河套灌区脱水青红椒终霜冻气象指标研究

包佳婧，孔德胤

（内蒙古巴彦淖尔市农业气象试验站，内蒙古临河 015000）

0 引言

河套地区是中国最大的脱水加工青红椒生产基地，每年种植青红椒面积在1万hm2左右，脱水青红椒经济价值高，增产潜力大，目前已成为河套黄灌区主要的出口产品之一[1]。但青红椒属喜温蔬菜，其幼苗期极易受终霜冻危害，终霜冻是内蒙古河套灌区脱水青红椒生产和发展的主要限制因素之一。如移栽过早遭遇到终霜冻会造成青红椒幼苗生长受阻或茎秆、叶片受冻，轻者造成减产，重者绝收。如移栽过晚则收获期推后，加工企业收购价低，抢占不到价格优势。脱水青红椒的发育期大致分为播种期、发芽期、出苗期、定植期（移栽期）、现蕾期、开花期和坐果期，在避开霜冻的情况下大田移栽时间越早，收获期越早，收购价格越高，坐果采摘期越长，产量越高。因此终霜冻指标的确定对脱水青红椒产业的丰产减灾显得尤为重要。

细胞结冰通常会给植物带来致命性伤害，当温度降至冰点以下时，植物细胞液可降至冰点而不结冰，继续下降至过冷却点才结冰，这种现象称为“过冷却现象”[2]。过冷却点被认为是植物器官抵抗冻害的临界温度，是描述植物抗寒性的重要指标，测量简单，得出的数据直观可靠[3-4]，可为进一步研究霜冻指标提供参考依据。

植物的光合过程是对温度响应最敏感的生理过程。针对低温胁迫对不同植物光合速率的响应一直是研究热点，郭淑红等[5]、吕优伟等[6]将光合指标作为评价植物抗寒性的重要指标。目前，光合参数指标已普遍应用于各种蔬菜的低温胁迫研究中，比如辣椒[7-8]、番茄[9]、黄瓜[10]。许耀照等[11]研究低温胁迫对设施彩椒幼苗生长指标及光合特性的影响，但关于脱水青红椒幼苗的霜冻指标的研究目前尚未见报道。因此本文通过设置不同程度的霜冻模拟环境，处理不同苗龄青红椒幼苗，分析处理后脱水青红椒叶片过冷却点、结冰点及光合参数各指标的变化情况，确定其霜冻指标为青红椒春季霜冻预报预警及防御提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

脱水青红椒终霜冻田间试验于2019年及2020年的4月中旬至5月中旬在内蒙古巴彦淖尔市农业气象试验站内试验田开展。

1.2 试验材料

供试品种为‘茄门’，是巴彦淖尔市脱水青红椒种植的主栽品种。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

（2）霜箱模拟霜冻试验。与分期移栽试验相同播种间隔时间和育苗方法，共分3期，待最后一期幼苗长至4叶1心时，将3期幼苗移栽至栽培盆中（高12 cm，直径14 cm）。每盘定值长势相同的两株，缓苗后用于霜箱霜冻试验。统计分析临河区2009—2018年的气温资料，寻找临河区春季典型霜冻过程，利用MSX-2F人工模拟霜箱系统模拟不同的日降温天气过程，设置6个典型降温过程（表1），选择4叶1心、6片真叶及8片真叶不同叶龄的幼苗，每个叶龄设置5次重复，霜冻处理后观测植株形态，根据叶片及茎秆的萎蔫情况记录冻伤率和死亡率，同时利用SPAD-502养分速测仪测叶片相对叶绿素含量SPAD值，美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合作用仪测定光合参数。室外温度作为对照(CK)。

