河套灌區脫水青紅椒終霜凍氣象指標研究

包佳婧，孔德胤

（內蒙古巴彥淖爾市農業氣象試驗站，內蒙古臨河 015000）

0 引言

河套地區是中國最大的脫水加工青紅椒生產基地，每年種植青紅椒面積在1萬hm2左右，脫水青紅椒經濟價值高，增產潛力大，目前已成為河套黃灌區主要的出口產品之一[1]。但青紅椒屬喜溫蔬菜，其幼苗期極易受終霜凍危害，終霜凍是內蒙古河套灌區脫水青紅椒生產和發展的主要限制因素之一。如移栽過早遭遇到終霜凍會造成青紅椒幼苗生長受阻或莖稈、葉片受凍，輕者造成減產，重者絕收。如移栽過晚則收獲期推后，加工企業收購價低，搶占不到價格優勢。脫水青紅椒的發育期大致分為播種期、發芽期、出苗期、定植期（移栽期）、現蕾期、開花期和坐果期，在避開霜凍的情況下大田移栽時間越早，收獲期越早，收購價格越高，坐果采摘期越長，產量越高。因此終霜凍指標的確定對脫水青紅椒產業的豐產減災顯得尤為重要。

細胞結冰通常會給植物帶來致命性傷害，當溫度降至冰點以下時，植物細胞液可降至冰點而不結冰，繼續下降至過冷卻點才結冰，這種現象稱為“過冷卻現象”[2]。過冷卻點被認為是植物器官抵抗凍害的臨界溫度，是描述植物抗寒性的重要指標，測量簡單，得出的數據直觀可靠[3-4]，可為進一步研究霜凍指標提供參考依據。

植物的光合過程是對溫度響應最敏感的生理過程。針對低溫脅迫對不同植物光合速率的響應一直是研究熱點，郭淑紅等[5]、呂優偉等[6]將光合指標作為評價植物抗寒性的重要指標。目前，光合參數指標已普遍應用于各種蔬菜的低溫脅迫研究中，比如辣椒[7-8]、番茄[9]、黃瓜[10]。許耀照等[11]研究低溫脅迫對設施彩椒幼苗生長指標及光合特性的影響，但關于脫水青紅椒幼苗的霜凍指標的研究目前尚未見報道。因此本文通過設置不同程度的霜凍模擬環境，處理不同苗齡青紅椒幼苗，分析處理后脫水青紅椒葉片過冷卻點、結冰點及光合參數各指標的變化情況，確定其霜凍指標為青紅椒春季霜凍預報預警及防御提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和地點

脫水青紅椒終霜凍田間試驗于2019年及2020年的4月中旬至5月中旬在內蒙古巴彥淖爾市農業氣象試驗站內試驗田開展。

1.2 試驗材料

供試品種為‘茄門’，是巴彥淖爾市脫水青紅椒種植的主栽品種。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

（2）霜箱模擬霜凍試驗。與分期移栽試驗相同播種間隔時間和育苗方法，共分3期，待最后一期幼苗長至4葉1心時，將3期幼苗移栽至栽培盆中（高12 cm，直徑14 cm）。每盤定值長勢相同的兩株，緩苗后用于霜箱霜凍試驗。統計分析臨河區2009—2018年的氣溫資料，尋找臨河區春季典型霜凍過程，利用MSX-2F人工模擬霜箱系統模擬不同的日降溫天氣過程，設置6個典型降溫過程（表1），選擇4葉1心、6片真葉及8片真葉不同葉齡的幼苗，每個葉齡設置5次重復，霜凍處理后觀測植株形態，根據葉片及莖稈的萎蔫情況記錄凍傷率和死亡率，同時利用SPAD-502養分速測儀測葉片相對葉綠素含量SPAD值，美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合作用儀測定光合參數。室外溫度作為對照(CK)。

