黃金百香果苗期寒凍害低溫指標(biāo)研究

陳藝宏，林溪猛，黃聲錦，莊毅斌

（福建省漳州市氣象局，福建 漳州 363000）

百香果又稱雞蛋果、巴西果，在廣東、福建、廣西、貴州等地區(qū)廣泛種植，百香果是一種熱帶藤本常綠果樹，枝蔓生長具有連續(xù)生長特性，粗生易長，只要溫度、水分、光照等條件適宜，一年四季都可連續(xù)開花結(jié)果，熱量條件為限制百香果種植分布的主要因子，冬季無霜凍是比較合適的溫度條件。但是冬季寒潮入侵所帶來的極端天氣引起的霜凍常給百香果生產(chǎn)造成不同程度的損失，如2021 年1 月低溫寒凍災(zāi)害就對漳州百香果的生產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失。因此開展百香果冬季低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與評估服務(wù)對百香果生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)、合理化規(guī)?；l(fā)展等具有重要意義。

寒害是指作物在冬季遭遇0℃以上的低溫災(zāi)害，引起作物生理機能障礙，對熱帶、亞熱帶經(jīng)濟作物危害嚴(yán)重；凍害是指作物在越冬期間，遭受持續(xù)0℃以下低溫而喪失生理活性，使植株受損害或死亡。福建漳州是天然的“溫室大棚”，很適合黃金百香果生長，已經(jīng)成為本地的招牌產(chǎn)業(yè)，是中國黃金百香果三大優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)之一，百香果種植面積達(dá)3350hm2，產(chǎn)量約8×107kg。目前，國內(nèi)對百香果寒凍害低溫指標(biāo)的研究很少，大多數(shù)的研究主要是荔枝、蓮霧、香蕉等果樹的寒凍害低溫等級［1-5］和百香果種植氣候適應(yīng)性［6-7］等方面，難以應(yīng)用于百香果寒凍害的分類指導(dǎo)與災(zāi)損評估。低溫寒凍害為百香果種植過程中最常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，本文通過收集黃金百香果寒凍害災(zāi)情資料、歷史氣候資料，在地理移植試驗和人工氣候箱開展低溫試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，劃分黃金百香果果苗寒凍害等級，研究寒凍害低溫指標(biāo)，為百香果生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 氣象資料與處理

采用的氣象資料包括漳州各縣市區(qū)1961—2021 年逐日最低氣溫，通過對百香果主產(chǎn)區(qū)鄰近的區(qū)域自動氣象站資料訂正，獲取百香果發(fā)生寒凍害災(zāi)情過程當(dāng)時當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫。數(shù)據(jù)處理采用聚類分析法中的K-Means 劃分法，將災(zāi)情樣本數(shù)據(jù)進行比對分析，通過迭代質(zhì)心的位置來劃分類別，直到數(shù)據(jù)點不再發(fā)生類別變化就停止迭代，最終獲取寒凍害等級指標(biāo)的閾值。

1.2 災(zāi)情調(diào)查

冬季期間出現(xiàn)寒凍害天氣過程后，選擇長泰、華安等地百香果主產(chǎn)區(qū)具有代表性的果園不同發(fā)育階段百香果開展走訪調(diào)查，結(jié)合災(zāi)情調(diào)查需要和地理自然致災(zāi)試驗，設(shè)計災(zāi)情調(diào)查和寒凍害記錄表，分別記錄調(diào)查點百香果發(fā)芽期、生長期、開花期、結(jié)果期和成熟期植株幼苗、藤蔓、葉片等受凍害百分率，受害表現(xiàn)癥狀。

