霜凍危害機理及風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)的探索與實踐

張彤陽 楊海龍 張杰峰 張宜倉 宋勇倉

我國絕大部分區(qū)域?qū)儆诖箨懠撅L(fēng)性氣候區(qū)，霜凍危害范圍北起黑龍江南至廣西，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害很大，尤其對果園、經(jīng)濟(jì)林、茶園、菜園等危害嚴(yán)重。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，我國受到霜凍危害較為嚴(yán)重的果園面積在1.2億畝以上，如計算核桃、茶葉、甘蔗、蔬菜等，保守估計面積超過3億畝（表1）。近年來，水果的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)向較高海拔和較高緯度地區(qū)集中，霜凍災(zāi)害的發(fā)生更為頻繁，大面積絕收或大幅減產(chǎn)的情況3～4年就會發(fā)生1次，局部較嚴(yán)重霜凍幾乎連年發(fā)生，已成為鞏固果業(yè)主產(chǎn)區(qū)脫貧攻堅成果和果業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“卡脖子難題”，攻克該項核心技術(shù)十分關(guān)鍵，也十分迫切。

經(jīng)過10余年的長期觀察，在反復(fù)總結(jié)熏煙法、吹風(fēng)法、覆蓋法、灌水法等（圖1）傳統(tǒng)防霜凍方式失敗原因的基礎(chǔ)上，2021年筆者研究了霜凍危害農(nóng)作物新生組織的機理，并根據(jù)研究成果發(fā)明了風(fēng)霧防霜凍成套裝備，同時在陜西省銅川市宜君縣福梨農(nóng)場建成了全國首例風(fēng)霧防霜凍及水肥藥一體化試驗基地，共安裝了3個型號、10臺套的風(fēng)霧防霜凍成套裝備（圖2），覆蓋果園面積600余畝。目前已經(jīng)歷多次防霜凍作業(yè)試驗，均獲得成功。

現(xiàn)就該項工程技術(shù)及已取得的技術(shù)參數(shù)總結(jié)如下：

1 霜凍危害的機理和防霜凍理論的研究

經(jīng)過長期觀察，筆者發(fā)現(xiàn)梨果的花序及幼果在野外持續(xù)低溫環(huán)境下的受損情況如表1、表2所示。

由表2、表3可見，持續(xù)的低溫環(huán)境對梨樹花序及幼果的危害性很大，而蘋果相較于梨果，耐霜凍力稍強；櫻桃、葡萄、獼猴桃、柑橘則較梨樹耐寒力稍弱些；核桃的花序耐寒力更弱，0 ℃持續(xù)1小時以上就有可能絕收。在下雪的情況下，氣溫在-2 ℃且持續(xù)4個多小時的條件下，梨樹的花序仍然能恢復(fù)，果柄不會脫落，部分果面會出現(xiàn)凍銹；在出現(xiàn)大霧的情況下，梨花能在-1.2 ℃氣溫條件下基本不受影響。

筆者認(rèn)為霜凍危害果樹的機理是：花序、幼果等植物新生組織含水量極高且細(xì)胞壁脆弱，如氣溫持續(xù)低于0 ℃，細(xì)胞內(nèi)的水分就會因結(jié)冰膨脹導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，造成細(xì)胞壁功能喪失，水分流失，雜菌侵入，從而使花序、幼果受損甚至枯萎。因傳統(tǒng)防霜凍方法效果差的原因：一是熏煙法、灌水法、吹風(fēng)法均屬于增溫法，但是受到霜凍類型、冷凍強度、持續(xù)時間、風(fēng)力風(fēng)向、地形地貌等復(fù)雜因素影響，這些措施能提高溫度的幅度均低于0.5 ℃，無法做到確保果園氣溫不低于0 ℃；二是塑料大棚或用塑料膜包裹作物的投資過大，勞動力成本過高，可行性和經(jīng)濟(jì)性較差，且一旦通風(fēng)降溫不及時就會造成“燒花”、“燒果”；三是噴施抗寒藥劑雖有一定效果，但也無法做到阻止細(xì)胞內(nèi)水分結(jié)冰的目的。

風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)是“風(fēng)霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體的全新的技術(shù)方案，目前的實驗結(jié)果顯示，該技術(shù)方案至少可以實現(xiàn)在氣溫-4 ℃的情況下有效保障花序和幼果細(xì)胞內(nèi)水分不結(jié)冰，也就是說能達(dá)到有效防霜凍的目的。