表1 各降溫模擬過程的溫度設定 ℃

1.3.2 田間溫度測定 田間脫水青紅椒幼苗遭遇霜凍過程觀測的數據包括最低氣溫、最低地面溫度以及零度以下持續時間。以臨河區氣象局國家基本站地面氣象觀測數據為準。

1.3.3 過冷卻點結冰點的測定 將選取的不同葉齡的脫水青紅椒幼苗放置于MSX-2F型人工模擬霜箱內，模擬霜箱內有40只TC-40C型熱電偶溫度傳感器可監測試驗材料的溫度變化。試驗時將溫度傳感器探頭固定在植株葉片上，溫度傳感器與FrosTem40數據采集系統與電腦連接，連續自動記錄葉片的溫度變化，每10 s記錄1次，精度為±0.2℃[2]。試驗設置最低氣溫為-5、-4、-3、-2、-1、0℃ 6個典型降溫過程，模擬春季自然降溫。

植物發生霜凍害是由于細胞間水發生結冰引起的，而結冰的主要條件是溫度降到冰點和存在冰核[12]。隨著霜箱內溫度下降到一定程度時，幼苗葉片細胞溶液達到冰點卻不結冰，而是進入過冷卻狀態，當環境溫度繼續下降到低于幼苗自身能抵御的最低溫度即過冷卻點(supercooling point)時，細胞液由液態轉變為固態，開始結冰釋放潛熱，此時葉片溫度會突然驟升，溫度變化曲線出現峰值跳躍的現象，該曲線驟升的起點溫度為過冷卻點T1。回升到一定溫度后，細胞溶液內冰晶核形成，溫度不再上升，晶體增長，放熱與吸熱處于平衡狀態，此時溫度即結冰點(freezing point)T2。植物組織的過冷卻點和結冰點不是一個數值，而是一個范圍，隨植物發育期、季節、環境、冰核細菌數量等各種因素而變化[13-17]。

1.3.4 光合參數的測定 測定各處理幼苗葉齡一致、未受凍的葉片，低溫處理后凍死的幼苗放棄觀測。光合參數測定時光強和CO2濃度設置與外界實際情況一致，于霜凍結束的當天上午9:00—11:00時測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和細胞間隙CO2濃度(Ci)。測定前各處理均在對照條件下恢復60 min，每處理5次重復。

1.3.5 凍傷情況統計 霜箱低溫處理后室外無遮擋放置 24 h統計幼苗的凍傷（死）情況，48 h后觀測死亡情況。受凍程度劃分為5種情況：未受凍、輕度受凍（葉緣受凍蜷縮、輕微水漬狀，數天后可恢復，受凍率<30%）、中度受凍（1、2片葉凍死，株心葉片能正常生長，受凍率在30%～70%）、嚴重受凍（莖、葉均受凍，植株倒伏，數天后可恢復，受凍株在70%以上）、植株死亡。

1.4 統計分析

數據采用SPSS 23和Excel 2010進行數據分析。采用One-way ANOVA單因素方差分析和LSD最小顯著差異法進行組間差異比較。

2 結果與分析

2.1 田間分期移栽試驗脫水青紅椒霜凍情況調查

2019年臨河區5月中旬的13日（最低氣溫-0.2℃，最低地溫-3.7℃）及20日（最低氣溫0.5℃，最低地溫-3.1℃）發生2次霜凍過程。觀測2次霜凍過程試驗田青紅椒幼苗受凍情況。此時脫水青紅椒幼苗，第一期處于4葉1心期，第二期處于6片真葉期。田間受凍情況在受凍當日午后進行調查，其中第一期幼苗遭受13日霜凍凍害，全部凍死。第二期幼苗遭受20日霜凍凍害，表現為葉緣水漬狀，有輕度凍傷，受凍率在20%左右。

措施二：對基坑周邊進行限載，限制基坑兩側重型運輸車輛通行；加強現場施工組織管理，合理組織施工節拍，形成流水作業，在具備基坑封底條件下，及時完成底板施作，負二層側墻、中板、負一層側墻、頂板施工緊密銜接。

2020年4月中下旬的17日（最低氣溫0.8℃，最低地溫-1.4℃）及21—22日（22日最低氣溫-5.3℃，最低地溫-7.5℃）發生2次霜凍過程，此時青紅椒幼苗處于四葉一心期，17日霜凍過程對青紅椒幼苗無影響，遭受21日霜凍后，青紅椒幼苗受凍情況表現為葉緣水漬狀有輕度凍傷，受凍率在10%左右。遭受22日霜凍后，青紅椒幼苗全部凍死。具體見表2。

