宁夏玉米苗期霜冻指标试验研究

马国飞，姜琳琳，李 阳，徐 青

（1.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；2.宁夏气象科学研究所，宁夏 银川 750002）

春季晚霜冻是我国主要农业气象灾害之一，在我国北方特别是东北和西北地区最为严重[1-3]。在气候变化背景下，春季晚霜冻呈现高频率、高强度的发生状态，特别是自20世纪80年代以后，宁夏春季晚霜冻发生频率和发生强度明显增加[4-5]。

近年来，有关霜冻对农业的影响研究主要集中在枸杞[6-7]、梨[8-9]、苹果[10-11]、酿酒葡萄[12-13]等经济林果的萌芽、开花和幼果等方面，这为特色作物霜冻灾害防御提供了科学依据。从已有研究来看，农作物如小麦、玉米等霜冻指标的研究报道较少。在气候变暖背景下，作物生育期延长，发育期提前，作物遭受霜冻的影响概率增大[14]，春季晚霜冻对小麦、玉米等农作物的影响开始受到研究人员的关注。王海梅等[15]研究了内蒙古临河主栽玉米品种幼苗霜冻指标，发现玉米幼苗全部致死的最低温度为-5℃，并且不同叶龄期幼苗的抗冻能力存在一定差异。黄成秀等[16]通过大田分期播种试验得出临夏玉米霜冻指标，认为适当延迟玉米播期能够在很大程度上避开霜冻高发阶段，降低玉米幼苗霜冻风险概率。夏权等[17]根据霜冻强度与玉米冻害程度建立了以逐时负地积温与日最低地温为指标的玉米霜冻冻害等级，并在应用中取得了较好效果。这些研究成果为进一步探索玉米苗期霜冻指标，开展霜冻灾害防御提供了宝贵经验。

本试验利用人工霜冻模拟系统研究不同低温环境条件下玉米受冻状况，分析不同低温强度对玉米的影响，确定玉米苗期霜冻指标，以期为宁夏玉米苗期霜冻灾害防御工作提供精确的技术支持和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

在宁夏永宁农业试验基地选取地势平坦的田块，以5 d为间隔期进行分期播种育苗，每次育苗播种2行约300株。待幼苗长至3～4叶时，在试验前3天将玉米幼苗移栽至d=15 cm、h=20 cm的花盆中（每盆移植3株），放置到室外自然环境下炼苗。

1.2 试验仪器

试验采用中国农业科学院研制的MSX-2F型霜冻模拟系统。该系统内设40个热电偶温度传感器，每只传感器按照10 s的时间记录数据，监测试验材料的温度变化。系统能够根据设定好的降温曲线模拟霜冻过程，温度精度为±0.5℃[18]。

1.3 研究方法

1.3.1 霜冻模拟试验霜冻模拟试验有2项。第1项为玉米幼苗过冷却点和结冰点试验。每次选取40株样品，放置在模拟霜箱中，使热电偶传感器贴近玉米茎，试验共重复3次。根据宁夏4月下旬至5月上旬霜冻天气过程的降温幅度及持续时间，结合有关文献资料，以-8.0℃作为最低气温下限温度指标开展试验[4—5，19]。

第2项模拟试验为玉米幼苗霜冻指标试验。试验设计低温处理为-5.0～-1.0℃，以0.5℃为间隔，分别开展不同温度梯度持续0.5、1.0、1.5、2.0 h霜冻模拟试验。为确保降温与实际霜冻过程相似，试验开始前先将霜箱内温度控制在10～12℃，此后按照2～3℃/h的速度将箱内温度降至0℃，随后以0.5℃/h的速度降至处理温度，待处理温度、持续时间达到试验要求后，缓慢升温直至与降温前初始温度相近。

1.3.2 霜冻判别标准试验结束24 h后统计玉米幼苗受冻情况，3 d后补充观测植株死亡或恢复情况。幼苗受冻程度划分如下。未受冻：叶、茎均正常；轻度受冻：1～2片叶受冻，2～3 d后能自然恢复，少量幼苗茎受冻，造成植株死亡；中度受冻：2～3片叶受冻，常温下呈水渍状，约3 d后新叶长出，茎受冻数量明显增加，且无法恢复，植株死亡；重度受冻：叶、茎全部受冻，植株死亡。

