精河枸杞展叶期霜冻气象指标室内模拟研究

胡启瑞，杨明凤，景继福，张鹏程，李迎春*

（1.新疆兴农网信息中心/新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 834700；3.博乐市气象局，新疆 博乐 833400；4.精河县气象局，新疆 精河 833400）

枸杞是新疆红色产业的重要组成部分，目前已成为精河乃至博州林果业发展的重要支柱产业。晚霜冻是指在初春气温回暖季节，受强冷空气影响，土壤表面、植物表面以及近地面空气层的温度骤降到0℃以下，引起农作物植株（茎叶）遭受冻伤或死亡的现象[1]。气候变暖背景下，新疆平均气温呈上升趋势，终霜日提前，初霜日推迟[2-4]。博州地处准噶尔盆地西南缘，春秋两季冷空气活动频繁，霜冻是博州农业的主要气象灾害之一，特别是晚霜冻对处于萌芽期的经济林影响较大，易造成枸杞叶片枝条等的冻害[5-8]。关于霜冻的研究方法，刘伟[9]、王静[10-11]、陈丛敏等[12]利用人工气候箱模拟试验获得酿酒葡萄、果树、巴旦木发生不同程度霜冻的指标；王培娟等[13]采用热量指数法研究玉米冷害指标；段晓凤等[14]利用人工气候室进行宁夏枸杞现蕾期、初花期和盛花期霜冻指标试验，建立了基于低温、持续时间、受冻级别和受冻率的霜冻指标。另外，植物的叶绿素荧光对外界各种胁迫因子十分敏感[15-16]，基础荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、最大光能转化率（Fv/Fm）等常被用作标明环境胁迫程度的指标和探针，相关参数已在很多植物上进行测定以分析其受胁迫程度[17-18]，但很少应用于枸杞霜冻研究。目前对精河枸杞霜冻发生过程中光合及生理特征变化尚不清楚，对精河枸杞霜冻发生的气象条件报道较少。本研究利用人工气候室开展室内模拟试验，分析低温胁迫下枸杞叶绿素含量、相对电导率及形态特征的变化，初步建立精河枸杞展叶期霜冻气象指标，旨在为枸杞春季霜冻预报和预警提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

枸杞低温胁迫试验选取精河县气象局雷达站主栽品种宁杞7号。展叶期剪取树龄相同、无病虫害、长势一致的枝条共计54枝，蒸馏水冲洗干净后用吸水纸吸干水分，将枝条两端进行蜡封，分类贴上标签后用聚乙烯保鲜膜包裹并置于冰盒中带回实验室。温度梯度和持续时间的设置以研究区域历史霜冻灾害发生情况及气象条件分析为基础，设置6个温度梯度和3个不同持续时间。处理温度：常温（CK）、0、-2、-4、-6、-8℃，持续时间：3、6、9 h，每个处理重复3次，人工气候箱内光照强度设置为3 000 Lux。

1.2 测定方法

低温处理结束后，在室温下放置12 h测定荧光参数、叶绿素含量和相对电导率。

荧光参数测定：每个处理取3个枝条，剪取叶片暗适应35 min后利用MINI-PAM（德国，WALZ）测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）等参数[17]，根据Fo和Fm计算光合系统光能转换效率Fv/Fm，Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm。

相对电导率测定：采用电导法测定枝条相对电导率。将枝条剪成0.5 cm长茎段并称取0.5 g茎段置入试管，加20 ml蒸馏水摇匀3 h，再放置3 h后采用SG23型电导仪测定浸出液的初始电导值C。初始电导值测定后沸水中水浴30 min后冷却至室温，静置24 h测定电导值CK，同时测定蒸馏水电导率C0，枝条相对电导率REC%=C-C0/CK-C0×100%。

叶绿素含量测定：每个枝条选取5个叶片用SPAD502叶绿素计测定，取其平均数作为该叶片的SPAD值。

1.3 数据分析

采用Excel和SPSS进行数据处理和显著性分析。

2 结果分析

2.1 低温处理过程中枝条荧光特性的变化

基础荧光（Fo）与叶片叶绿素浓度有关，Fo升高意味着光系统II（PSII）受到伤害或者不可逆失活[19-20]。不同低温及持续时间处理下枸杞枝条叶绿素荧光参数的变化如图1所示。随着温度的降低及低温持续时间的延长，低温胁迫趋于增强，枸杞枝条基础荧光总体呈上升趋势，并且低温持续时间越长，基础荧光升高的幅度也越大。0、-2、-4、-6、-8℃处理下，与CK相比，枸杞枝条基础荧光平均值分别增加2.53%、4.50%、11.63%、18.32%、22.73%。不同时间处理下基础荧光差异显著，与CK相比，3、6、9 h基础荧光分别增加8.87%、11.73%、16.29%。

图1 低温过程中枸杞枝条基础荧光的变化

叶绿素荧光与光合作用各反应过程紧密相关，光能利用率（Fv/Fm）表示叶绿体光系统受到的伤害程度，其大小可反映植物受伤害的程度[21-22]。本试验表明，随着处理温度的降低以及持续时间的延长Fv/Fm呈下降趋势（图2），0、-2、-4、-6、-8℃处理下，与CK相比，Fv/Fm平均值分别下降5.18%、13.35%、26.71%、81.62%、86.5%，-8℃时下降率最高。3、6、9 h时处理下，Fv/Fm平均值分别下降41.28%、67.87%、95.14%，处理9 h光能转化率下降率最高。以上结果表明：低温胁迫使枸杞枝条光系统II生理活性发生变化，低温胁迫下叶绿素的光还原活性降低，光系统II的潜在活性和原初光能转换效率减弱。低温胁迫时间持续越长，Fv/Fm下降幅度越高，受损变化程度差异越显著。