表2 2019、2020年4—5月脫水青紅椒苗期降溫過程溫度記錄及凍害反應

2.2 脫水青紅椒幼苗凍傷、凍死情況分析

處于4葉1心期、6片真葉期和8片真葉期的脫水青紅椒幼苗抵抗凍能力不同。從表3可以看出，在0、-1℃處理組中，脫水青紅椒幼苗沒有出現凍害。在-2℃處理組中，青紅椒幼苗開始表現出凍害，6片真葉期和8片真葉期的脫水青紅椒凍傷率比4葉1心期的分別高4%和12%。-3℃處理組中，6片真葉和8片真葉期的青紅椒的凍傷率比4葉1心期的高8%和40%。在-4℃處理組中，青紅椒幼苗開始出現死亡，6片真葉和8片真葉期的青紅椒比4葉1心期的凍死率分別高24%和39%。-5℃處理組幼苗全部凍死。由此可見，脫水青紅椒的葉齡越小，抗凍能力越強，-3℃可定為青紅椒幼苗凍害的臨界溫度，可作為輕霜凍溫度指標參考值。

表3 不同溫度梯度下不同苗齡青紅椒幼苗凍傷情況統計表 %

2.3 不同苗齡脫水青紅椒幼苗的過冷卻點及結冰點

2.3.1 脫水青紅椒幼苗的過冷卻點和結冰點 不同苗齡青紅椒幼苗的過冷卻點的范圍在-3.4～-4.8℃之間；結冰點的范圍在-2.7～-3.2℃之間，平均過冷卻點溫度為-4.1℃；平均結冰點溫度為-2.9℃。

2.3.2 不同苗齡脫水青紅椒幼苗的結冰危害臨界溫度及過冷能力 由表4可見，4葉1期、6片真葉期及8片真葉期脫水青紅椒幼苗的結冰危害臨界溫度逐漸升高，分別為-4.8、-4.0、-3.4℃。組織的過冷能力用結冰點與過冷卻點溫度之差來表示，溫度差（即溫度的“峰值跳躍”）越大，組織的過冷能力越強。4葉1心、6片真葉和8片真葉的青紅椒幼苗的過冷能力分別為1.6、1.1、0.7℃，平均過冷能力為1.1℃。因此，相對較小葉齡的青紅椒，抗寒能力較強。-3.4℃為青紅椒幼苗最小結冰危害臨界溫度，可作為輕霜凍溫度指標參考值。

表4 不同葉齡青紅椒幼苗葉片的過冷卻點與結冰點 ℃

隨著苗齡的增長，脫水青紅椒幼苗過冷卻點及結冰點呈上升趨勢。表明隨著幼苗的生長，青紅椒的抗凍能力是不斷減弱的。抗凍能力強弱順序為4葉1心期＞6片真葉期＞8片真葉期。

2.4 相對葉綠素含量SPAD值的變化情況

從圖1可看出，低溫脅迫下，脫水青紅椒幼苗葉片葉綠素含量（SPAD值）與對照相比明顯下降(P<0.05)。隨低溫脅迫溫度降低，葉綠素含量呈下降趨勢，同時苗齡越大葉綠素含量越低。

圖1 不同處理對脫水青紅椒葉片葉綠素含量的影響

2.5 光合參數的變化情況

2.5.1 對脫水青紅椒葉片凈光合速率Pn的影響 從圖2可知，脫水青紅椒幼苗經不同溫度脅迫后葉片的凈光合速率Pn迅速下降，且下降幅度較大，接近0值。說明脫水青紅椒葉片在經過低溫脅迫后光合系統受到嚴重破壞。

圖2 不同處理對脫水青紅椒葉片凈光合速率的影響

2.5.2 對青紅椒葉片氣孔導度Gs的影響 葉片氣孔導度Gs是反映植物與外界進行CO2和水汽交換能力的重要生理指標。從圖3中可以看出，在各低溫脅迫后，脫水青紅椒幼苗氣孔導度Gs數值4葉1心期>6片真葉期>8片真葉期，其中4葉一心期比8片真葉期顯著偏高(P<0.05)。相同處理溫度，隨苗齡的增長Gs呈下降趨勢。

