寧夏玉米苗期霜凍指標(biāo)試驗(yàn)研究

馬國飛，姜琳琳，李 陽，徐 青

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750002）

春季晚霜凍是我國主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，在我國北方特別是東北和西北地區(qū)最為嚴(yán)重[1-3]。在氣候變化背景下，春季晚霜凍呈現(xiàn)高頻率、高強(qiáng)度的發(fā)生狀態(tài)，特別是自20世紀(jì)80年代以后，寧夏春季晚霜凍發(fā)生頻率和發(fā)生強(qiáng)度明顯增加[4-5]。

近年來，有關(guān)霜凍對(duì)農(nóng)業(yè)的影響研究主要集中在枸杞[6-7]、梨[8-9]、蘋果[10-11]、釀酒葡萄[12-13]等經(jīng)濟(jì)林果的萌芽、開花和幼果等方面，這為特色作物霜凍災(zāi)害防御提供了科學(xué)依據(jù)。從已有研究來看，農(nóng)作物如小麥、玉米等霜凍指標(biāo)的研究報(bào)道較少。在氣候變暖背景下，作物生育期延長，發(fā)育期提前，作物遭受霜凍的影響概率增大[14]，春季晚霜凍對(duì)小麥、玉米等農(nóng)作物的影響開始受到研究人員的關(guān)注。王海梅等[15]研究了內(nèi)蒙古臨河主栽玉米品種幼苗霜凍指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)玉米幼苗全部致死的最低溫度為-5℃，并且不同葉齡期幼苗的抗凍能力存在一定差異。黃成秀等[16]通過大田分期播種試驗(yàn)得出臨夏玉米霜凍指標(biāo)，認(rèn)為適當(dāng)延遲玉米播期能夠在很大程度上避開霜凍高發(fā)階段，降低玉米幼苗霜凍風(fēng)險(xiǎn)概率。夏權(quán)等[17]根據(jù)霜凍強(qiáng)度與玉米凍害程度建立了以逐時(shí)負(fù)地積溫與日最低地溫為指標(biāo)的玉米霜凍凍害等級(jí)，并在應(yīng)用中取得了較好效果。這些研究成果為進(jìn)一步探索玉米苗期霜凍指標(biāo)，開展霜凍災(zāi)害防御提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

本試驗(yàn)利用人工霜凍模擬系統(tǒng)研究不同低溫環(huán)境條件下玉米受凍狀況，分析不同低溫強(qiáng)度對(duì)玉米的影響，確定玉米苗期霜凍指標(biāo)，以期為寧夏玉米苗期霜凍災(zāi)害防御工作提供精確的技術(shù)支持和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

在寧夏永寧農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地選取地勢平坦的田塊，以5 d為間隔期進(jìn)行分期播種育苗，每次育苗播種2行約300株。待幼苗長至3～4葉時(shí)，在試驗(yàn)前3天將玉米幼苗移栽至d=15 cm、h=20 cm的花盆中（每盆移植3株），放置到室外自然環(huán)境下煉苗。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的MSX-2F型霜凍模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)40個(gè)熱電偶溫度傳感器，每只傳感器按照10 s的時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，監(jiān)測試驗(yàn)材料的溫度變化。系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定好的降溫曲線模擬霜凍過程，溫度精度為±0.5℃[18]。

1.3 研究方法

1.3.1 霜凍模擬試驗(yàn)霜凍模擬試驗(yàn)有2項(xiàng)。第1項(xiàng)為玉米幼苗過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)試驗(yàn)。每次選取40株樣品，放置在模擬霜箱中，使熱電偶傳感器貼近玉米莖，試驗(yàn)共重復(fù)3次。根據(jù)寧夏4月下旬至5月上旬霜凍天氣過程的降溫幅度及持續(xù)時(shí)間，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料，以-8.0℃作為最低氣溫下限溫度指標(biāo)開展試驗(yàn)[4—5，19]。

第2項(xiàng)模擬試驗(yàn)為玉米幼苗霜凍指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)低溫處理為-5.0～-1.0℃，以0.5℃為間隔，分別開展不同溫度梯度持續(xù)0.5、1.0、1.5、2.0 h霜凍模擬試驗(yàn)。為確保降溫與實(shí)際霜凍過程相似，試驗(yàn)開始前先將霜箱內(nèi)溫度控制在10～12℃，此后按照2～3℃/h的速度將箱內(nèi)溫度降至0℃，隨后以0.5℃/h的速度降至處理溫度，待處理溫度、持續(xù)時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)要求后，緩慢升溫直至與降溫前初始溫度相近。

1.3.2 霜凍判別標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)束24 h后統(tǒng)計(jì)玉米幼苗受凍情況，3 d后補(bǔ)充觀測植株死亡或恢復(fù)情況。幼苗受凍程度劃分如下。未受凍：葉、莖均正常；輕度受凍：1～2片葉受凍，2～3 d后能自然恢復(fù)，少量幼苗莖受凍，造成植株死亡；中度受凍：2～3片葉受凍，常溫下呈水漬狀，約3 d后新葉長出，莖受凍數(shù)量明顯增加，且無法恢復(fù)，植株死亡；重度受凍：葉、莖全部受凍，植株死亡。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米幼苗過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)溫度

玉米幼苗過冷卻點(diǎn)的頻率分布和累積頻率如圖1所示。由圖1可知，玉米幼苗過冷卻點(diǎn)在-7.3～-2.8℃，平均為-5.0℃。過冷卻點(diǎn)為-4.9～-4.0℃的累積頻率達(dá)到42.8%，在-5.9～-5.0℃的累積頻率為27.4%。隨著溫度的降低，過冷卻點(diǎn)累積頻率呈S形曲線分布。

