生态与土壤管理岗位

孙鲁龙 翟衡 杜远鹏

  摘　要：近年来霜冻对我国果树产业的影响越来越大，建立科学的模拟霜冻程序对于加强果树霜冻基础研究十分必要。本研究基于对大田霜冻天气的实际观测，分析了自然霜冻在降温速度、低温极限、升温速度以及霜后光照条件方面的特点，建立了用于实验室环境下的霜冻处理程序。结果发现，霜冻发生时气温的变化主要包括降温、低温维持和升温3个阶段。降温和升温阶段气温的变化近似线性；霜后一般伴随较强的光照。本研究确定的模拟霜冻条件为：黑暗环境下，气温在30分钟内从室温(20℃)降到5℃，在5℃维持30分钟, 之后以0.8℃/h的速度降到-2 ℃，在-2℃维持2小时，再以4.7℃/h的速度回升到5 ℃结束霜冻处理。霜冻处理后的恢复条件为16℃、800μmol•m-2•s-1光强。

  关键词：霜冻，温度，光照，模拟

  低温胁迫是影响果树正常生长发育的重要因素(Jackson andLombard, 1993; Jones and Davis,2000)。本研究对大田霜冻天气的温、光条件进行实际观测，着重分析了自然霜冻天气的降温速度、低温极限、升温速度以及霜后光照强度等方面的特点，根据分析结果确定了用于实验室环境下的霜冻处理程序。

  1　材料与方法

  1.1　温度监控

  本研究于2015年4月和2016年3月，在山东农业大学园艺科学与工程学院试验站葡萄园(116°20＇117°59＇E, 35°38＇36°28＇N)进行。泰安地区平均年降雨量697mm，年均温度13 ℃，大陆性季风气候，四季分明。

  通过小型气象站(北京联创思源测控技术股份有限公司)对本园区的气象数据进行实时测定。气象站安装在园区中央位置，温、光探头离地面2m，数据记录间隔为5分钟，每30分钟通过无线网上传到互联网生态环境监测管理平台并存储。

  1.2　数据处理

  采用Excel 2013和Origin 9.0软件进行作图及线性拟合。

  2　结果与讨论

  2.1　田间霜冻过程中气温变化特点

  图1显示了2015年春季连续3次霜冻(4月6日、4月7日、4月9日)和2016年一次霜冻(3月13日)过程中气温的变化情况。从图中可以看出，4次春霜冻发生时的气温变化具有较为明显的规律性。在24小时内，每次霜冻发生时气温的变化都可以划分为3个阶段：预降温阶段、降温阶段和回温阶段。预降温阶段主要发生在白天。2015年4月6日、4月7日和4月9日的预降温阶段为12:17-19:17，13:47-19:47和13:47-20:17；2016年3月13日的预降温阶段为14:55-21:25。预降温阶段从白天的最高气温开始到日落后结束，需要4~6.5小时左右。因为有光照的影响，预降温阶段气温不会降得太低，一般为5~10 ℃。同时，受光照渐弱的影响，预降温阶段的降温速度存在由慢到快的变化趋势。

  降温阶段主要发生在夜间。2015年4月6日、4月7日和4月9日的降温阶段为4月6日19:17-4月7日4:47，最低温度为-2.33℃,4月7日19:47-4月8日4:17，最低温度为-1.96℃,4月9日20:17-4月10日5:47，最低温度为-0.20℃；2016年3 月13日的降温阶段为3 月13日21:25-3月14日6:30，最低温度为-3.24℃。降温阶段气温从5~10℃降到零下， 且温度不太低( 0 ~ -3℃)，历经10小时左右，降温速度比较均匀，气温在最低温附近维持的时间比较短。四次霜冻最低温度平均值为-1.93℃。

  回温阶段发生在次日太阳升起来以后。2015年4月7日、4月8日和4月10日回温阶段为5:17-13:47，4:47-12:47和5:47-13:47；2016年3月14日回温阶段为6:30-13：25。回温阶段气温随着光照强度逐渐增强而迅速升高，在7~8小时内，气温就可以从零下低温达到15~25℃，升温速度要远快于降温速度。

  （1）田间霜冻过程降温特点

  对田间霜冻降温阶段气温的变化进行回归分析发现，4次霜冻天气降温过程的降温速度都比较均匀，且比较接近(图2)。降温阶段气温随时间的变化可以用线性模型进行拟合。根据拟合的线性方程斜率可以算出，2015年4月6~7日的霜冻降温速度为0.64 ℃/h，4月7~8日的霜冻降温速度为0.72 ℃/h，4月9~10日的霜冻降温速度为0.58 ℃/h；2016年3月13-14日的霜冻降温速度为1.06 ℃/h。4次霜冻降温速度的平均值为0.75 ℃/h。

 （2）田间霜冻过程升温特点

  对霜后气温从最低温回升到5℃左右的阶段进行气温与时间的回归关系分析。结果表明，在霜冻后的回温阶段，气温随时间的变化比较均匀，且比较接近，气温与时间之间存在显著的线性回归关系(图3)。回归直线的斜率反映了气温的回升速度。2015年4月7、8、10日的气温回升速度分别为4.12 ℃/h、5.66 ℃/h和5.80 ℃/h; 2016年3月14日的气温回升速度为3.32 ℃/h。4次霜后气温回升速度的平均值为4.73℃/h。

  2.2　田间霜冻次日光温条件分析

  在整个霜冻过程中，光照主要出现在预降温阶段和霜后的回温阶段。由于预降温阶段的温度并不太低，较少对叶片构成低温光抑制；而恢复期的叶片刚经历过夜间霜冻低温的胁迫，接着又接受逐渐增强的光照，有可能会对叶片的光合器官造成损伤，因此，霜后恢复期的光照有可能对霜后冻害程度有重要的影响，是研究霜冻致害机理必须加以考虑的环境因素。

图4田间霜后恢复期的光照温度条件

  霜冻次日，随着光照的增强气温也迅速上升(图4)。2015年4月7日的最高气温为12.39℃，最高光强为819μmol•m-2•s-1；4月8日最高气温为14.25℃，最高光强为826μmol•m-2•s-1；4月10日最高气温为20.99℃，最高光强为836μmol•m-2•s-1。2016年3月14日的最高气温为15.73℃，最高光强为703μmol•m-2•s-1。四次霜冻次日最高气温平均值为15.84℃，最高光强平均值为796μmol•m-2•s-1。

  2.3　模拟霜冻及恢复条件的参数确定

  基于以上分析及相关文献研究(CaraDonna et al., 2016)，最终确定的实验室模拟霜冻程序为，30分钟内，气温从室温条件(20℃)降到5℃，在5 ℃维持30分钟, 之后以0.8℃/h的速度降到-2℃，在-2 ℃维持2小时，再以4.7℃/h的速度回升到5℃结束霜冻处理。整个霜冻过程在黑暗中进行。霜冻过后的恢复条件为16℃、800 μmol•m-2•s-1。

  2.4　结论

  本研究以实际观测的数据为基础，分析霜冻发生时的温度变化特点以及霜后的光温条件，得到模拟霜冻的具体参数，为相关研究者提供数据和思路参考。