晚霜期苹果花体温度与果园气温变化特征及其关系分析

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（宁夏气象科学研究所 a.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；b.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002）

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告指出，气候变化已经对中国的农牧产业造成了一定影响，致使春季物候期提前。气候变化导致极端天气事件增多，霜冻发生风险增大[1-2]。苹果作为核果类树种之一，春季开花早，极易遭受晚霜冻的威胁，花期气象条件对当年苹果产量和品质均有重要影响。

晚霜冻是指在春季温暖季节里，植物表面温度降至植物组织结冰点以下，而使内部组织冻结产生的短时间低温冻害[3]。晚霜冻期间，温度是霜冻灾害指标研究、灾害风险区划和预报预警、防御等防灾减灾系列工作关注的关键因子[4-9]，而此类研究大多以气温为因子。有关霜冻指标的研究方法较多：比如王景红等[10-11]用人工霜箱内部温度探头监测花体温度得出，富士系苹果花蕾及花朵的霜冻指标，其临界温度为-2 ℃；李红英等[12]用霜箱结合大田试验研究了不同品种苹果花的耐冻性，花器官及幼果平均过冷却点为-3.51～-3.27 ℃，结冰点的变化范围为-2.94 ～-2.65 ℃，低温敏感范围为-2.5 ～-3.5 ℃。整体上看，霜冻指标研究是以目标器官温度为因子，对于果园霜冻灾害防御工作来说，存在气温与器官温度之间的差异。前期有人分析了苹果园内外的气温差异，结果表明，苹果园内外温度变化特征一致，但不同时刻、天气、季节、果树物候期测定的温度，两者间有明显差异[13]，苹果树干温度与园内气温变化特征也趋同，同样存在差异[14]，不同冠层温湿度的分布也有差异，且园内果树种植密度使树体冠层微环境也产生差异[15]，所以，用果园外的气温来分析和运用现有的苹果花期霜冻指标存在一定的误差。为给苹果花期霜冻灾害防御与灾后评估评价提供科学依据，本研究对果园气温与花体温度之间的关系进行了分析，并在苹果花发育阶段将霜冻期分为无霜日和有霜日，比较分析了果园气温与花体温度的差异，以便更加精准而精细地利用已有的苹果花期霜冻指标。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验分别于2017 和2018年的4—5月在宁夏银川河东生态园艺试验中心进行。供试材料为富士苹果花，花体温度和果园气温监测仪器为雨根公司RR-8110 植物体内温度自动监测系统，精度为（±0.2）℃，分辨率为0.02 ℃。

2017年4月26日—5月15日，无霜冻发生，天晴，总云量为0.0%～10.7%。将仪器探头分别紧贴距地面1.5 和2.0 m 处的冠层花体表面，于相同高度空置探头，监测果园气温变化，数据每小时传输1 次，同一冠层不同方向设置4 个重复。

2018年4月4—20日，6、7日清晨发生霜冻，6日的总云量为0.0%，7日的总云量为23.3%，每10 min 平均风速在10 m/s 以内，其他时段天空多云或阴，总云量为30%～100%。将仪器探头分别紧贴距地面1.5 和2.0 m 处的冠层花体表面，于相同高度空置探头，监测果园气温变化，为更精细地监测霜冻过程中的温度变化情况，数据每10 min 传输1 次，同一冠层不同方向设置4 个重复。

1.2 统计分析

利用Excel 软件对经质量控制后的数据进行统计，对比分析花体温度与果园气温的变化特征，得出晚霜期无霜日和有霜日花体温度和果园气温的变化特征。应用曲线回归方法分别建立无霜冻日夜间、霜冻过程和花体温度低于0 ℃时的花体温度与果园气温的关系模型（W），利用模型效率系数对模型关系进行检验。

式（1）中：Qr表示实测值，为实测值均值；Qc为模拟值。利用2017年4月26日—5月15日单数日夜间（18:00—6:00）逐时观测数据，建立无霜冻日夜间花体温度与果园气温的关系模型，并用同一时段内双数日的数据进行检验；利用2018年4月6日每10 min 的观测数据建立霜冻过程和花体温度低于0 ℃时花体温度和果园气温的关系模型，并用同年4月7日的数据进行检验。