圖1 玉米幼苗過冷卻點(diǎn)頻率分布和累積頻率

研究中通常用過冷能力反映植物體組織抗寒能力的強(qiáng)弱[18]。過冷能力用結(jié)冰點(diǎn)與過冷卻點(diǎn)溫度之差表示，溫度差（即溫度的“躍升值”）越大，組織的過冷能力越強(qiáng)。本試驗(yàn)表明，玉米幼苗結(jié)冰點(diǎn)為-3.8～-2.0℃，平均為-2.5℃，過冷能力為0.3～5.1℃，平均為2.5℃，這說明玉米幼苗存在個(gè)體抗寒能力差異較大的情況（表1）。

表1 玉米幼苗過冷卻點(diǎn)、結(jié)冰點(diǎn)及過冷能力對(duì)比 ℃

2.2 不同強(qiáng)度低溫及其持續(xù)時(shí)間對(duì)玉米幼苗的影響

室內(nèi)模擬試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，玉米在低溫影響下，葉片最先受凍，這說明葉的耐寒性低于莖，當(dāng)1～3片葉全部受凍而莖未受凍時(shí)，在正常溫度環(huán)境下約3 d莖長出新葉，而當(dāng)莖受凍時(shí)，則會(huì)直接導(dǎo)致玉米死亡。隨著低溫強(qiáng)度和低溫持續(xù)時(shí)間的變化，玉米莖與葉片受凍率明顯增加（表2）。當(dāng)溫度為-2.5～-1.5℃，持續(xù)時(shí)間為0.5～1.5 h時(shí)玉米幼苗未出現(xiàn)明顯受凍，而當(dāng)?shù)蜏爻掷m(xù)時(shí)間達(dá)到2 h，莖葉出現(xiàn)受凍癥狀；當(dāng)溫度低于-3.0℃時(shí)，僅持續(xù)0.5 h玉米幼苗受凍，這說明玉米幼苗對(duì)-3.0℃以下低溫較敏感，且隨著低溫持續(xù)時(shí)間延長，莖受凍率增加，幼苗受凍致死率上升，當(dāng)溫度低于-4.0℃、持續(xù)1.5 h，或溫度低于-4.5℃、持續(xù)0.5 h，玉米幼苗受凍致死率接近或達(dá)到100%。

表2 不同低溫及其持續(xù)時(shí)間下玉米莖、葉受凍百分比 %

2.3 玉米苗期霜凍指標(biāo)的確定

關(guān)于植物霜凍指標(biāo)劃分，考慮到實(shí)際應(yīng)用的便捷性，大多數(shù)關(guān)于霜凍指標(biāo)劃分的研究通常以低溫分布范圍和災(zāi)損程度確定霜凍等級(jí)。本試驗(yàn)借鑒此類方法，結(jié)合前文分析結(jié)果，綜合考慮玉米幼苗在不同低溫及其持續(xù)時(shí)間下的癥狀，依據(jù)玉米受凍狀態(tài)下的幼苗致死率，將玉米苗期霜凍指標(biāo)劃分為無、輕度、中度和重度4個(gè)等級(jí)，詳見表3。

表3 玉米苗期霜凍指標(biāo)等級(jí)及主要癥狀

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

MSX-2F型霜凍模擬系統(tǒng)在設(shè)定降溫過程中，因箱內(nèi)只能控制溫度條件，對(duì)于濕度、風(fēng)速、光照等無法控制，箱內(nèi)環(huán)境與自然環(huán)境有一定差異，研究確定的霜凍指標(biāo)與霜凍等級(jí)也會(huì)與實(shí)況有一定差別。王靜等[20]研究了高、中、低3個(gè)濕度梯度對(duì)富士蘋果花蕾、子房的霜凍指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)干燥和高濕環(huán)境均可降低富士系蘋果花蕾和花朵的過冷卻點(diǎn)，有助于蘋果花蕾、子房抗寒性的提高。通常情況下，降溫過程最低氣溫發(fā)生在清晨05:00—07:00[15]，此時(shí)近地層空氣濕度通常較高，對(duì)玉米抗寒性的提高會(huì)產(chǎn)生一定作用。在確定玉米苗期霜凍指標(biāo)的前提下，研究不同空氣濕度對(duì)玉米霜凍指標(biāo)的影響對(duì)霜凍災(zāi)害防御工作具有重要的指導(dǎo)意義。

另外，有關(guān)試驗(yàn)表明不同品種的抗寒性也有一定差異[8]，現(xiàn)階段玉米品種繁多，在不同玉米品種對(duì)干旱、低溫冷害等災(zāi)害的響應(yīng)方面的研究較多[21—22]，而關(guān)于不同玉米品種苗期霜凍指標(biāo)的研究報(bào)道較少，篩選不同抗寒性玉米品種對(duì)于提升糧食安全具有重要意義，這也是本項(xiàng)研究后續(xù)工作的主要目標(biāo)。

3.2 結(jié)論

1）玉米幼苗全部致死的最低溫度為-4.0℃（持續(xù)1.5 h）或-4.5℃（持續(xù)0.5 h時(shí)）。玉米幼苗的過冷卻點(diǎn)主要分布在-7.3～-2.5℃，結(jié)冰點(diǎn)為-3.8～-2.0℃，過冷能力為0.3～5.1℃。

2）在不同強(qiáng)度低溫及其持續(xù)時(shí)間影響下，玉米幼苗受凍狀況也有所不同。當(dāng)最低氣溫為-2.5～-1.5℃且持續(xù)2 h，幼苗出現(xiàn)受凍狀態(tài)；當(dāng)最低氣溫低于-3.0℃，僅需0.5 h幼苗出現(xiàn)受凍狀態(tài)，因此-3.0℃是玉米幼苗低溫敏感性的溫度閾值。