葡萄越冬冻害研究进展

杨 豫， 张晓煜，，3， 丁 琦， 王 静

(1.宁夏大学，宁夏银川 750021； 2.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002； 4.南京信息工程大学，江苏南京 210044)

我国是葡萄科(Vitaceae Juss.)植物的起源地之一，有悠久的葡萄栽培历史[1-2]。改革开放以后，葡萄产业得到快速发展，已形成以北方为主的东北、环渤海湾、怀涿盆地、黄土高原、贺兰山东麓、河西走廊、新疆、黄河故道、西南高原等酿酒葡萄产区[3-4]。我国已成为世界第四大葡萄生产国和第五大葡萄酒消费国[5]。

我国虽然是葡萄生产大国，但还不是葡萄酒生产强国，自然环境是产业发展的限制性因素之一[6]。这是因为我国的自然条件与其他新旧世界葡萄酒生产国有明显差异[7]。受青藏高原地形的影响，我国是世界同纬度地区夏季最炎热、冬季最寒冷的地区，这样的气候与国外其他葡萄产区的地中海和海洋性气候有明显的差异[4-5]，这就为以欧亚种葡萄为主的酿酒葡萄产业发展带来巨大挑战。以霜冻和越冬冻害为主的自然灾害对我国北方酿酒葡萄产生了很大的影响，尤其是越冬冻害，造成我国北方贺兰山东麓产区、河西走廊产区、新疆产区酿酒葡萄产量长期低而不稳，葡萄植株缺苗断行现象非常普遍[8-15]。越冬冻害已成为我国北方酿酒葡萄产业发展的障碍性因素。

越冬冻害是指作物在越冬期间，因长时间处于0 ℃以下低温环境而丧失生理活动能力，造成植株受害或死亡的现象[16]。葡萄栽培品种性喜温暖，不耐寒冷，故我国35°N以北地区采用埋土防寒，从而使葡萄树体安全越冬。黄河中下游地区是不埋土防寒区，但由于每年寒潮到来的时间和强度不同，有时也会出现冻害[17]。

为深入开展葡萄越冬冻害研究，为葡萄的越冬冻害监测、预警、防御等提供科学依据，本文从葡萄越冬冻害成因[18-29，21-23]、抗寒性[24-25]和冻害防御技术[12-16]3个方面综述了国内外研究动态，并提出了未来研究的思路和方向，为摸清葡萄越冬冻害机制、推动葡萄越冬冻害防御技术和保障葡萄产业健康发展提供参考。

1 葡萄越冬冻害成因

1.1 冻害发生范围

葡萄是木质藤本冬眠果树，休眠期的抗寒能力有一定局限，寒冷地区的冬季低温环境超过抗寒力极限时，植株则发生冻害。葡萄不同部位的抗寒能力不同[26]，总体来说枝蔓比芽眼抗寒，枝蔓可耐受-25～-20 ℃，芽眼可忍受-23～-18 ℃，枝条的抗寒性主要与成熟度相关，成熟度与前期冷驯化相关联。芽眼比根系抗寒，根系在-4 ℃时出现冻害，在-7～-5 ℃ 时即死亡[27]，不同节位上的芽抗寒力有所不同，未发育完全的芽>第3芽>副芽>主芽[28]。

1.2 树体死亡原因与气象条件

葡萄冻害通常与负积温、10 cm地温负积温、低湿日数、蒸发量、高风速日数和冻土深度6个气象因子相关联。陈景顺等对上述6个主要气象因子同枝条死亡率做通径分析，发现低湿度日数与枝条死亡率的相关性最高[19]。艾尼瓦尔·依沙木丁等认为，在各气象因子中，低湿、地温负积温和高风速强烈地作用于枝芽使其失水，是影响枝条死亡的主导因子(低湿度、高风速使枝芽加剧水分散失，低地温抑制根系活动而影响水分吸收)[20]。董存田等在对葡萄“冻旱”的研究中发现，芽原始体死亡率与时间呈显著正相关，但最高死亡率不是出现在温度最低的1月份，反而是气温开始回升后的2月23日[21]。在含水量与枝条死亡率的关系研究中，枝条含水量与枝条死亡率存在着极为显著的负相关关系，说明细胞失水是导致枝条死亡的直接原因[22]。此结果也与柴慈江等研究者将葡萄死亡的原因归结为葡萄受冻后综合因素导致的失水结果[23]一致。