2 風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)的原理

針對霜凍危害的機理和防霜凍理論的研究結(jié)果，筆者發(fā)明了風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)，其原理是：通過風(fēng)霧作業(yè)平臺，持續(xù)不斷地營造濃密水霧環(huán)境，在擾動氣流的同時利用水霧攜帶的能量提升果園地面溫度，更重要的是濃密水霧環(huán)境同時為結(jié)冰創(chuàng)造充分必要條件，一旦增溫效應(yīng)不能夠保持果園溫度達(dá)到0 ℃，就會迅速在花序或幼果上形成結(jié)冰層，隨著氣溫的不斷降低，冰層會不斷增厚，這樣一來，冰層就能夠有效阻斷外部低溫向花序或幼果細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)的路徑，從而保證花序或幼果的溫度保持在不低于0 ℃的臨界狀態(tài)，這樣細(xì)胞內(nèi)的水分就不會結(jié)冰，植株新生組織就得到了有效保護(hù)，從而達(dá)到防霜凍的目的，同時在噴霧時加入適量抗寒藥劑，以增強細(xì)胞的抗逆性，因此，“風(fēng)霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體的技術(shù)路線，大幅提升了防霜凍的效果。

3 風(fēng)霧防霜凍成套裝備的結(jié)構(gòu)性能

要確保“風(fēng)霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”技術(shù)方案的效果，關(guān)鍵點有四個：一是滿足持續(xù)不斷營造濃密水霧環(huán)境并具備在較大范圍擾動氣流的能力，而且必須保證不能“灌花”或沖掉花粉影響到果樹授粉；二是能適應(yīng)復(fù)雜地形，克服復(fù)雜氣象環(huán)境的影響；三是高效精準(zhǔn)，能做到隨時隨地、要風(fēng)有風(fēng)、要霧有霧、要多少有多少；四是具備較遠(yuǎn)距離遙控能力，無需操作人員進(jìn)入潮濕且寒冷的作業(yè)區(qū)域。

該成套裝備的結(jié)構(gòu)包括風(fēng)霧裝置、塔架、水泵、配藥、供水、配電以及控制系統(tǒng)等。建成的風(fēng)霧作業(yè)平臺高度12.5米，總功率92.5千瓦，能滿足100秒覆蓋67畝果園作業(yè)區(qū)，產(chǎn)生的霧量可在40分鐘左右達(dá)到大霧彌漫的效果，水霧顆粒度50微米左右，每小時噴水量達(dá)到12～15米?，遙控距離為300米，1人可同時控制3～5臺裝備，可持續(xù)5小時不間斷噴霧作業(yè)。目前的試驗數(shù)據(jù)表明，防霜凍作業(yè)時間為3.5小時左右，畝均用水量為0.73米?，畝均用電量52千瓦時，畝均電費不足1.7元，核心裝備使用壽命25年以上。

4 實踐案例簡介

2021年4月14日凌晨03：00，宜君縣福梨農(nóng)場發(fā)生了典型的輻射型霜凍，當(dāng)氣溫降至0.5 ℃時，啟動了裝備噴施防霜凍功能液體，04：00整個果園形成大霧彌漫景象，作業(yè)區(qū)溫度為0 ℃，作業(yè)區(qū)外溫度為-1.5 ℃；05：00作業(yè)區(qū)溫度為-1.5 ℃，非作業(yè)區(qū)溫度為-2.5 ℃，果樹的花序和嫩葉出現(xiàn)明顯結(jié)冰；06：20日出時，噴霧作業(yè)區(qū)溫度為-2.5 ℃，非作業(yè)區(qū)溫度為-3.5 ℃，06：30噴霧作業(yè)停止，隨即巡查果園發(fā)現(xiàn)，4#噴霧塔和10#噴霧塔因水泵和線路故障，在其控制區(qū)域的花序和嫩葉上未能形成結(jié)冰包裹層，在其他區(qū)域，果樹的花序和嫩葉完全被冰層包裹，10：30分巡查發(fā)現(xiàn)結(jié)冰層基本融化，12：30巡查發(fā)現(xiàn)4#塔、10#塔控制區(qū)花序嚴(yán)重枯萎，其他區(qū)域花序恢復(fù)正常狀態(tài)（圖3）。4月15日，延安、榆林地區(qū)降雪，果園出現(xiàn)了典型的平流型霜凍和輻射型霜凍同時發(fā)生的情況，16日02：30果園氣溫降至1 ℃，隨即啟動裝備噴霧作業(yè)，03：30作業(yè)區(qū)溫度-1.5 ℃，04：00果樹的花序和嫩葉已出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，06：00非作業(yè)區(qū)域氣溫降至-4 ℃，除了降溫速度快于14日，其他情況基本類似，噴霧作業(yè)持續(xù)至06：30，同樣是10：30冰層融化，12：30西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院徐凌飛副院長和2名研究生在果園查看，對花序和幼果進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)柱頭、花蕊和幼果的組織完好無損。隨后的持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，未正常實施作業(yè)的4#、10#塔控制區(qū)坐果情況極為稀少，其他區(qū)域坐果量正常。