图2 低温过程中枸杞枝条光能转化率的变化

2.2 低温处理过程中叶片叶绿素含量的变化

叶绿素是表征植物光合作用的重要参数，叶绿素含量的稳定性一定程度上反映了低温胁迫对植物的伤害程度，当温度超过一定范围会损伤叶绿体结构，抑制光合作用[23-24]，并且低温持续时间越长叶绿素含量越低。由图3可知，低温胁迫下枸杞叶片叶绿素含量呈下降趋势，0、-2、-4、-6、-8℃处理下，与CK相比，叶绿素含量分别下降19.95%、23.51%、31.10%、59.80%和74.82%。3、6、9 h处理下，叶绿素含量下降率分别为34.88%、42.02%和55.53%。由此说明，低温胁迫对枸杞叶绿素的合成及降解或叶绿体结构造成了一定的负面影响。

图3 低温过程中枸杞叶片叶绿素含量的变化

2.3 低温处理过程中枝条相对电导率的变化

相对电导率是植物受逆胁迫后细胞受损伤程度的重要指标，低温可使细胞通透性增加，而透性的增加与外渗电导率呈正相关[25]。由图4可知，随着处理温度的降低和处理时间的延长，枝条相对电导率呈增加趋势。枝条在0、-2、-4℃处理下，枝条相对电导率与CK差异不显著，当温度低于-4℃后枝条相对电导率明显升高，说明当温度低于-4℃时枸杞枝条质膜受到不同程度损伤，细胞中电解质外渗，相对电导率增加。0、-2、-4、-6、-8℃处理下，与CK相比，相对电导率分别增加11.76%、26.63%、32.50%、47.06%、52.45%。3、6、9 h处理下，与CK相比，枝条相对电导率分别增加34.65%、37.50%、40.57%。

图4 低温过程中枸杞枝条相对电导率的变化

2.4 低温处理过程中形态特征的变化

室内低温模拟结束后，对所有处理进行归纳、总结得到精河枸杞展叶期发生不同程度霜冻的等级指标。由表1可知，温度越低、持续时间越长，枸杞展叶期受冻越严重。当-2℃≤T＜0℃，持续时间在3 h内，会发生轻度霜冻。轻度霜冻时枸杞叶片颜色正常，少量叶片萎蔫，轻微卷曲。当-4℃≤T＜-2℃、持续时间3 h≤t＜6 h或-2℃≤T＜0℃、持续时间6 h≤t＜9 h，会发生中度霜冻。中度霜冻时叶片颜色变暗，部分叶片失水萎蔫卷曲，叶片边缘及尖端逐渐变为褐色，且叶片表面呈水渍状。当-6℃≤T＜-4℃，持续时间t≥6 h或-8℃≤T＜-6℃，持续时间t≥3 h会发生重度霜冻。重度霜冻绝大部分叶片颜色变为褐色，萎蔫卷曲，大部分叶片呈水渍状且木质部变为褐色。

表1 不同低温和时间处理下枸杞展叶期霜冻气象指标

3 结论与讨论

叶绿素荧光对外界胁迫因子十分敏感，本研究将其应用于枸杞枝条观测。研究结果表明：低温胁迫过程中枸杞枝条光合系统活性发生了变化，随着温度的下降和持续时间的延长，枸杞枝条基础荧光呈上升趋势，光能转化率和叶绿素含量下降明显，这与其他植物一致[26-29]，说明可以利用叶绿素荧光参数进行枸杞霜冻研究。

低温胁迫过程中，随着温度的下降和低温持续时间的延长，枸杞枝条相对电导率逐渐增加。植物原生质膜是细胞与外界原环境联系的界面，可有效截取各种逆境引起的损伤，低温胁迫下枸杞枝条因细胞质膜受损致使膜透性发生变化，细胞内含物大量外渗，相对电导率上升，这与其他植物上变化趋势基本一致[30-35]。本研究还发现低温胁迫初期时枸杞枝条质膜并未受到严重伤害，当温度低于-4℃时，枸杞枝条相对电导率明显升高，说明只有当温度下降到某一界限温度时枝条质膜透性才显著增大。此外，当温度低于-4℃时，枸杞枝条、叶片等形态特征与相对电导率、叶绿素含量均开始发生明显变化，低温胁迫下枸杞抗寒性特征变化与相对电导率、叶绿素含量是否有相关性有待进一步深入研究。

在气候变暖背景下春季物候总体呈提前趋势，个别年份初霜冻过早、晚霜冻过晚的极端气候事件成为农业生产需加强防范的灾害性天气[36-37]。实际业务中对枸杞霜冻的调查发现，枸杞发生霜冻危害的程度与以下条件有关：一是枸杞所处的物候期，萌芽前处于休眠期，耐冻能力强。萌芽后随着时间的延后，发生霜冻的危害越重，不仅幼芽、叶片和幼蕾受冻，严重者树液流动的枝条也会受冻。二是与枸杞品种自身抗逆能力、植物营养水平和管理水平有关。本研究通过室内模拟试验对枸杞展叶期霜冻气象指标进行了初步探讨，但研究工作还存在以下不足，一是室内霜冻模拟试验与大田实际霜冻存在一定差别，在今后的研究中，应将室内模拟试验与大田栽培试验结合，对霜冻指标进行修订与完善；二是枸杞其他物候期的霜冻指标也需进行研究，为开展枸杞抗寒性评价和鉴定提供科学依据。