2 葡萄越冬冻害防御技术

葡萄生产基地多数规划在山地丘陵区，可有效降低生产成本，合理开发土地、旅游等资源；同时山地丘陵区空气清新，日照充足，可收获优质原料。但不可避免地也在一定程度上增加了葡萄遭遇冷、冻害天气的概率。因此，在葡萄的品种选择及其抗寒栽培管理方面就需要花费更大的精力。

2.1 品种选择

结合当地种植区的具体情况，选择符合当地生产环境的适宜品种，是葡萄种植生产的首要关键任务。葡萄的抗寒性因不同品种而异[24]，山葡萄最抗寒，欧洲种最不抗寒且大多数栽培品种葡萄的抗寒能力不强。在极端最低气温低于-35 ℃的严寒地区，欧亚种的酿酒葡萄不能安全度过，在冬季极端最低气温为-35～-15 ℃的地区必须埋土防寒以保证安全越冬，在极端最低气温高于-15 ℃的地区，欧亚种葡萄则不需要埋土。

此外焦奎宝在田间试验中发现，抗寒性稍弱的沙地葡萄冬葡萄的杂交砧木，由于以粗根为主，扎根深土层，在同样温度下反而比浅层根系的河岸葡萄杂交砧木抗寒[25]。因此冬季寒冷地区除了采用抗寒品种外，还要尽量避开根系主要分布在表层的砧木。

2.2 嫁接

在没有符合当地栽培条件的适宜品种的情况下，采用抗寒品种作砧木进行嫁接也是多年来研究的重要方法。葡萄嫁接中最常用的砧木为山葡萄、贝达、河岸与山河品系[29]。山葡萄是抗寒力极强的葡萄品种，但是山葡萄作砧木嫁接栽培品种亲和力不佳，成活率低，难于应用于生产[30]；贝达虽扦插易生根，嫁接亲合力强，但是根系抗寒力不如山葡萄，根系只能抵御-12 ℃左右的低温，在极端天气下出现冻害现象；河岸品系根系发达，根系抗寒力强于贝达且扦插易生根，可以作为山葡萄的替代砧木；山河二号根系抗寒力与山葡萄相似，可抗-14.8 ℃的低温，有望代替山葡萄在极寒冷的产区应用。杨丹城等也认为，采用抗寒砧木(如山葡萄、贝达、北醇等)实行嫁接栽培，其越冬防寒过程可大幅度地简化[31]。

金明丽在苹果砧木的抗寒性研究中发现，砧木在直接影响接穗的生理生化水平增强抗寒力的同时，也能通过影响树体大小和树势间接影响树体抗寒能力[32]。1965年杨丹城等用贝达(Beta)葡萄品种作砧木嫁接的栽培品种种植在黑龙江地区，越冬防寒用草量减少约3/4，埋土量减少1/2，第2年生育旺盛而丰产，效果极佳[31]。施献举在嫁接试验中证实了嫁接后的葡萄树体抗寒性优于嫁接前[33]。郝停停等研究认为，用山葡萄、贝达葡萄双重砧木的新梢生长量、成活率、苗木质量优于单纯用山葡萄作砧木的[34]。

2.3 栽培管理措施

葡萄露地越冬的抗寒能力强弱除与品种遗传特性相关外，还受秋季枝芽的成熟度、冷驯化、细胞原生质体水分的状态、营养物质的积累、冬季最低温度以及低温持续的时间、早春变温等诸多因素的影响。防寒越冬是葡萄栽培管理工作中的一项重要技术措施，防寒的方法、时间和质量不仅会直接影响来年产量，而且会决定植株的存亡。

