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（寧夏氣象科學(xué)研究所 a.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室；b.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告指出，氣候變化已經(jīng)對中國的農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)造成了一定影響，致使春季物候期提前。氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件增多，霜凍發(fā)生風(fēng)險增大[1-2]。蘋果作為核果類樹種之一，春季開花早，極易遭受晚霜凍的威脅，花期氣象條件對當(dāng)年蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)均有重要影響。

晚霜凍是指在春季溫暖季節(jié)里，植物表面溫度降至植物組織結(jié)冰點以下，而使內(nèi)部組織凍結(jié)產(chǎn)生的短時間低溫凍害[3]。晚霜凍期間，溫度是霜凍災(zāi)害指標(biāo)研究、災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃和預(yù)報預(yù)警、防御等防災(zāi)減災(zāi)系列工作關(guān)注的關(guān)鍵因子[4-9]，而此類研究大多以氣溫為因子。有關(guān)霜凍指標(biāo)的研究方法較多：比如王景紅等[10-11]用人工霜箱內(nèi)部溫度探頭監(jiān)測花體溫度得出，富士系蘋果花蕾及花朵的霜凍指標(biāo)，其臨界溫度為-2 ℃；李紅英等[12]用霜箱結(jié)合大田試驗研究了不同品種蘋果花的耐凍性，花器官及幼果平均過冷卻點為-3.51～-3.27 ℃，結(jié)冰點的變化范圍為-2.94 ～-2.65 ℃，低溫敏感范圍為-2.5 ～-3.5 ℃。整體上看，霜凍指標(biāo)研究是以目標(biāo)器官溫度為因子，對于果園霜凍災(zāi)害防御工作來說，存在氣溫與器官溫度之間的差異。前期有人分析了蘋果園內(nèi)外的氣溫差異，結(jié)果表明，蘋果園內(nèi)外溫度變化特征一致，但不同時刻、天氣、季節(jié)、果樹物候期測定的溫度，兩者間有明顯差異[13]，蘋果樹干溫度與園內(nèi)氣溫變化特征也趨同，同樣存在差異[14]，不同冠層溫濕度的分布也有差異，且園內(nèi)果樹種植密度使樹體冠層微環(huán)境也產(chǎn)生差異[15]，所以，用果園外的氣溫來分析和運用現(xiàn)有的蘋果花期霜凍指標(biāo)存在一定的誤差。為給蘋果花期霜凍災(zāi)害防御與災(zāi)后評估評價提供科學(xué)依據(jù)，本研究對果園氣溫與花體溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，并在蘋果花發(fā)育階段將霜凍期分為無霜日和有霜日，比較分析了果園氣溫與花體溫度的差異，以便更加精準(zhǔn)而精細(xì)地利用已有的蘋果花期霜凍指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗分別于2017 和2018年的4—5月在寧夏銀川河?xùn)|生態(tài)園藝試驗中心進(jìn)行。供試材料為富士蘋果花，花體溫度和果園氣溫監(jiān)測儀器為雨根公司RR-8110 植物體內(nèi)溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)，精度為（±0.2）℃，分辨率為0.02 ℃。

2017年4月26日—5月15日，無霜凍發(fā)生，天晴，總云量為0.0%～10.7%。將儀器探頭分別緊貼距地面1.5 和2.0 m 處的冠層花體表面，于相同高度空置探頭，監(jiān)測果園氣溫變化，數(shù)據(jù)每小時傳輸1 次，同一冠層不同方向設(shè)置4 個重復(fù)。

2018年4月4—20日，6、7日清晨發(fā)生霜凍，6日的總云量為0.0%，7日的總云量為23.3%，每10 min 平均風(fēng)速在10 m/s 以內(nèi)，其他時段天空多云或陰，總云量為30%～100%。將儀器探頭分別緊貼距地面1.5 和2.0 m 處的冠層花體表面，于相同高度空置探頭，監(jiān)測果園氣溫變化，為更精細(xì)地監(jiān)測霜凍過程中的溫度變化情況，數(shù)據(jù)每10 min 傳輸1 次，同一冠層不同方向設(shè)置4 個重復(fù)。