2 结果与分析

2.1 晴天无霜冻日花体温度与果园气温的变化

2.1.1 晴天无霜冻日花体温度与果园气温日变化分析

2017年4月26日—5月15日为无霜冻日，天晴。通过分析距地面1.5、2.0 m 处的冠层花体温度和果园气温日平均值的变化趋势（图1）可知，距地面1.5 和2.0 m 处的冠层花体温度相近，相同高度的果园气温相近，两者变化趋势也相同，花体温度高于果园气温0.67 ～1.95 ℃。其中，4月26日—5月1日，随着环境温度的上升，花体温度趋于果园气温，当日平均气温为19.46 ℃时，花体温度为20.13 ℃；之后，随着气温的下降，花体温度与果园气温之间的温差增大。将花体温度与果园气温的温差乘以10 可以得知，4月26日—5月15日，气温越高则花体温度越接近气温，反之则温差越大。这与花器官调控自身温度的机制有关，环境温度越适宜花器官生长发育，其调控自身温度抵御外界低温胁迫的响应程度则越弱。

图1 2017年4月26日—5月15日花体温度和果园气温日变化情况Fig.1 Daily temperature variation of flower and orchard air from April 26 to May 15, 2017

2.1.2 晴天无霜冻日花体温度与果园气温逐时变化分析

晴天无霜冻日，分析距地面1.5 和2.0 m 处的冠层花体温度和果园气温逐时变化特征（图2）可知，受辐射影响，花体温度和果园气温均呈单峰变化趋势，且变化趋势同步，均在6:00 时左右达到日最低值，花体温度在14:00 时达到最大值，果园气温延迟2 h 即在16:00 时左右达到最大值。园内平均气温日较差为15.62 ℃，平均花体温度日较差为15.16 ℃。0:00—16:00 时的花体温度比果园气温高0.7 ～2.7 ℃，其中，7:00—13:00 时的花体温度比果园气温高2.0 ～2.7 ℃，17:00—23:00 时两者温度相近，温差小于1.0 ℃。

图2 2017年4月26日—5月15日花体温度和果园气温日均值逐时变化情况Fig.2 Hourly changes daily for the temperature of flower and orchard air from April 26 to May 15, 2017

分析距地面1.5 和2.0 m 处的花体温度和果园气温每5日平均温度逐时变化特征（图3）可知，每5日花体温度和果园气温的平均温度变化趋势一致，且与其总变化趋势一致。这一观测结果表明，在晴天无霜冻的天气条件下，果园气温受昼夜温差和大环境温度变化的影响较小，故在一定范围内可以表示花体温度。

图3 2017年4月26日—5月15日花体温度和果园气温每5日均值逐时变化情况Fig.3 Hourly changes every 5 days for the temperature of flower and orchard air from April 26 to May 15, 2017

2.2 晴天霜冻日花体温度与果园气温变化

2.2.1 晴天霜冻日花体温度与果园气温日变化分析

2018年4月6、7日清晨发生霜冻，6、7日晴，8、10日多云，5、9、11日阴。霜冻调查结果[16]表明，首次霜冻造成花器官部分组织受伤，经历第2 次霜冻后，94%以上的花器官死亡。霜冻前后花体温度和果园气温日平均温度的变化特征如图4所示。由图4可知，5—7日降温及低温霜冻期间花体温度与果园气温日平均温度差异较大，相差2.39 ～3.55 ℃。首次霜冻前降温及霜冻过程中花体温度和果园气温的温差较大，7日清晨霜冻时间加长，导致花器官受霜冻危害加重，温差较首次霜冻减小，这可能是由花器官抗寒能力减弱所致。将花体温度与果园气温的温差乘以5，据此得知，8—11日霜冻后随着气温上升，温差缩小为1.14 ～1.60 ℃，稍大于没有霜冻发生时的温差。此时花器官因遭受2 次霜冻危害致死而丧失自身温度调节功能，两者间的温差主要由环境和花器官辐射影响所致。

图4 2018年4月5—11日花体温度和果园气温日均值的变化情况Fig.4 Average daily temperature variation of flower and orchard air from April 5 to 11, 2018

2.2.2 晴天霜冻日花体温度与果园气温逐时变化分析

2018年4月5—8日，霜冻发生前后不同冠层花体温度及果园气温逐时变化特征如图5所示。距地面1.5 和2.0 m 处的果园气温相近，温差为-1.59 ～1.37 ℃，白天（8:00—17:00）果园内距地面1.5 m 处的气温高于2.0 m 处的气温，夜间则相反。太阳辐射在果园内被冠层反射吸收，夜间冠层对近地面的热交换起阻碍作用，导致苹果树林内热损失较少，故不同高度的气温相近。6日10:00—13:00 时，距地面2.0 m 处的花体温度略偏高，其他时段距地面1.5 和2.0 m 处的冠层花体温度也相近。花体温度与果园气温在升温阶段的变化特征与无霜冻发生时的（图2）相似，降温阶段花体温度比果园气温高1.50 ～4.53 ℃。霜冻发生后随着环境温度上升，花体温度趋近于果园气温。遭受2次霜冻后花器官死亡，已丧失温度调节功能，导致花体温度趋于果园气温。