2 结果与分析

2.1 玉米幼苗过冷却点和结冰点温度

玉米幼苗过冷却点的频率分布和累积频率如图1所示。由图1可知，玉米幼苗过冷却点在-7.3～-2.8℃，平均为-5.0℃。过冷却点为-4.9～-4.0℃的累积频率达到42.8%，在-5.9～-5.0℃的累积频率为27.4%。随着温度的降低，过冷却点累积频率呈S形曲线分布。

图1 玉米幼苗过冷却点频率分布和累积频率

研究中通常用过冷能力反映植物体组织抗寒能力的强弱[18]。过冷能力用结冰点与过冷却点温度之差表示，温度差（即温度的“跃升值”）越大，组织的过冷能力越强。本试验表明，玉米幼苗结冰点为-3.8～-2.0℃，平均为-2.5℃，过冷能力为0.3～5.1℃，平均为2.5℃，这说明玉米幼苗存在个体抗寒能力差异较大的情况（表1）。

表1 玉米幼苗过冷却点、结冰点及过冷能力对比 ℃

2.2 不同强度低温及其持续时间对玉米幼苗的影响

室内模拟试验过程中发现，玉米在低温影响下，叶片最先受冻，这说明叶的耐寒性低于茎，当1～3片叶全部受冻而茎未受冻时，在正常温度环境下约3 d茎长出新叶，而当茎受冻时，则会直接导致玉米死亡。随着低温强度和低温持续时间的变化，玉米茎与叶片受冻率明显增加（表2）。当温度为-2.5～-1.5℃，持续时间为0.5～1.5 h时玉米幼苗未出现明显受冻，而当低温持续时间达到2 h，茎叶出现受冻症状；当温度低于-3.0℃时，仅持续0.5 h玉米幼苗受冻，这说明玉米幼苗对-3.0℃以下低温较敏感，且随着低温持续时间延长，茎受冻率增加，幼苗受冻致死率上升，当温度低于-4.0℃、持续1.5 h，或温度低于-4.5℃、持续0.5 h，玉米幼苗受冻致死率接近或达到100%。

表2 不同低温及其持续时间下玉米茎、叶受冻百分比 %

2.3 玉米苗期霜冻指标的确定

关于植物霜冻指标划分，考虑到实际应用的便捷性，大多数关于霜冻指标划分的研究通常以低温分布范围和灾损程度确定霜冻等级。本试验借鉴此类方法，结合前文分析结果，综合考虑玉米幼苗在不同低温及其持续时间下的症状，依据玉米受冻状态下的幼苗致死率，将玉米苗期霜冻指标划分为无、轻度、中度和重度4个等级，详见表3。

表3 玉米苗期霜冻指标等级及主要症状

3 讨论与结论

3.1 讨论

MSX-2F型霜冻模拟系统在设定降温过程中，因箱内只能控制温度条件，对于湿度、风速、光照等无法控制，箱内环境与自然环境有一定差异，研究确定的霜冻指标与霜冻等级也会与实况有一定差别。王静等[20]研究了高、中、低3个湿度梯度对富士苹果花蕾、子房的霜冻指标的影响，发现干燥和高湿环境均可降低富士系苹果花蕾和花朵的过冷却点，有助于苹果花蕾、子房抗寒性的提高。通常情况下，降温过程最低气温发生在清晨05:00—07:00[15]，此时近地层空气湿度通常较高，对玉米抗寒性的提高会产生一定作用。在确定玉米苗期霜冻指标的前提下，研究不同空气湿度对玉米霜冻指标的影响对霜冻灾害防御工作具有重要的指导意义。

另外，有关试验表明不同品种的抗寒性也有一定差异[8]，现阶段玉米品种繁多，在不同玉米品种对干旱、低温冷害等灾害的响应方面的研究较多[21—22]，而关于不同玉米品种苗期霜冻指标的研究报道较少，筛选不同抗寒性玉米品种对于提升粮食安全具有重要意义，这也是本项研究后续工作的主要目标。

3.2 结论

1）玉米幼苗全部致死的最低温度为-4.0℃（持续1.5 h）或-4.5℃（持续0.5 h时）。玉米幼苗的过冷却点主要分布在-7.3～-2.5℃，结冰点为-3.8～-2.0℃，过冷能力为0.3～5.1℃。

2）在不同强度低温及其持续时间影响下，玉米幼苗受冻状况也有所不同。当最低气温为-2.5～-1.5℃且持续2 h，幼苗出现受冻状态；当最低气温低于-3.0℃，仅需0.5 h幼苗出现受冻状态，因此-3.0℃是玉米幼苗低温敏感性的温度阈值。