2022年5月1日，該基地再次發(fā)生了輻射型霜凍，氣溫1 ℃時啟動裝備作業(yè)3.5小時，06：00地面和樹上均出現(xiàn)結(jié)冰，10：30分巡查發(fā)現(xiàn)，除個別水霧覆蓋不到的邊角地的幼果果面輕微受損，其他區(qū)域均正常。

上述案例充分驗證了筆者發(fā)現(xiàn)的霜凍危害機理以及防霜凍的原理，也驗證了“風(fēng)霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體技術(shù)路線可以將防霜凍的能力提高至-4 ℃，這是傳統(tǒng)的防霜凍方案所無法企及的。由于該套設(shè)備的應(yīng)用，該農(nóng)場的梨園已實現(xiàn)連續(xù)3年豐收。同時，筆者還聯(lián)合了西北農(nóng)林科技大學(xué)機電學(xué)院開展了果園授粉、施肥、施藥、通風(fēng)降溫、灌溉等10多項試驗，均取得良好效果（圖4、圖5）。

5 風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)的主要研發(fā)成果和方向

目前，風(fēng)霧防霜凍及高效水肥藥一體化裝備（圖6）已取得國家知識產(chǎn)權(quán)局實用型專利授權(quán)，風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)發(fā)明專利申請已取得國家知識產(chǎn)權(quán)局《公示及實質(zhì)性審核通知書》，在宜君縣福梨農(nóng)場組建了“陜西省農(nóng)林業(yè)防減災(zāi)工程技術(shù)研究中心”，將風(fēng)霧防霜凍及高效水肥藥一體化工程技術(shù)作為研究重點，目前正在加快研發(fā)智能控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、基于該作業(yè)平臺的授粉液等功能性液體的制備配方以及通風(fēng)降溫、大田二氧化碳增量緩釋等科研項目進(jìn)度，不但要實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制防霜凍、疫性病蟲害、高溫高濕災(zāi)害等，同時對大田作物提高光合作用效率、果園精準(zhǔn)授粉、精準(zhǔn)施肥、減少農(nóng)藥化肥和人工投入意義重大。該項工程技術(shù)的發(fā)展方向是：建立農(nóng)作物生命保障和生態(tài)維護(hù)技術(shù)體系。

6 加快風(fēng)霧防霜凍工程技術(shù)研發(fā)和推廣的意義

該項工程技術(shù)屬于顛覆性技術(shù)，目前處于國際領(lǐng)先水平，已經(jīng)有效解決了果園防霜凍、防疫情病蟲害、防高溫高濕災(zāi)害等難題，同時實現(xiàn)了15分鐘完成600畝果園的授粉作業(yè)，根據(jù)作物不同時期需肥規(guī)律精準(zhǔn)施用水溶肥，把果園每年1～2次施肥變?yōu)?0次以上施肥，在部分殺菌劑和殺蟲劑試驗方面也取得了一定成果，完全具備成為高標(biāo)農(nóng)田升級、農(nóng)藥化肥減量、保護(hù)耕地的關(guān)鍵性工程技術(shù)裝備。對農(nóng)林業(yè)提質(zhì)增效、推動農(nóng)業(yè)裝備水平實現(xiàn)超越發(fā)展、鞏固脫貧攻堅成果、加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程意義重大。