表1 各降温模拟过程的温度设定 ℃

1.3.2 田间温度测定 田间脱水青红椒幼苗遭遇霜冻过程观测的数据包括最低气温、最低地面温度以及零度以下持续时间。以临河区气象局国家基本站地面气象观测数据为准。

1.3.3 过冷却点结冰点的测定 将选取的不同叶龄的脱水青红椒幼苗放置于MSX-2F型人工模拟霜箱内，模拟霜箱内有40只TC-40C型热电偶温度传感器可监测试验材料的温度变化。试验时将温度传感器探头固定在植株叶片上，温度传感器与FrosTem40数据采集系统与电脑连接，连续自动记录叶片的温度变化，每10 s记录1次，精度为±0.2℃[2]。试验设置最低气温为-5、-4、-3、-2、-1、0℃ 6个典型降温过程，模拟春季自然降温。

植物发生霜冻害是由于细胞间水发生结冰引起的，而结冰的主要条件是温度降到冰点和存在冰核[12]。随着霜箱内温度下降到一定程度时，幼苗叶片细胞溶液达到冰点却不结冰，而是进入过冷却状态，当环境温度继续下降到低于幼苗自身能抵御的最低温度即过冷却点(supercooling point)时，细胞液由液态转变为固态，开始结冰释放潜热，此时叶片温度会突然骤升，温度变化曲线出现峰值跳跃的现象，该曲线骤升的起点温度为过冷却点T1。回升到一定温度后，细胞溶液内冰晶核形成，温度不再上升，晶体增长，放热与吸热处于平衡状态，此时温度即结冰点(freezing point)T2。植物组织的过冷却点和结冰点不是一个数值，而是一个范围，随植物发育期、季节、环境、冰核细菌数量等各种因素而变化[13-17]。

1.3.4 光合参数的测定 测定各处理幼苗叶龄一致、未受冻的叶片，低温处理后冻死的幼苗放弃观测。光合参数测定时光强和CO2浓度设置与外界实际情况一致，于霜冻结束的当天上午9:00—11:00时测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和细胞间隙CO2浓度(Ci)。测定前各处理均在对照条件下恢复60 min，每处理5次重复。

1.3.5 冻伤情况统计 霜箱低温处理后室外无遮挡放置 24 h统计幼苗的冻伤（死）情况，48 h后观测死亡情况。受冻程度划分为5种情况：未受冻、轻度受冻（叶缘受冻蜷缩、轻微水渍状，数天后可恢复，受冻率<30%）、中度受冻（1、2片叶冻死，株心叶片能正常生长，受冻率在30%～70%）、严重受冻（茎、叶均受冻，植株倒伏，数天后可恢复，受冻株在70%以上）、植株死亡。

1.4 统计分析

数据采用SPSS 23和Excel 2010进行数据分析。采用One-way ANOVA单因素方差分析和LSD最小显著差异法进行组间差异比较。

2 结果与分析

2.1 田间分期移栽试验脱水青红椒霜冻情况调查

2019年临河区5月中旬的13日（最低气温-0.2℃，最低地温-3.7℃）及20日（最低气温0.5℃，最低地温-3.1℃）发生2次霜冻过程。观测2次霜冻过程试验田青红椒幼苗受冻情况。此时脱水青红椒幼苗，第一期处于4叶1心期，第二期处于6片真叶期。田间受冻情况在受冻当日午后进行调查，其中第一期幼苗遭受13日霜冻冻害，全部冻死。第二期幼苗遭受20日霜冻冻害，表现为叶缘水渍状，有轻度冻伤，受冻率在20%左右。

措施二：对基坑周边进行限载，限制基坑两侧重型运输车辆通行；加强现场施工组织管理，合理组织施工节拍，形成流水作业，在具备基坑封底条件下，及时完成底板施作，负二层侧墙、中板、负一层侧墙、顶板施工紧密衔接。

2020年4月中下旬的17日（最低气温0.8℃，最低地温-1.4℃）及21—22日（22日最低气温-5.3℃，最低地温-7.5℃）发生2次霜冻过程，此时青红椒幼苗处于四叶一心期，17日霜冻过程对青红椒幼苗无影响，遭受21日霜冻后，青红椒幼苗受冻情况表现为叶缘水渍状有轻度冻伤，受冻率在10%左右。遭受22日霜冻后，青红椒幼苗全部冻死。具体见表2。