2.3.1 冷驯化 欧洲种葡萄新梢芽眼一般在生长期遇 -6 ℃ 以下的低温时即受冻死亡，在抗寒锻炼后则能忍受-18～-16 ℃的低温[35]。葡萄1年生枝条抗寒力较弱，而老蔓因贮藏的营养物质较多所以比新梢更加抗寒，可抗-26～-20 ℃的低温。驯化过程可促进新梢枝条木质化、表皮木栓化，从而对冷环境的适应性更强[36]。但幼龄(1～3年生)葡萄树，长势旺盛但枝芽不充实，应在早霜出现后提前下架[35]。葡萄落叶提前和产量过高都会延缓冷驯化的进程[37]，林玉友等研究表明，在秋季冷驯化时期，枝条成熟度类似，但低产量霞多丽的抗寒力强于高产量的[38]。驯化时期主要根据气候和葡萄植株的情况来确定，不宜过早或过晚。培土过早时，葡萄植株得不到充分的抗寒锻炼，而且培土过早时土温较高，易导致防寒土堆内霉菌滋生，使葡萄枝蔓遭受病害。但培土过迟时，可能发生土壤冻结培土困难，或者葡萄植株在培土前已受冻情况。所以冷驯化时期要因地制宜，比如沈阳地区大约在10月下旬，辽南、辽西地区在11月上、中旬[39]。

2.3.2 覆盖材料 大量研究表明，采用葡萄树叶、秸秆、锯末、草帘等加塑料膜比只埋土越冬具有明显的保温和保湿效果，同时减少机械损伤，翌年葡萄萌芽整齐，生长发育状况良好[40-42]。高敏通过监测越冬期间的土壤温度发现，采用保温被防寒比传统覆土防寒土温要高，且第2年的萌芽率和结果率都显著高于埋土处理[43]。无胶棉被外加覆膜的越冬方式只能使覆盖物下0～60 cm深度的土温提高1.08～1.57 ℃[44]，略强于传统覆土模式。使用聚苯乙烯泡沫颗粒保温被覆盖的越冬方式保温效果最好，翌年葡萄的萌芽率可达81.2%，结果枝率可达到93.7%，聚苯乙烯泡沫具有质量轻、易卷放等诸多优点，且来源于废弃物再利用，应在生产中大面积推广。玻璃棉保温被的保温效果略次于聚苯乙烯泡沫保温被，但新梢数量和新梢生长速度大于覆土处理，且成本低于覆土防寒[45]，同样值得在生产中推广。

塑料薄膜防寒依然是现在普遍使用的防寒方式，先将塑料薄膜[PVC(聚氯乙烯)膜、EVA(聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物)膜、PE(聚乙烯)膜等]覆于捆绑好的葡萄枝条上，薄膜四周用土埋压，其上再覆盖树叶杂草等，保温效果好且相对较为简便；也可覆土或覆盖保温被，保温效果更好，而且这种土覆膜的保温方式要优于膜覆土[39]。张亚红等在宁夏地区对酿酒葡萄越冬方式的研究中选用5种防寒方式作对比研究，其结果表明土覆乙烯醋酸-乙烯酯膜的保温效果最好，翌年葡萄的品质、产量均优于其他覆盖方式，产量比传统埋土方式高30%[46]。现有的新型覆盖方式都是在原有的基础上改进的，通过更换新型的保温材料(如玻璃棉、彩布条[47])来代替塑料薄膜，以期达到更好的保温效果及更低的成本。不同的覆盖材料对葡萄越冬期间的温度影响较大，邓恩征等在对酿酒葡萄品种赤霞珠的研究中发现，在宁夏贺兰山产区化纤毯加覆土覆盖对赤霞珠葡萄的保温防寒效果最好[48]。李鹏程等的试验结果表明，采用棉被、玻璃棉、彩条布等防寒材料覆盖葡萄越冬，覆盖物下0～60 cm深度土壤温度较传统埋土防寒提高了0.34～ 2.32 ℃[49]。在戈壁地上采用黑胶棉处理后保温效果强于普通产区；黑胶棉、大棚棉被覆盖后可减少葡萄越冬期间土温≤-5 ℃低温持续的天数[50]，保温效果明显，能使葡萄安全越冬。

