溫濕度變化Fig.1 Changes of temperature and humidity during test

霜凍降溫過(guò)程中霜凍試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境濕度變化規(guī)律與自然過(guò)程一致，隨著溫度降低，霜箱內(nèi)飽和水汽壓降低，環(huán)境相對(duì)濕度增大。在溫度上升時(shí)，相對(duì)濕度開始降低（圖1）。

1.2.3 過(guò)冷卻點(diǎn)監(jiān)測(cè)

將傳感器探頭從下部插入花蕾或者花朵的子房部位，每枝條隨機(jī)選擇1～2個(gè)花序，每個(gè)花序優(yōu)先選擇中心花進(jìn)行過(guò)冷卻點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，利用Origin軟件進(jìn)行箱式圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)

富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)的頻率分布和累積頻率如圖2所示。由圖2可見，富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)在-6.4～-1.9 ℃，平均為-3.7 ℃。過(guò)冷卻點(diǎn)在-3.9～-3.5 ℃的頻率達(dá)29%，50%集中在-4.4～-3.5 ℃，86%集中在-4.4～-2.5 ℃。考慮到霜凍對(duì)果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，一般將受凍率30%、50%和80%分別作為輕、中、重度霜凍的臨界值[3]。由圖2可見，隨著溫度降低，過(guò)冷卻點(diǎn)累積頻率呈S型曲線分布。累積頻率達(dá)30%、50%和80%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度分別為-3.2、-3.6、-4.2 ℃。

圖2 富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)頻率分布和累積頻率Fig.2 Frequency distribution and cumulative frequency of super cooling points of Fuji apple flower

2.2 富士系蘋果花不同發(fā)育階段過(guò)冷卻點(diǎn)

霜凍發(fā)生時(shí)，同一片果園或者同一植株會(huì)同時(shí)存在已開放花和花蕾。富士系蘋果花蕾和花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)頻率分布如圖3所示。方差分析結(jié)果表明，花朵過(guò)冷卻點(diǎn)與花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)間差異顯著（P＜0.05）。由圖3可見，花朵過(guò)冷卻點(diǎn)較為集中，在-4.8～-2.5 ℃，平均為-3.8 ℃，且74%分布在-3.9～-3.0 ℃；花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)分布較分散，變異較大，在-6.4～-1.9 ℃，50%集中在-3.9～-3 ℃，80%集中在-4.4～-2.5 ℃。

圖3 富士系蘋果花蕾和花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)頻率分布Fig.3 Frequency distribution of super cooling points of flower bud and ovary in Fuji apple

2.3 空氣濕度對(duì)富士系蘋果花過(guò)冷卻點(diǎn)的影響

2.3.1 空氣濕度對(duì)富士系蘋果花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)的影響

各空氣濕度處理對(duì)富士系蘋果花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)的影響如圖4所示。由圖4可見，不同濕度處理下，富士系蘋果花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)均值和中位數(shù)表現(xiàn)一致，中濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)溫度最高，平均為-3.0 ℃，其次為低濕處理，高濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)最低，且3個(gè)處理間差異顯著（圖4）。其中低濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)較中濕處理降低0.6 ℃。

圖4 空氣濕度處理對(duì)富士系蘋果花蕾過(guò)冷卻點(diǎn)的影響 的箱式圖Fig.4 Box plot of effects of air humidity treatments on super cooling points of flower bud in Fuji apple

2.3.2 空氣濕度對(duì)富士系蘋果花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)的影響

各空氣濕度對(duì)富士系蘋果花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)的影響如圖5所示。由圖5可見，低濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)分布最為集中，在-4.3～-2.6 ℃，平均為-3.9 ℃；中濕及高濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)分布較為分散。從花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)中位數(shù)來(lái)看，低濕和高濕處理的過(guò)冷卻點(diǎn)均較低（圖5）。從過(guò)冷卻點(diǎn)均值來(lái)看，低濕、中濕、高濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)分別為-3.9、-3.5、-3.7 ℃，其中低濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)最低，且低濕與中濕處理過(guò)冷卻點(diǎn)差異顯著（P＜0.05）。說(shuō)明干燥的環(huán)境能夠降低過(guò)冷卻點(diǎn)0.4 ℃，提高植株器官抗寒性。高濕（70%以上）環(huán)境下，蘋果子房花器官過(guò)冷卻點(diǎn)與低濕處理和中濕處理無(wú)顯著性差異。

圖5 空氣濕度處理對(duì)富士系蘋果花朵子房過(guò)冷卻點(diǎn)影響 的箱式圖Fig.5 Box plot of effects of air humidity treatments on super cooling points of flower ovary in Fuji apple

3 結(jié)論與討論

本研究中以中國(guó)種植蘋果品種中面積最大的富士系蘋果為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)溫度控制試驗(yàn)，研究不同空氣濕度對(duì)富士系蘋果花器官過(guò)冷卻點(diǎn)的影響，分析其抗寒性。