表2 2019、2020年4—5月脱水青红椒苗期降温过程温度记录及冻害反应

2.2 脱水青红椒幼苗冻伤、冻死情况分析

处于4叶1心期、6片真叶期和8片真叶期的脱水青红椒幼苗抵抗冻能力不同。从表3可以看出，在0、-1℃处理组中，脱水青红椒幼苗没有出现冻害。在-2℃处理组中，青红椒幼苗开始表现出冻害，6片真叶期和8片真叶期的脱水青红椒冻伤率比4叶1心期的分别高4%和12%。-3℃处理组中，6片真叶和8片真叶期的青红椒的冻伤率比4叶1心期的高8%和40%。在-4℃处理组中，青红椒幼苗开始出现死亡，6片真叶和8片真叶期的青红椒比4叶1心期的冻死率分别高24%和39%。-5℃处理组幼苗全部冻死。由此可见，脱水青红椒的叶龄越小，抗冻能力越强，-3℃可定为青红椒幼苗冻害的临界温度，可作为轻霜冻温度指标参考值。

表3 不同温度梯度下不同苗龄青红椒幼苗冻伤情况统计表 %

2.3 不同苗龄脱水青红椒幼苗的过冷却点及结冰点

2.3.1 脱水青红椒幼苗的过冷却点和结冰点 不同苗龄青红椒幼苗的过冷却点的范围在-3.4～-4.8℃之间；结冰点的范围在-2.7～-3.2℃之间，平均过冷却点温度为-4.1℃；平均结冰点温度为-2.9℃。

2.3.2 不同苗龄脱水青红椒幼苗的结冰危害临界温度及过冷能力 由表4可见，4叶1期、6片真叶期及8片真叶期脱水青红椒幼苗的结冰危害临界温度逐渐升高，分别为-4.8、-4.0、-3.4℃。组织的过冷能力用结冰点与过冷却点温度之差来表示，温度差（即温度的“峰值跳跃”）越大，组织的过冷能力越强。4叶1心、6片真叶和8片真叶的青红椒幼苗的过冷能力分别为1.6、1.1、0.7℃，平均过冷能力为1.1℃。因此，相对较小叶龄的青红椒，抗寒能力较强。-3.4℃为青红椒幼苗最小结冰危害临界温度，可作为轻霜冻温度指标参考值。

表4 不同叶龄青红椒幼苗叶片的过冷却点与结冰点 ℃

随着苗龄的增长，脱水青红椒幼苗过冷却点及结冰点呈上升趋势。表明随着幼苗的生长，青红椒的抗冻能力是不断减弱的。抗冻能力强弱顺序为4叶1心期＞6片真叶期＞8片真叶期。

2.4 相对叶绿素含量SPAD值的变化情况

从图1可看出，低温胁迫下，脱水青红椒幼苗叶片叶绿素含量（SPAD值）与对照相比明显下降(P<0.05)。随低温胁迫温度降低，叶绿素含量呈下降趋势，同时苗龄越大叶绿素含量越低。

图1 不同处理对脱水青红椒叶片叶绿素含量的影响

2.5 光合参数的变化情况

2.5.1 对脱水青红椒叶片净光合速率Pn的影响 从图2可知，脱水青红椒幼苗经不同温度胁迫后叶片的净光合速率Pn迅速下降，且下降幅度较大，接近0值。说明脱水青红椒叶片在经过低温胁迫后光合系统受到严重破坏。

图2 不同处理对脱水青红椒叶片净光合速率的影响

2.5.2 对青红椒叶片气孔导度Gs的影响 叶片气孔导度Gs是反映植物与外界进行CO2和水汽交换能力的重要生理指标。从图3中可以看出，在各低温胁迫后，脱水青红椒幼苗气孔导度Gs数值4叶1心期>6片真叶期>8片真叶期，其中4叶一心期比8片真叶期显著偏高(P<0.05)。相同处理温度，随苗龄的增长Gs呈下降趋势。