1.2 統(tǒng)計分析

利用Excel 軟件對經(jīng)質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，對比分析花體溫度與果園氣溫的變化特征，得出晚霜期無霜日和有霜日花體溫度和果園氣溫的變化特征。應(yīng)用曲線回歸方法分別建立無霜凍日夜間、霜凍過程和花體溫度低于0 ℃時的花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型（W），利用模型效率系數(shù)對模型關(guān)系進(jìn)行檢驗。

式（1）中：Qr表示實測值，為實測值均值；Qc為模擬值。利用2017年4月26日—5月15日單數(shù)日夜間（18:00—6:00）逐時觀測數(shù)據(jù)，建立無霜凍日夜間花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型，并用同一時段內(nèi)雙數(shù)日的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗；利用2018年4月6日每10 min 的觀測數(shù)據(jù)建立霜凍過程和花體溫度低于0 ℃時花體溫度和果園氣溫的關(guān)系模型，并用同年4月7日的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 晴天無霜凍日花體溫度與果園氣溫的變化

2.1.1 晴天無霜凍日花體溫度與果園氣溫日變化分析

2017年4月26日—5月15日為無霜凍日，天晴。通過分析距地面1.5、2.0 m 處的冠層花體溫度和果園氣溫日平均值的變化趨勢（圖1）可知，距地面1.5 和2.0 m 處的冠層花體溫度相近，相同高度的果園氣溫相近，兩者變化趨勢也相同，花體溫度高于果園氣溫0.67 ～1.95 ℃。其中，4月26日—5月1日，隨著環(huán)境溫度的上升，花體溫度趨于果園氣溫，當(dāng)日平均氣溫為19.46 ℃時，花體溫度為20.13 ℃；之后，隨著氣溫的下降，花體溫度與果園氣溫之間的溫差增大。將花體溫度與果園氣溫的溫差乘以10 可以得知，4月26日—5月15日，氣溫越高則花體溫度越接近氣溫，反之則溫差越大。這與花器官調(diào)控自身溫度的機制有關(guān)，環(huán)境溫度越適宜花器官生長發(fā)育，其調(diào)控自身溫度抵御外界低溫脅迫的響應(yīng)程度則越弱。

圖1 2017年4月26日—5月15日花體溫度和果園氣溫日變化情況Fig.1 Daily temperature variation of flower and orchard air from April 26 to May 15, 2017

2.1.2 晴天無霜凍日花體溫度與果園氣溫逐時變化分析

晴天無霜凍日，分析距地面1.5 和2.0 m 處的冠層花體溫度和果園氣溫逐時變化特征（圖2）可知，受輻射影響，花體溫度和果園氣溫均呈單峰變化趨勢，且變化趨勢同步，均在6:00 時左右達(dá)到日最低值，花體溫度在14:00 時達(dá)到最大值，果園氣溫延遲2 h 即在16:00 時左右達(dá)到最大值。園內(nèi)平均氣溫日較差為15.62 ℃，平均花體溫度日較差為15.16 ℃。0:00—16:00 時的花體溫度比果園氣溫高0.7 ～2.7 ℃，其中，7:00—13:00 時的花體溫度比果園氣溫高2.0 ～2.7 ℃，17:00—23:00 時兩者溫度相近，溫差小于1.0 ℃。

圖2 2017年4月26日—5月15日花體溫度和果園氣溫日均值逐時變化情況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 處的花體溫度和果園氣溫每5日平均溫度逐時變化特征（圖3）可知，每5日花體溫度和果園氣溫的平均溫度變化趨勢一致，且與其總變化趨勢一致。這一觀測結(jié)果表明，在晴天無霜凍的天氣條件下，果園氣溫受晝夜溫差和大環(huán)境溫度變化的影響較小，故在一定范圍內(nèi)可以表示花體溫度。

圖3 2017年4月26日—5月15日花體溫度和果園氣溫每5日均值逐時變化情況Fig.3 Hourly changes every 5 days for the temperature of flower and orchard air from April 26 to May 15, 2017

