程婉瑩, 王春艷, 馬嬌麗

(1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 貴陽(yáng) 551400; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081)

霜凍害指較溫暖時(shí)期因冷空氣突然入侵或地表驟然輻射冷卻使植株體溫降至0 ℃以下,使正在生長(zhǎng)發(fā)育的作物受到凍害導(dǎo)致減產(chǎn)、品質(zhì)下降或絕收的災(zāi)害[1]。霜凍害按發(fā)生的時(shí)間分為早霜凍和晚霜凍。晚霜凍害對(duì)我國(guó)小麥生產(chǎn)有很大的影響,黃淮海平原地區(qū)是我國(guó)主要的冬小麥種植區(qū),也是晚霜凍害多發(fā)區(qū)[2]。小麥晚霜凍害主要危害北方冬麥區(qū)幼穗分化進(jìn)入藥隔形成期和四分體時(shí)期的小麥。

目前對(duì)冬小麥晚霜凍害的研究主要有以下六個(gè)方面[3]:冬小麥晚霜凍害的影響及危害(包括產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素[4-5]、植物學(xué)特征[6]、生理生化反應(yīng)[7])、冬小麥晚霜凍害致災(zāi)成因(包括氣象環(huán)境要素[8-9]、人為因素[10]、小麥抗霜凍能力[11-13])、冬小麥晚霜凍害災(zāi)害指標(biāo)(包括形態(tài)學(xué)指標(biāo)[14-16]、氣象學(xué)指標(biāo)[17-18]、綜合指數(shù)指標(biāo)[19-21])、冬小麥晚霜凍害時(shí)空分布特征[2,17-18]、冬小麥晚霜凍害的監(jiān)測(cè)預(yù)警[4,19,21]及冬小麥晚霜凍害防控措施[11-12,22]。

龐錫富等[23]研究得出,冬小麥晚霜凍害于藥隔期形成,主要是氣候因素與冠層遮擋、主莖及分蘗生長(zhǎng)發(fā)育、高度有關(guān)。王夏[8]通過(guò)試驗(yàn)得出冬小麥霜凍害對(duì)低溫敏感的時(shí)期是雌雄蕊末期到藥隔初期。馮玉香等[24]研究得出,冬小麥葉片凍結(jié)后是否受到傷害是由最低葉溫來(lái)決定的,幼穗是否受傷與最低葉溫的關(guān)系相當(dāng)密切。劉紅杰等[12,25]通過(guò)分析氣溫、地溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速與草面溫度,發(fā)現(xiàn)各氣象因子與草面溫度呈極顯著相關(guān)關(guān)系,對(duì)霜凍害的發(fā)生及輕重程度起關(guān)鍵作用;通過(guò)分析農(nóng)田最低氣溫與小氣候中其他氣象因子的關(guān)系,分析其相關(guān)性,利用這些因子模擬晚霜凍害易發(fā)時(shí)段冬小麥冠層內(nèi)最低氣溫估算模型。孟雷等[9]通過(guò)設(shè)置不同土壤表層濕度,探究冬小麥晚霜凍害冠層光譜特征,分析不同土壤表層濕度下冬小麥晚霜凍害對(duì)產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明,冬小麥產(chǎn)量隨土壤表層濕度降低而呈減少趨勢(shì)。可見(jiàn),霜凍害發(fā)生是多種氣象因子相互影響,最終作用于冬小麥幼穗的結(jié)果。

目前,很多學(xué)者包括氣象部門(mén)已研究出預(yù)測(cè)霜凍害的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn),這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)往往以所在地區(qū)的百葉箱日最低氣溫來(lái)對(duì)冬小麥晚霜凍害災(zāi)害等級(jí)進(jìn)行劃分,這與冬小麥?zhǔn)欠袷芎σ约笆芎Τ潭却嬖谝欢ǖ牟罹?。利用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段難以做到及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地預(yù)防冬小麥晚霜凍害及鑒定受災(zāi)程度。而對(duì)冬小麥晚霜凍害進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),對(duì)災(zāi)害進(jìn)行高效率的預(yù)報(bào)預(yù)警,可為政府部門(mén)、一線冬小麥生產(chǎn)單位指導(dǎo)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù),從而將晚霜凍害對(duì)冬小麥產(chǎn)量的損失減少到最低。本研究對(duì)黃淮地區(qū)冬小麥晚霜凍害易發(fā)時(shí)段農(nóng)田小氣候的各氣象因子進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析不同高度上空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度變化規(guī)律,研究農(nóng)田小氣候的各氣象要素對(duì)葉溫、氣溫變化的影響。從而為冬小麥晚霜凍害提供一些科學(xué)依據(jù)。為冬小麥晚霜凍害的預(yù)防預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究地域概況