图3 不同处理对脱水青红椒叶片气孔导度的影响

2.5.3 对青红椒叶片胞间CO2浓度Ci的影响 从图4中可以看出，-1℃低温胁迫下，4叶1心期脱水青红椒叶片的胞间CO2浓度Ci与对照相比无显著性差异，6片真叶期和8片真叶期与对照相比显著下降(P<0.05)，分别下降18%和29%。-2℃低温胁迫下，4叶1心期脱水青红椒叶片的胞间CO2浓度Ci与对照相比显著升高21.4%(P<0.05)，6片真叶期和8片真叶期与对照相比无显著性差异。-3℃低温胁迫下，4片真叶期、6片真叶期及8片真叶期的脱水青红椒幼苗与对照相比显著上升(P<0.05)，分别上升22.9%、30.5%、13.3%。同时-1℃和-2℃各苗龄的胞间CO2浓度Ci也与Gs有相似的变化规律，随苗龄的增长Ci呈下降趋势，但差异不显著。

图4 不同处理对脱水青红椒叶片胞间CO2浓度的影响

3 结论与讨论

通过6个最低温度设定为-5～0℃降温模拟过程，观察脱水青红椒幼苗的受冻情况，监测整个过程植株叶片的温度变化情况。得到脱水青红椒幼苗出现冻害表现的温度是-2℃，达到30%受冻率轻霜冻的温度是-3℃，出现死亡的温度是-4℃，全部致死的最低温度为-5℃。脱水青红椒幼苗的过冷却点主要分布在-3.4～-4.8℃之间，平均过冷却点温度为-4.1℃。青红椒幼苗叶片结冰点的范围为-2.7～-3.2℃之间；平均结冰点温度为-2.8℃。青红椒幼苗的苗龄越小，则其过冷却点和结冰点越低，组织过冷能力越强，抗寒性越强。

叶片光合速率下降的原因有两类，第一类是由植物自身调节引起气孔关闭的气孔限制因素，表现为胞间CO2浓度Ci的下降；第二类是由光合系统活性降低导致的非气孔限制因素，表现为Ci的上升[18]，光合速率下降原因的判断依据是Ci的变化方向而非变化幅度。本研究结果表明，在-1℃低温胁迫下，6片真叶和8片真叶期的Ci、Gs显著下降，说明此时Pn下降主要由气孔因素限制引起的，即叶片的部分气孔关闭，Gs下降，气体交换受阻，减少了CO2的供应；而在-3℃低温胁迫下，各苗龄脱水青红椒叶片的Gs显著下降，但Ci却显著上升，说明此时Pn下降主要由非气孔因素限制导致，即光合系统或光合作用酶活性遭到破坏，光合能力下降所致，限制和阻碍了气孔中CO2的利用，使CO2积累导致Ci显著上升，这与蔡月琴等研究结果较为一致[19]。从光合参数方面分析，考虑-3℃为脱水青红椒轻霜冻指标。

由于霜箱测量过冷却点的试验结果精度为±0.2℃，参考《QX/T88—2008：作物霜冻害等级》气象行业标准[20]中青椒霜冻指标精度为0.5℃，最终将河套灌区脱水青红椒终霜冻指标精度确定为0.5℃。确定过程如下：根据过冷却点起点温度，结合大田及霜箱冻伤（死）率及光合参数的变化情况，本文将青红椒轻霜冻指标确定为-3.5℃。中霜冻指标则根据过冷却点温度范围，确定为-5.0～-3.5℃。重霜冻指标由全部致死温度来确定，为＜-5℃。由于脱水青红椒幼苗期更接近地表，将霜箱测得叶温确定为地面温度，确定以上指标为地面最低温度指标，与实际预报应用中的气温还有差距。随着气候的变化、作物的品种及抗寒性的变化、作物与气候的关系的变化，霜冻害指标也是动态变化的过程[21-23]，因该指标还需在实际应用中继续检验，必要时进行适当的修订。