2.2 晴天霜凍日花體溫度與果園氣溫變化

2.2.1 晴天霜凍日花體溫度與果園氣溫日變化分析

2018年4月6、7日清晨發(fā)生霜凍，6、7日晴，8、10日多云，5、9、11日陰。霜凍調(diào)查結(jié)果[16]表明，首次霜凍造成花器官部分組織受傷，經(jīng)歷第2 次霜凍后，94%以上的花器官死亡。霜凍前后花體溫度和果園氣溫日平均溫度的變化特征如圖4所示。由圖4可知，5—7日降溫及低溫霜凍期間花體溫度與果園氣溫日平均溫度差異較大，相差2.39 ～3.55 ℃。首次霜凍前降溫及霜凍過程中花體溫度和果園氣溫的溫差較大，7日清晨霜凍時間加長，導(dǎo)致花器官受霜凍危害加重，溫差較首次霜凍減小，這可能是由花器官抗寒能力減弱所致。將花體溫度與果園氣溫的溫差乘以5，據(jù)此得知，8—11日霜凍后隨著氣溫上升，溫差縮小為1.14 ～1.60 ℃，稍大于沒有霜凍發(fā)生時的溫差。此時花器官因遭受2 次霜凍危害致死而喪失自身溫度調(diào)節(jié)功能，兩者間的溫差主要由環(huán)境和花器官輻射影響所致。

圖4 2018年4月5—11日花體溫度和果園氣溫日均值的變化情況Fig.4 Average daily temperature variation of flower and orchard air from April 5 to 11, 2018

2.2.2 晴天霜凍日花體溫度與果園氣溫逐時變化分析

2018年4月5—8日，霜凍發(fā)生前后不同冠層花體溫度及果園氣溫逐時變化特征如圖5所示。距地面1.5 和2.0 m 處的果園氣溫相近，溫差為-1.59 ～1.37 ℃，白天（8:00—17:00）果園內(nèi)距地面1.5 m 處的氣溫高于2.0 m 處的氣溫，夜間則相反。太陽輻射在果園內(nèi)被冠層反射吸收，夜間冠層對近地面的熱交換起阻礙作用，導(dǎo)致蘋果樹林內(nèi)熱損失較少，故不同高度的氣溫相近。6日10:00—13:00 時，距地面2.0 m 處的花體溫度略偏高，其他時段距地面1.5 和2.0 m 處的冠層花體溫度也相近?；w溫度與果園氣溫在升溫階段的變化特征與無霜凍發(fā)生時的（圖2）相似，降溫階段花體溫度比果園氣溫高1.50 ～4.53 ℃。霜凍發(fā)生后隨著環(huán)境溫度上升，花體溫度趨近于果園氣溫。遭受2次霜凍后花器官死亡，已喪失溫度調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致花體溫度趨于果園氣溫。

圖5 2018年4月5—8日花體溫度和果園氣溫逐時變化特征Fig.5 Hourly temperature variation of flower and orchard air from April 5 to 8, 2018

2018年4月6、7日霜凍過程中花體溫度和果園氣溫的變化特征如圖6所示。由圖6可知，霜凍過程中花體溫度和果園氣溫的變化趨勢一致，前者始終高于后者，高2.16 ～6.37 ℃。當(dāng)花體溫度低于0 ℃時，花體溫度比果園氣溫高2.5 ～4.8 ℃，平均高3.49 ℃，其中74.4%的時間段花體溫度比果園氣溫高3.0 ～4.0 ℃。距地面1.5 和2.0 m 處的花體溫度接近，距地面2.0 m 處的果園氣溫略高于1.5 m 處的果園氣溫，其溫差在1.0 ℃以內(nèi)，這可能與果園地勢低于地平面而使冷空氣下沉有關(guān)。相同高度冠層的不同方位花體溫度略有差異：霜凍前白天（8:30—15:30）的溫差為0.63 ～1.95 ℃；霜凍過程中的溫差為0.07 ～1.42 ℃；霜凍后白天（8:30—16:40）的溫差為0.45 ～3.29 ℃。這一結(jié)果表明，通過果園氣溫判斷花器官受霜凍危害程度和用花體溫度判斷霜凍危害程度是有差異的，但是花體溫度和果園氣溫的變化趨勢一致，且溫差范圍尚可探討，此研究結(jié)果可為利用人工氣候室、霜凍箱來探究花器官霜凍危害程度奠定基礎(chǔ)。