2.3.3 埋藤机 葡萄埋藤机的研究发展以新疆为主，新疆农业科学院农业机械化研究所于1985年研制出了我国第一代葡萄埋藤机——1PM-88型葡萄埋藤机[51]，此款埋藤机虽极大地减轻了劳动强度，但毕竟是初代研究，作业效率不高，适应性较差。2003年辽宁省北宁市农机技术推广站研制出结构相对简单的20PF-A型葡萄埋藤机[52]，此机结构更加简单，抛土更加均匀，但此机要求作业环境为含水率为12%～25%且没有石块的沙质土壤，适应性差。2007年新疆生产建设兵团农八师研制出1MP-500型葡萄埋藤机[53]，不仅可以埋土，还可铲除杂草和疏松土壤，相较于前2款机具，此机具作业效率高、稳定性好，但该机具因为体型庞大，田间操作时需较大空间而不受种植者青睐。2014年吐鲁番鄯善县农机局推出3PMT-62型葡萄开沟埋藤机[54]，可开沟与埋藤同时作业，在生产效率上有了极大提高，但具有同样的适应性差的缺点，因此也未能得到推广。此外，还有北京现代农装科技股份有限公司研制的10PF-90A型葡萄藤埋藤机[55]、新科农机有限责任公司推出的双侧葡萄埋藤机等，在此就不一一赘述。虽然国内研制出的葡萄埋藤机械类型不断增多，在性能方面也均有提升，但由于我国葡萄产区分布零散，机械化程度较低，各个地区的土壤情况、种植模式、种植规模等条件不同，使现有埋藤机具的推广都受到了限制，目前仍没有理想的机具可以完全代替人工。

3 葡萄的抗寒机制

关于葡萄抗寒性的鉴定方法、评价体系及抗寒生理的研究已有诸多成果，认为相对电导率[56-61]、可溶性糖[56-61]、可溶性蛋白[56-65]、游离脯氨酸[56-65]和MDA(丙二醛)[56-67]等指标的含量及变化规律可作为鉴定葡萄抗寒性强弱的依据。

3.1 水分含量变化与抗寒性

贺普超等在葡萄属野生种抗寒性研究中指出，葡萄组织中自由水和束缚水的比例与葡萄的抗寒性密切相关[62]。细胞内自由水的冰点在0 ℃左右，而束缚水的冰点为-25～-20 ℃。葡萄在遭受冻害时，细胞中束缚水的含量会相对升高，自由水的含量相对变低，组织中的束缚水/自由水比值高，细胞的冰点相应降低，从而使葡萄株系的抗寒能力提高。束缚水相对含量高，细胞保水能力强，同时因为自由水含量少，胞内代谢活动减弱，更有利于抗冻，这与陈佰鸿等的研究结果[63]相同。但苏李维等认为，11月上旬采摘的葡萄枝条中组织含水量不能作为葡萄抗寒性鉴定的有效指标[57]。

3.2 细胞膜系统与抗寒性

3.2.1 质膜透性与相对电导率 Lyons认为，温度降低时植物细胞质膜的透性会发生变化[64]。抗寒性不同的植物质膜透性的变化程度不同，抗寒性差的植物遭受冷害时细胞质膜的透性增加幅度更大。抗寒性强的植物遭受低温伤害时细胞质膜的透性增加幅度较小，多属于可逆变化，易于恢复。