本試驗(yàn)以豫麥18號(hào)為材料,在河南省商丘市農(nóng)林科學(xué)研究院(34.4°N,115.7°E)試驗(yàn)田進(jìn)行。

河南省商丘市農(nóng)林科學(xué)院地處黃淮麥區(qū)。黃淮麥區(qū)冬小麥播種面積占全國(guó)小麥總播種面積的 35%～40% 。商丘市年平均日照時(shí)數(shù)1 944 h,年平均氣溫14.2 ℃,年平均降水量623 mm,光溫資源豐富,但降水分布不均,南北差異大,氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁,特別是小麥?zhǔn)芡硭獌龅奈：^嚴(yán)重,嚴(yán)重時(shí)可造成30%～50%的減產(chǎn),給當(dāng)?shù)囟←湹母弋a(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)帶來(lái)較大的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器安排及數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)于2014年10月14日播種,一周后出苗,出苗整齊,出苗后采用與附近大田相同的田間管理。拔節(jié)期后在大田中隨機(jī)選取三個(gè)地點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)安裝一套田間監(jiān)視器,拔節(jié)后監(jiān)測(cè)各項(xiàng)氣象要素。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及安裝情況見(jiàn)表1、表2。

表1 田間監(jiān)視器傳感器信息

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及安裝情況

通過(guò)端子和STC把所有傳感器串聯(lián),再通過(guò)RTU把數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器,編程把所獲取的數(shù)字變成測(cè)定的溫濕度、風(fēng)速。

大田小麥3月12日—15日開(kāi)始拔節(jié),3月31日株高為45～50 cm ,幼穗高度為20～25 cm。5月1日開(kāi)花,株高達(dá)75 cm,穗高也達(dá)75 cm(抽穗期)。2015年6月15日進(jìn)行收獲測(cè)產(chǎn)。晚霜凍害發(fā)生的時(shí)期為4月上中旬,受凍影響最大部位為幼穗,因?yàn)檗r(nóng)田氣溫變化的復(fù)雜性,故設(shè)立田間監(jiān)視器監(jiān)測(cè)農(nóng)田中不同高度溫度的變化。

晚霜凍害發(fā)生在05:00—07:00時(shí)階段。田間監(jiān)視器每5 min測(cè)定一個(gè)數(shù)據(jù),根據(jù)當(dāng)年獲取的氣象數(shù)據(jù)來(lái)看,晚霜凍害發(fā)生的時(shí)間在4月1日—21日之間。

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,Excel軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田不同高度的日最低溫變化規(guī)律

為了更真實(shí)地反映夜晚降溫過(guò)程,根據(jù)低溫出現(xiàn)的時(shí)間選擇前一天的12:00時(shí)到后一天的12:00時(shí)日最低溫方案,繪出不同層次日最低溫變化圖。

從圖1可看出,這一階段共有5次升溫、降溫過(guò)程。降溫和升溫過(guò)程都有類似的變化規(guī)律。

圖1 4月1日—4月21日日最低溫變化

2.2 大田不同高度的日最低葉溫的變化規(guī)律

在3株冬小麥上找到4片(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm處)長(zhǎng)勢(shì)較好的葉片,在葉片背面避開(kāi)葉脈處,用專業(yè)膠水把貼片式葉溫傳感器粘在葉片上,每5 min測(cè)定一次植株的葉溫,再運(yùn)用和空氣溫度相同的處理方法,得到的日最低葉溫變化如圖2。

圖2 4月1日—4月21日日最低葉溫變化

從圖2可看出,不同高度的葉溫之間的差別不大,只有在降溫過(guò)程中不同高度的日最低葉溫出現(xiàn)稍許差別。從4月1日—21日這個(gè)階段的變化規(guī)律來(lái)說(shuō),和日最低氣溫的變化規(guī)律是一致的,但不同高度上的葉溫和氣溫相比,變化更小,除3個(gè)降溫過(guò)程中不同高度的葉溫有差別外,其他時(shí)間不同高度上日最低葉溫基本相同。這說(shuō)明植株受外界溫度的影響且本身具有一定的調(diào)節(jié)性。

2.3 大田不同高度的各環(huán)境要素的關(guān)系分析

2.3.1大田不同高度的風(fēng)速變化

從5個(gè)降溫-升溫過(guò)程可看出,不同高度上的降溫過(guò)程都是從溫度相同降低,溫度越高降得越快。不同高度上的溫度呈指數(shù)分布。升溫過(guò)程和降溫過(guò)程正好相反,高度越高溫度升得越快。到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)不同高度溫度一致。根據(jù)其他學(xué)者的研究可知,大田不同高度溫度的變化受其他小氣候因素的影響,所以在大田監(jiān)視器系統(tǒng)中加入了冠層,0.85 m,2 m,3個(gè)層次上的風(fēng)速監(jiān)測(cè),考慮到風(fēng)對(duì)晚霜凍害的影響主要發(fā)生在夜間,所以截取前一天20:00時(shí)到第二天08:00時(shí)的風(fēng)速平均,排除風(fēng)速對(duì)不同高度層之間溫度變化的影響。