1.3 地理自然致災(zāi)試驗

百香果順利過冬來年有更好收成，需要剪掉過密和徒長的枝干，過多的枝條會消耗大量的養(yǎng)分，因此黃金百香果的莖葉主要是當(dāng)年生長的莖葉?；诖颂攸c，試驗用的果苗采用盆栽方式進行培育，以模擬自然條件下百香果的種植。試驗品種為漳州華安縣主要栽種品種——黃金百香果。選取株高40～50cm左右，新梢4～5 片葉，枝條粗細(xì)勻稱，長勢良好無病蟲害的植株，試驗地點與設(shè)置：2018 年12 月至2019年1 月，2019 年12 月至2020 年2 月，分別在漳州南靖、天寶、華安、東山等4 地氣象站采用盆栽方式種植百香果幼苗，每個試驗點放置4 盆栽培苗。當(dāng)出現(xiàn)冷空氣過程、霜凍或低溫低于9℃后，觀察植株有無遭受寒凍害情況，用相機記錄每株幼苗葉片變色情況，藤蔓枯黃部位、葉柄受寒凍情況等植株形態(tài)變化。

1.4 人工氣候箱開展低溫試驗

試驗品種為黃金百香果，選取株高30cm 左右，新梢4～5 片葉，枝條粗細(xì)勻稱，長勢良好無病蟲害的植株，將試驗用的幼苗放置室內(nèi)栽培3～4d。試驗過程與處理：每個溫度處理4 盆幼苗樣本，處理溫度區(qū)間為-3～6℃，分別設(shè)定6.0、5.0、3.0、1.0、0、-1、-2和-3℃。首先將果苗放入可嚴(yán)格控溫的光照培養(yǎng)箱中，光強為600～800μmol·m-2·s-1，空氣相對濕度75%，模擬自然降溫至設(shè)定的起點溫度，恒溫保持2h 后取出4 盆幼苗樣本，并標(biāo)好記號，再以1h 降溫1℃的速度繼續(xù)降溫至下一級，恒溫2h 后拿出第二個試驗品，重復(fù)整個流程直至溫度降至設(shè)定最低溫度。人工脅迫致災(zāi)處理后，將試驗苗放置于戶外，不對根系、枝葉進行任何保溫處理，一周后觀測莖葉形態(tài)變化，統(tǒng)計植株莖葉的凍害情況，只要葉片上出現(xiàn)水漬狀、退綠變黃或變褐色等癥狀，認(rèn)定為遭受凍害，并詳細(xì)記錄植株葉片焦枯比例、落葉情況、枝干受損狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒凍害形態(tài)學(xué)分級確定

百香果寒凍害發(fā)生后，開展災(zāi)害調(diào)查是評估寒凍害損失、制定合理的植株寒凍害護理措施的依據(jù)。以往研究中關(guān)于果樹寒凍害等級劃分標(biāo)準(zhǔn)不一樣，各地區(qū)寒凍害程度不同，加上樹勢、品種、種植環(huán)境等不同而造成抗寒能力差異，對各種果樹寒凍害指標(biāo)的確定造成一定的難度［8-11］，特別是在黃金百香果遭受寒凍害后，缺乏在不同程度、不同等級危害下形態(tài)學(xué)變化的全面綜述，對寒凍害癥狀描述不統(tǒng)一，給災(zāi)害分級、調(diào)查帶來困難。本研究通過漳州南靖、天寶、華安、長泰等多個種植園發(fā)生寒凍害后樹體的表現(xiàn)癥狀和危害性，結(jié)合文獻(xiàn)收集、走訪專家和災(zāi)情調(diào)查結(jié)果，根據(jù)植株受害程度進行分級，設(shè)無害、輕度、中度、重度、嚴(yán)重共5 級寒凍害等級，并將各級別中的葉片、枝條受害癥狀進行歸納整理，得到百香果寒凍害形態(tài)學(xué)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 黃金百香果苗期寒凍害形態(tài)學(xué)受害等級

2.2 凍害低溫等級指標(biāo)的確定

根據(jù)地理自然致災(zāi)試驗結(jié)果，整理2018 年12月至2019 年1 月，2019 年12 月至2020 年2 月低溫寒凍害過后百香果園受損程度，并在2020 年冬季期間出現(xiàn)寒凍害天氣過程后，開展災(zāi)情實地走訪調(diào)查，共收集有效災(zāi)情樣本55 例，對照表1 等級劃分結(jié)果對調(diào)查收集的樣本進行樣本等級劃分，逐一確定55 個樣本的寒凍害等級，并分別以0、1、2、3、4 代表無害、輕度、中度、重度、嚴(yán)重，每個受害等級對應(yīng)受災(zāi)區(qū)域當(dāng)時的極端最低氣溫。