植物细胞在低温环境下，质膜会受到严重伤害，透性增大从而引起细胞外渗物质增加，细胞外渗物中含有大量电解质，所以可以通过测定外渗电解质含量来比较葡萄抗寒性的强弱，且电解质外渗率变化与细胞质膜透性的变化是一致的。邓令毅等研究发现，抗寒性弱的葡萄品种相对电导率变化幅度大，而抗寒性强的葡萄品种相对电导率的变化幅度小[65]。艾琳等在研究葡萄根系抗寒能力时发现，葡萄的根系在 -3 ℃ 的抗寒锻炼比经-1、-2 ℃ 抗寒锻炼时根系电解质外渗率有所提高，因此葡萄在低温胁迫下的相对电导率的变化，是判断葡萄抗寒性强弱的一个重要指标[66]。张倩等在5个葡萄种群的低温半致死温度与其抗寒适应性的关系研究中也证实此观点的正确性，同时表明 -35 ℃ 已超过大多数葡萄品种的临界温度LT50，所以-35 ℃后继续用低温处理时，不同品种的葡萄枝条之间电导率变化无显著差异[60]。

3.2.2 脂肪酸不饱和度 葡萄在低温逆境下，细胞膜系统是植物直接接受低温冻害的部位，质膜的不饱和脂肪酸含量和膜脂脂肪酸的不饱和度与膜流动性密切相关[66-67]，因此也是植物的抗寒性筛选指标之一。抗寒性强的葡萄品种组成细胞膜的膜脂不饱和度高。正常状态下膜脂为液晶态，当温度下降到一定程度时膜脂会变成晶态，膜脂的相变会导致原生质体流动缓慢甚至停止流动，造成细胞损伤。因此在低温驯化过程中，增加不饱和脂肪酸含量、增加磷脂在膜脂中的含量，可提高组织的抗寒性。

3.2.3 丙二醛 MDA是一种对质膜有毒害作用的膜脂过氧化的产物，其含量可以反映植物组织遭受胁迫的程度。苏李维等研究发现，葡萄枝条的MDA含量在人工低温处理的初期呈缓慢下降趋势，且含量随着温度的降低而逐渐升高，说明在进行抗寒锻炼的初期，葡萄在其生理上有一个适应的过程[57]。王依等在试验中发现，抗寒性强的品种MDA含量低[68]。曹建东等研究发现，随处理温度的降低，葡萄枝条中MDA含量高且增加幅度大的品种，其抗寒性弱；含量低且增加幅度小的品种，则抗寒性强[56]。

3.3 渗透调节机制与抗寒性

3.3.1 可溶性糖含量 可溶性糖含量及变化规律在葡萄抗寒性研究中尤为重要。糖可以提高细胞的保水能力、降低细胞冰点温度和诱导抗寒基因的表达，在植物抗寒生理中可保护细胞膜、原生质体和细胞器的形态结构和功能，提高植物的抗寒性[69]。王丽雪等研究发现，葡萄在低温驯化中，通过提高葡萄细胞内可溶性糖的含量，可以提高葡萄品种的抗寒性[70]。此结果得到广泛的认同。艾琳等通过对葡萄根系抗寒性研究认为，低温锻炼使可溶性糖含量增加，从而使根系的抗寒力加强[66]。此外，梁艳荣等在研究中指出，抗寒性强的品种在低温胁迫下淀粉积累早且数量多，颗粒紧实致密；抗寒性弱的品种则淀粉积累晚，颗粒疏松而且数量少。可溶性糖还可以通过诱导蛋白质和脂肪的合成，促进脱落酸(ABA)的积累来间接提高抗寒性[71]。