圖6 2018年4月6日（A）、7日（B）霜凍過程花體溫度和果園氣溫的變化特征Fig.6 Changes of flower surface temperature and orchard air temperature during frosts on April 6 and 7, 2018

2.3 花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型

晚霜期蘋果花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型見表1。由表1可知，無霜凍日夜間花體溫度與果園氣溫的逐時關(guān)系擬合程度最好，霜凍發(fā)生過程中每10 min 花體溫度與果園氣溫的關(guān)系擬合程度較好，絕對誤差均值為0.59 ℃。從模型效率系數(shù)的檢驗結(jié)果來看，無霜凍日夜間花體溫度的逐時預(yù)測值和實測值的吻合程度最好，模型效率系數(shù)能達(dá)到0.95；霜凍過程中每10 min 花體溫度的預(yù)測值和實測值的吻合程度較好，模型效率系數(shù)能達(dá)到0.83，當(dāng)花體溫度低于0 ℃時，氣溫越低，花體溫度計算值的計算誤差則越大。

表1 無霜凍日和霜凍過程中花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型?Table 1 Relationship of temperature for flower and orchard air during non-frost days and frost days

3 結(jié)論與討論

蘋果花期與晚霜期重合，蘋果花從花芽萌動到坐果階段對溫度都較為敏感，根據(jù)現(xiàn)有指標(biāo)可知，不同受凍等級的蘋果花溫差在1.0 ～2.0 ℃，但是，相同受凍等級蘋果花耐受低溫的持續(xù)時間較長[10-12]，可見花器官在結(jié)冰點以前，在一定時間內(nèi)，可以通過調(diào)節(jié)自身溫度來應(yīng)對外界低溫脅迫。本研究分析了晴天無霜日和有霜日花體溫度與果園氣溫的差異情況，在分析花體溫度與果園氣溫關(guān)系時能夠消除由于花器官受凍喪失應(yīng)對低溫脅迫帶來的影響。

觀測中發(fā)現(xiàn)，無霜凍發(fā)生或霜凍發(fā)生前后果園內(nèi)距地面不同高度的氣溫相近，霜凍發(fā)生時距地面2.0 m 處的氣溫高于1.5 m 處的氣溫，溫差在1.0 ℃以內(nèi)；無霜凍日和霜凍前后不同冠層花體溫度相近。花器官受自身抗寒特性和太陽輻射交互影響，隨著氣溫升高，花體溫度趨于果園氣溫，當(dāng)氣溫為19.46 ℃時，花體溫度為20.13 ℃；隨著氣溫下降，兩者溫差逐漸增大。無霜凍日，花體溫度的日平均值較果園氣溫偏高0.67 ～1.95 ℃，霜凍日及前一日偏高2.39 ～3.55 ℃，霜凍日以后偏高0.02 ～2.09 ℃。其中，霜凍發(fā)生前降溫時段花體溫度較果園氣溫偏高1.5 ～4.53 ℃，霜凍發(fā)生時偏高2.16 ～6.37 ℃。結(jié)合霜凍日及霜凍發(fā)生期間花體溫度與果園氣溫的關(guān)系模型，可為更精準(zhǔn)地運用現(xiàn)有的蘋果花期霜凍指標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

由于太陽輻射與園內(nèi)輻射的影響，果樹同一冠層不同方位的花體溫度不同，霜凍發(fā)生時及其前一日的白天，溫差最大能達(dá)到1.95 ℃，霜凍過后白天溫差最大能達(dá)到3.29 ℃，可見不同方位的花體溫度受環(huán)境影響明顯，這是防霜過程中需要考慮的因素之一。另外，富士系蘋果花的耐凍性比金冠、嘎啦等品種弱[12]，本研究只分析了富士蘋果花體溫度與果園氣溫的關(guān)系，其他品種蘋果花體溫度與果園氣溫的關(guān)系還需進(jìn)一步分析。