圖3 不同處理對脫水青紅椒葉片氣孔導度的影響

2.5.3 對青紅椒葉片胞間CO2濃度Ci的影響 從圖4中可以看出，-1℃低溫脅迫下，4葉1心期脫水青紅椒葉片的胞間CO2濃度Ci與對照相比無顯著性差異，6片真葉期和8片真葉期與對照相比顯著下降(P<0.05)，分別下降18%和29%。-2℃低溫脅迫下，4葉1心期脫水青紅椒葉片的胞間CO2濃度Ci與對照相比顯著升高21.4%(P<0.05)，6片真葉期和8片真葉期與對照相比無顯著性差異。-3℃低溫脅迫下，4片真葉期、6片真葉期及8片真葉期的脫水青紅椒幼苗與對照相比顯著上升(P<0.05)，分別上升22.9%、30.5%、13.3%。同時-1℃和-2℃各苗齡的胞間CO2濃度Ci也與Gs有相似的變化規律，隨苗齡的增長Ci呈下降趨勢，但差異不顯著。

圖4 不同處理對脫水青紅椒葉片胞間CO2濃度的影響

3 結論與討論

通過6個最低溫度設定為-5～0℃降溫模擬過程，觀察脫水青紅椒幼苗的受凍情況，監測整個過程植株葉片的溫度變化情況。得到脫水青紅椒幼苗出現凍害表現的溫度是-2℃，達到30%受凍率輕霜凍的溫度是-3℃，出現死亡的溫度是-4℃，全部致死的最低溫度為-5℃。脫水青紅椒幼苗的過冷卻點主要分布在-3.4～-4.8℃之間，平均過冷卻點溫度為-4.1℃。青紅椒幼苗葉片結冰點的范圍為-2.7～-3.2℃之間；平均結冰點溫度為-2.8℃。青紅椒幼苗的苗齡越小，則其過冷卻點和結冰點越低，組織過冷能力越強，抗寒性越強。

葉片光合速率下降的原因有兩類，第一類是由植物自身調節引起氣孔關閉的氣孔限制因素，表現為胞間CO2濃度Ci的下降；第二類是由光合系統活性降低導致的非氣孔限制因素，表現為Ci的上升[18]，光合速率下降原因的判斷依據是Ci的變化方向而非變化幅度。本研究結果表明，在-1℃低溫脅迫下，6片真葉和8片真葉期的Ci、Gs顯著下降，說明此時Pn下降主要由氣孔因素限制引起的，即葉片的部分氣孔關閉，Gs下降，氣體交換受阻，減少了CO2的供應；而在-3℃低溫脅迫下，各苗齡脫水青紅椒葉片的Gs顯著下降，但Ci卻顯著上升，說明此時Pn下降主要由非氣孔因素限制導致，即光合系統或光合作用酶活性遭到破壞，光合能力下降所致，限制和阻礙了氣孔中CO2的利用，使CO2積累導致Ci顯著上升，這與蔡月琴等研究結果較為一致[19]。從光合參數方面分析，考慮-3℃為脫水青紅椒輕霜凍指標。

由于霜箱測量過冷卻點的試驗結果精度為±0.2℃，參考《QX/T88—2008：作物霜凍害等級》氣象行業標準[20]中青椒霜凍指標精度為0.5℃，最終將河套灌區脫水青紅椒終霜凍指標精度確定為0.5℃。確定過程如下：根據過冷卻點起點溫度，結合大田及霜箱凍傷（死）率及光合參數的變化情況，本文將青紅椒輕霜凍指標確定為-3.5℃。中霜凍指標則根據過冷卻點溫度范圍，確定為-5.0～-3.5℃。重霜凍指標由全部致死溫度來確定，為＜-5℃。由于脫水青紅椒幼苗期更接近地表，將霜箱測得葉溫確定為地面溫度，確定以上指標為地面最低溫度指標，與實際預報應用中的氣溫還有差距。隨著氣候的變化、作物的品種及抗寒性的變化、作物與氣候的關系的變化，霜凍害指標也是動態變化的過程[21-23]，因該指標還需在實際應用中繼續檢驗，必要時進行適當的修訂。