3.3.2 可溶性蛋白含量 可溶性蛋白质在植物抗逆生理中的作用类似于可溶性糖：提高细胞内束缚水的含量，同时调节抗寒基因表达，从而提高植物的抗寒性，低温胁迫可刺激葡萄体内的可溶性蛋白质含量增加。王丽雪等研究认为，可溶性蛋白质含量变化与葡萄抗寒性密切相关。抗寒性弱的品种可溶性蛋白质形成晚、含量低、降解快、降解幅度大，抗寒性强的品种反之[72]。

由于游离氨基酸和可溶性蛋白质一样都具有很强的亲和性，能增强原生质体的保水能力和持水能力，并能增加细胞的溶液浓度[73]。因此，在葡萄抗寒性研究中，游离氨基酸的含量变化被人们广泛重视。顾静文在逆境与游离脯氨酸积累的研究中指出，低温锻炼可提高游离脯氨酸的含量[74]。因为在低温条件下脯氨酸合成加强，氧化作用受到抑制，而且低温逆境使蛋白质的合成减弱，这也就抑制了脯氨酸掺入蛋白质合成的过程。

3.4 保护酶系统对寒害的响应

酶在葡萄物质和能量代谢过程中发挥着重要作用。当植物遭遇低温胁迫时，植物体会积累过多的活性氧，活性氧平衡就被打破，活性氧积累导致膜脂过氧化，同时还产生较多的膜脂过氧化物，从而使膜结构破坏[75]。此时植物可通过体内的酶促防御系统[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽还原酶(GSH-R)、抗坏血酸过氧化物酶(ASA-POD)等]和非酶促防御系统[还原型谷胱甘肽(GSH)、维生素E、维生素C等]来消除过多的活性氧和膜脂过氧化物，维持细胞膜的正常结构和功能[76-77]。在葡萄抗寒性相关酶的研究中，低温锻炼下抗寒性强的葡萄品种中POD、淀粉酶和蔗糖酶活性的增加幅度较大，并且韧皮部中酶活性比木质部中的更高[78]。因此保护酶系统成分在植物体内的浓度和活性高低与葡萄抗寒性强弱有密切的关系，通过测定低温逆境下保护酶含量来鉴定葡萄抗寒性大小成为比较有效的方法。

3.5 激素与抗寒性的研究

植物对低温逆境的适应受遗传特性和植物激素2种因素的制约，低温逆境能够促使植物体内激素的含量和活性发生变化，并通过这些变化来影响生理过程。激素是抗寒基因表达的启动因子，在抗寒基因表达过程中，激素起着调控作用。在低温逆境下，植物增加的内源脱落酸含量与其抗寒性能力成正比[79]。罗正荣研究认为，ABA与赤霉素(GA)的比值与抗寒性显著相关，在抗寒锻炼期间，随着ABA/GA值升高，抗寒性逐渐增加[80]。简令成在对柑橘抗寒性研究中表明，ABA/GA值提高只是抗寒基因表达的一个启动因子，低温逆境条件改变了柑橘体内源激素的平衡状态，从而导致代谢途径发生变化，这些变化是基因活化表达的结果[81]。

4 展望

目前，葡萄越冬冻害成因分析停留在经验判断阶段，缺乏葡萄生理、生化方面的证据支持。防御技术以经验居多，定量化、规范化不足，缺乏系统的基础研究支撑；防御手段涉及面广，针对性不够。抗寒性方面也有一些研究，主要包括葡萄枝条与根系抗寒性、根系的致死温度和生理生化指标的变化方面，专门针对大面积栽培的欧亚种酿酒葡萄冻害的研究严重不足，缺乏系统研究。另外，葡萄的抗寒性是一个非常复杂的生理生化过程，除受遗传因素的决定外还受自身的生长势、感病程度、枝条成熟度等影响。越冬冻害形成的物理、化学、生理机制并不完全清楚。因此，亟待开展深入研究，揭示酿酒葡萄越冬冻害形成机制，建立越冬冻害气象指标体系。通过酿酒葡萄越冬冻害发生机制研究，为酿酒葡萄越冬冻害预测、损失评估、风险评估、防御等提供科学依据。