研究中選擇日最低溫度作為聚類分析的變量，寒凍害等級作為標(biāo)識變量，聚類數(shù)為4 類。K-means算法的計算過程是從數(shù)據(jù)中隨機抽取4 個點作為初始聚類的中心點，系統(tǒng)取得的初始類中心（如表2）分別為5.18、2.63、－0.25 和－2.81℃，代表各個類把每個點劃分進相應(yīng)的類，根據(jù)歐式距離最小原則，把每個點劃分進距離最近的類中重新計算質(zhì)心，根據(jù)均值等方法，重新計算每個類的質(zhì)心迭代計算質(zhì)心，重復(fù)第二步和第三步，4 個類中心點經(jīng)過多次迭代后，迭代計算聚類完成，聚類中心不再發(fā)生移動，得到最終的各聚類中心分別為4.93、2.27、－0.15 和－2.64℃。為了確保等級指標(biāo)方便用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取0.5℃整。由此可得，百香果的輕、中、重、嚴(yán)重寒凍害極端最低氣溫（Td）指標(biāo)分別為：2.5℃＜Td≤5℃、0℃＜Td≤2.5℃、－2.5℃＜Td≤0℃、Td≤－2.5℃。

表2 聚類分析類中心

2.3 寒凍害低溫指標(biāo)的對比驗證

2.3.1 地理自然致災(zāi)對比試驗

2018 年12 月至2019 年1 月，2019 年12 月至2020 年2 月，分別在漳州薌城、龍海、南靖、長泰4地盆栽移放試驗，利用本試驗實際遭受的寒凍害等級與凍害低溫等級指標(biāo)進行對比（表3）。從表3 可知除了2018－2019 年南靖、2019－2020 年長泰等級相差1 級外，其他的試驗點與實際寒凍害等級一致，吻合率為75%。

表3 地理移植試驗結(jié)果對比驗證

2.3.2 人工氣候箱致災(zāi)試驗對比驗證

將試驗用的百香果幼苗在各處理溫度遭受的寒凍害等級與寒凍害指標(biāo)判斷的等級進行比較，可以從表4 中得到，不同低溫處理，各試驗苗表現(xiàn)出相同的特點，隨著溫度降低，形態(tài)學(xué)上寒凍害程度加劇。除了臨界溫度0℃差1 個等級外，其余7 個都吻合，吻合率達(dá)87.5%。

表4 人工氣候箱致災(zāi)試驗結(jié)果對比驗證

2.3.3 2020／2021 年災(zāi)情對比驗證

受強冷空氣南下影響，2020 年12 月30 日—2021 年1 月2 日漳州市出現(xiàn)寒潮天氣，整個過程極端最低氣溫出現(xiàn)在1 月1 日。統(tǒng)計2020 年12 月31日20 時—2021 年1 月1 日08 時全市最低氣溫，共有135 個站點最低氣溫＜4℃，其中45 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)＜0℃，以南靖南坑鎮(zhèn)高港茶園-4.8℃為最低。2021 年1 月6—14 日漳州市再次出現(xiàn)持續(xù)性低溫過程，整個過程極端最低氣溫出現(xiàn)在1 月13 日。全市除東山外均出現(xiàn)霜凍，高海拔山區(qū)出現(xiàn)結(jié)冰。統(tǒng)計2021 年1 月12 日20 時—13 日08 時全市最低氣溫，共有151 個站點＜4℃，其中92 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)＜0℃，以南靖南坑鎮(zhèn)高港茶園-8.3℃為最低。兩次低溫天氣過程間隔時間短、持續(xù)時間長、影響范圍廣、降溫幅度大，為近40a 來罕見。