图5 2018年4月5—8日花体温度和果园气温逐时变化特征Fig.5 Hourly temperature variation of flower and orchard air from April 5 to 8, 2018

2018年4月6、7日霜冻过程中花体温度和果园气温的变化特征如图6所示。由图6可知，霜冻过程中花体温度和果园气温的变化趋势一致，前者始终高于后者，高2.16 ～6.37 ℃。当花体温度低于0 ℃时，花体温度比果园气温高2.5 ～4.8 ℃，平均高3.49 ℃，其中74.4%的时间段花体温度比果园气温高3.0 ～4.0 ℃。距地面1.5 和2.0 m 处的花体温度接近，距地面2.0 m 处的果园气温略高于1.5 m 处的果园气温，其温差在1.0 ℃以内，这可能与果园地势低于地平面而使冷空气下沉有关。相同高度冠层的不同方位花体温度略有差异：霜冻前白天（8:30—15:30）的温差为0.63 ～1.95 ℃；霜冻过程中的温差为0.07 ～1.42 ℃；霜冻后白天（8:30—16:40）的温差为0.45 ～3.29 ℃。这一结果表明，通过果园气温判断花器官受霜冻危害程度和用花体温度判断霜冻危害程度是有差异的，但是花体温度和果园气温的变化趋势一致，且温差范围尚可探讨，此研究结果可为利用人工气候室、霜冻箱来探究花器官霜冻危害程度奠定基础。

图6 2018年4月6日（A）、7日（B）霜冻过程花体温度和果园气温的变化特征Fig.6 Changes of flower surface temperature and orchard air temperature during frosts on April 6 and 7, 2018

2.3 花体温度与果园气温的关系模型

晚霜期苹果花体温度与果园气温的关系模型见表1。由表1可知，无霜冻日夜间花体温度与果园气温的逐时关系拟合程度最好，霜冻发生过程中每10 min 花体温度与果园气温的关系拟合程度较好，绝对误差均值为0.59 ℃。从模型效率系数的检验结果来看，无霜冻日夜间花体温度的逐时预测值和实测值的吻合程度最好，模型效率系数能达到0.95；霜冻过程中每10 min 花体温度的预测值和实测值的吻合程度较好，模型效率系数能达到0.83，当花体温度低于0 ℃时，气温越低，花体温度计算值的计算误差则越大。

表1 无霜冻日和霜冻过程中花体温度与果园气温的关系模型†Table 1 Relationship of temperature for flower and orchard air during non-frost days and frost days

3 结论与讨论

苹果花期与晚霜期重合，苹果花从花芽萌动到坐果阶段对温度都较为敏感，根据现有指标可知，不同受冻等级的苹果花温差在1.0 ～2.0 ℃，但是，相同受冻等级苹果花耐受低温的持续时间较长[10-12]，可见花器官在结冰点以前，在一定时间内，可以通过调节自身温度来应对外界低温胁迫。本研究分析了晴天无霜日和有霜日花体温度与果园气温的差异情况，在分析花体温度与果园气温关系时能够消除由于花器官受冻丧失应对低温胁迫带来的影响。

观测中发现，无霜冻发生或霜冻发生前后果园内距地面不同高度的气温相近，霜冻发生时距地面2.0 m 处的气温高于1.5 m 处的气温，温差在1.0 ℃以内；无霜冻日和霜冻前后不同冠层花体温度相近。花器官受自身抗寒特性和太阳辐射交互影响，随着气温升高，花体温度趋于果园气温，当气温为19.46 ℃时，花体温度为20.13 ℃；随着气温下降，两者温差逐渐增大。无霜冻日，花体温度的日平均值较果园气温偏高0.67 ～1.95 ℃，霜冻日及前一日偏高2.39 ～3.55 ℃，霜冻日以后偏高0.02 ～2.09 ℃。其中，霜冻发生前降温时段花体温度较果园气温偏高1.5 ～4.53 ℃，霜冻发生时偏高2.16 ～6.37 ℃。结合霜冻日及霜冻发生期间花体温度与果园气温的关系模型，可为更精准地运用现有的苹果花期霜冻指标提供科学依据。

由于太阳辐射与园内辐射的影响，果树同一冠层不同方位的花体温度不同，霜冻发生时及其前一日的白天，温差最大能达到1.95 ℃，霜冻过后白天温差最大能达到3.29 ℃，可见不同方位的花体温度受环境影响明显，这是防霜过程中需要考虑的因素之一。另外，富士系苹果花的耐冻性比金冠、嘎啦等品种弱[12]，本研究只分析了富士苹果花体温度与果园气温的关系，其他品种苹果花体温度与果园气温的关系还需进一步分析。