過(guò)冷卻點(diǎn)是一個(gè)范圍值，富士系蘋果花的過(guò)冷卻點(diǎn)在-6.4～-1.9 ℃。隨著溫度降低，達(dá)到過(guò)冷卻點(diǎn)的累積頻率增加，溫度降低至-4.2 ℃時(shí)，累積頻率達(dá)到80%?？諝鉁囟冉档椭?4.9 ℃時(shí)，90%以上的花蕾或花朵子房達(dá)過(guò)冷卻點(diǎn)，可能會(huì)遭遇霜凍害。Proebsting等[15]使用人工培養(yǎng)箱，以一定的速度降溫至特定的值后持續(xù)30 min，所記錄蘋果花期遭受霜凍損失10%和90%的溫度分別為-2.9和-4.7 ℃，與本研究結(jié)果接近。前人研究結(jié)果表明，溫度降低至-4 ℃，持續(xù)時(shí)間在4 h以內(nèi)，富士系蘋果受凍率為80%，達(dá)到中度受凍[5]。2018年，項(xiàng)目組在霜凍過(guò)程中對(duì)21個(gè)調(diào)查點(diǎn)富士系蘋果的調(diào)查結(jié)果表明，最低溫度達(dá)到-4 ℃以下的調(diào)查點(diǎn)，67%的花蕾受凍率達(dá)80%以上，90%的全開花子房受凍率達(dá)100%?？梢姼皇肯堤O果遇-4 ℃低溫可能遭受中度以上凍害，對(duì)產(chǎn)量造成明顯影響，同時(shí)要綜合考慮持續(xù)時(shí)間的影響。

前人在關(guān)于濕度對(duì)植株抗寒性影響的研究中得出不同的結(jié)論，潮濕的葉片較易發(fā)生凍結(jié)，因?yàn)楸砻娲嬖诒藙砻嫘纬傻谋ㄟ^(guò)氣孔進(jìn)入葉面，并開始在質(zhì)外體中結(jié)冰[16]。高濕度保護(hù)植物組織免于低溫傷害，或者減輕低溫危害，特別是當(dāng)?shù)蜏爻霈F(xiàn)在夜間時(shí)[17-18]。而本研究中無(wú)論是花朵還是花蕾，中濕處理（相對(duì)濕度50%～70%）過(guò)冷卻點(diǎn)最高，抗寒性最差，低濕（相對(duì)濕度50%以下）和高濕（相對(duì)濕度大于70%）處理能夠降低過(guò)冷卻點(diǎn)，增強(qiáng)植株抗寒性，花蕾和花朵過(guò)冷卻點(diǎn)分別降低0.6、0.4 ℃?？梢娊档蜐穸群驮黾訚穸染岣吡酥仓昕购?，但影響程度不大，其影響機(jī)理還須進(jìn)一步研究。

濕度控制是本研究中的難點(diǎn)。本研究中通過(guò)控制試驗(yàn)初始濕度，并考慮濕度隨著溫度的變化而變化，按照試驗(yàn)過(guò)程中溫度降低至-6～0 ℃的平均相對(duì)濕度來(lái)劃分高、中、低濕度范圍，并且僅能將濕度控制在一定的范圍，不能精確控制。

影響生物體過(guò)冷卻點(diǎn)及抗寒性的因素較多，這些因素相互關(guān)聯(lián)共同發(fā)揮作用，如植株體含水量、植株體抗凍物質(zhì)含量、降溫速度等[19-21]。本研究中所有試驗(yàn)采用同樣的降溫過(guò)程，排除了降溫速度對(duì)過(guò)冷卻點(diǎn)的影響。同時(shí)，為了使處于不同發(fā)育階段的蘋果花監(jiān)測(cè)結(jié)果具有可比性，用于監(jiān)測(cè)過(guò)冷卻點(diǎn)的TC-40C型熱電偶溫度傳感器探頭均固定于子房部位。本研究結(jié)果得出了富士系蘋果花期子房達(dá)到過(guò)冷卻點(diǎn)即抵御低溫的溫度范圍及對(duì)不同空氣濕度的響應(yīng)，結(jié)果可為霜凍指標(biāo)的制定提供參考。在人工霜凍箱中所監(jiān)測(cè)到的環(huán)境溫度較接近植株體溫，而在指導(dǎo)霜凍防御時(shí)須考慮實(shí)際空氣溫度與植株附近溫度的差異，及自然界中的冰核活性細(xì)菌能夠提高植物的過(guò)冷卻點(diǎn)，使植物在較高的溫度下結(jié)冰而遭受霜凍，這是誘發(fā)和加重植物霜凍的重要因素[22]。在以后的研究中將充分考慮低溫持續(xù)時(shí)間及不同的溫濕度組合對(duì)植株受凍情況的影響，同時(shí)采用田間調(diào)查法根據(jù)生理指標(biāo)響應(yīng)綜合研究濕度對(duì)霜凍指標(biāo)的影響，以期為霜凍預(yù)警和評(píng)估提供參考。