兩次寒潮天氣過程降溫幅度大、持續(xù)時間長、極端最低氣溫異常偏低，百香果園處于成熟采摘期，部分果園已開始進行育苗。寒潮導(dǎo)致百香果出現(xiàn)中度以上的寒凍害，高海拔山區(qū)出現(xiàn)重度凍害，出現(xiàn)葉片枯黃脫落、藤蔓受凍干枯、果實受凍大量落果，嚴(yán)重的出現(xiàn)主莖和根部干裂，部分果園甚至絕收。將兩次寒潮過程百香果寒凍害的情況與寒凍害等級指標(biāo)進行對比分析，分析結(jié)果見表5，2 個樣本等級差1 級，沒有出現(xiàn)等級相差1 級，剩下7 個樣本等級均一致，吻合率為77.7%。

表5 2020 年／2021 年災(zāi)情凍害資料指標(biāo)驗證

2.4 寒凍害低溫指標(biāo)的最終確定

通過以上驗證可知，研究等級指標(biāo)通過災(zāi)情典型年（2020／2021 年）、地理移植試驗對比和人工氣候箱致災(zāi)試驗結(jié)果驗證準(zhǔn)確率達(dá)75%以上，說明初步確定的指標(biāo)是可用的。結(jié)合寒凍害各等級形態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定黃金百香果寒凍害低溫指標(biāo)見表6。

表6 寒凍害低溫等級指標(biāo)及形態(tài)學(xué)變化

3 結(jié)論與討論

（1）寒凍害導(dǎo)致百香果葉肉細(xì)胞受損、失去生理活性，危害程度較低的會出現(xiàn)枯焦斑塊，嚴(yán)重的葉片會整片枯焦脫落，寒凍害發(fā)生的次數(shù)雖不多，但是南方多丘陵山地，地形對冷空氣阻滯作用，常使冷空氣堆積，導(dǎo)致較長時間氣溫偏低，或強烈降溫伴隨著凍雨、降雪的災(zāi)害性天氣，各種氣象條件如最大降溫幅度、持續(xù)日數(shù)和有害積寒值強度超過果樹忍耐的程度，果樹正常的生理功能受到影響，偏離了正常狀態(tài)，使果樹遭受嚴(yán)重?fù)p失［12-15］。由于試驗條件、技術(shù)水平有限和非氣象因素復(fù)雜，本研究以日最低溫度作為百香果果苗寒凍害發(fā)生和受害程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，研究結(jié)果分5 級，無寒凍害＞5℃，輕度受害2.5～5℃、中度受害0～2.5℃、重度受害-2.5～0℃、嚴(yán)重受害≤-2.5℃。

（2）百香果遭遇寒凍害后其形態(tài)學(xué)受害癥狀很快出現(xiàn)，但是凍害癥狀是一個持續(xù)發(fā)展的動態(tài)過程，寒凍天氣過程結(jié)束至春芽萌發(fā)這段時間，受凍癥狀會進一步發(fā)展，如寒凍天氣過程結(jié)束時還保持綠色的葉片一段時間后干枯或葉脈逐級褐變而產(chǎn)生離層脫落。鑒于人工控制試驗直接獲取等級指標(biāo)的不足之處，本研究只采用此方法對初步建立的等級指標(biāo)進行驗證，確定各溫度區(qū)間黃金百香果受害程度是否吻合，研究還結(jié)合2020／2021 年冬季寒潮天氣寒凍害災(zāi)情調(diào)查資料，分析各樣本實際寒凍害等級與寒凍害指標(biāo)判定的等級對比印證，比對各種驗證吻合率。地理移植試驗和災(zāi)情對比印證結(jié)果吻合率均超過75%，驗證結(jié)果基本一致，指標(biāo)可用，所確定的輕、中、重、嚴(yán)重寒凍害各級指標(biāo)，對黃金百香果寒凍害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)及寒凍害風(fēng)險評估研究應(yīng)用具有重要的參考價值。

（3）百香果寒凍害的受損程度除了低溫和持續(xù)時間等氣象因子外，還和植株的品種、地理位置、樹勢等有關(guān)系。不同品種耐寒凍能力不同，如滿天星和黃金百香果為熱帶品種，耐寒性會比臺農(nóng)一號、紫香一號等其他品種差一些，一般晚熟品種相對耐寒凍，地勢低洼，迎風(fēng)面易受凍。