從表3可看出,5個(gè)降溫過(guò)程的最低溫度出現(xiàn)時(shí)的風(fēng)速都很小,只有4月13日2 m處最高風(fēng)速達(dá)3.5 m/s,影響農(nóng)田小氣候的冠層風(fēng)速和0.85 m處風(fēng)速都很小,所以本研究中農(nóng)田不同高度的溫度變化不受風(fēng)速的干擾。

表3 3個(gè)不同高度上的夜間平均風(fēng)速

2.3.2土壤溫度變化情況

土壤溫度也是一個(gè)很重要的環(huán)境因素,它影響植株的地下部分,且間接地影響了地上環(huán)境,土壤溫度的變化及其程度的大小決定于熱量收支各項(xiàng)的變化。由于土壤表層與下層土壤進(jìn)行熱量交換,因此下層土壤的溫度也有日變化,所以在0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm土壤深度處安裝傳感器,測(cè)定土壤不同層次上的溫度變化并進(jìn)行土壤日最低溫的分析。

從圖3可看出,日最低土壤溫度的變化規(guī)律和日最低空氣溫度的變化規(guī)律一致,但不同層次上的溫度變化差異明顯,土層深度越小則變化越明顯。這是因?yàn)榈乇砼c下層土壤進(jìn)行熱量交換,因此下層土壤與地表溫度變化相比較,土壤表面溫度日較差最大,深度越深,溫度日較差越小,日最低土壤溫度跟日最低氣溫變化規(guī)律的相關(guān)性越強(qiáng)(即日最低氣溫降幅越大,日最低氣溫降幅越大)。地下30 cm和40 cm處的土壤溫度變化基本不受日最低氣溫的影響,且這兩層的土壤溫度差異不大,基本維持在11～13 ℃之間。土壤溫度即使是地表溫度在空氣溫度最低點(diǎn)時(shí)土壤地表溫度都在5 ℃以上,相對(duì)氣溫來(lái)說(shuō)都要高很多。

圖3 4月1日—4月21日不同層次日最低溫變化

2.3.3土壤水分變化情況

土壤水分和空氣濕度的聯(lián)系非常密切,水分的作用雖然不如溫度對(duì)冬小麥的影響,也是作物整個(gè)生育期很重要的影響因素,尤其是需水關(guān)鍵期。土壤水分是農(nóng)田小氣候很重要的組成氣候因素,所以在5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm土壤層安裝土壤水分傳感器,測(cè)定土壤不同層次上的水分變化。

從圖4可看出,4月份商丘地區(qū)有兩次強(qiáng)降雨天氣,土壤容積含水量迅速變化,使得地表層成為含水量最大的一層,土壤越深,含水量越低,呈現(xiàn)由上到下逐層遞減的形勢(shì),隨著時(shí)間推移,水分的下滲和蒸發(fā)過(guò)程,使得上層水分不斷減少,而30 cm、40 cm層的水分減少量較少,使得在4月8—9日各層的水分相同,最后再變成地表層最低,土壤中水分隨深度的增加而降低。

2.3.4空氣濕度變化情況

空氣中的濕度受土壤水分、溫度等的影響,而在晚霜凍害降溫過(guò)程中,濕度的大小影響農(nóng)作物內(nèi)部降溫的趨勢(shì),所以作為農(nóng)業(yè)小氣候中一個(gè)重要的因素來(lái)說(shuō),濕度的變化也是研究冬小麥晚霜凍害一個(gè)重要的方面。由于空氣濕度本身日變化幅度比較大,而在冬小麥晚霜凍害發(fā)生時(shí)的空氣濕度才真正影響冬小麥內(nèi)部降溫趨勢(shì),所以在4月1—21日期間每日低溫出現(xiàn)時(shí)間段的空氣濕度平均,如表4。

圖4 4月1日—4月21日土壤水分含量變化圖

表4 4月1日到4月21日時(shí)間段內(nèi)平均空氣濕度情況

從表4可看出,除了4月6,7,16日有稍許下降之外,4月1日到4月21日這段時(shí)間內(nèi)空氣濕度都很大,基本都在90%以上,且不同高度上空氣濕度變化不明顯,結(jié)合前面土壤水分可知,在4月1日到4月21日這段時(shí)間內(nèi)有兩次強(qiáng)降雨天氣,期間還有小量降雨過(guò)程,且這一階段商丘一直為陰雨天氣,土壤水分充足,所以空氣濕度都維持在較高水平,降溫過(guò)程中釋放潛熱,使得內(nèi)部層次的降溫變得緩慢,從而溫度的降低幅度減小。

2.4 不同高度的葉—?dú)鉁夭罘治?/h3>

根據(jù)前人研究可知,葉溫是反映晚霜凍害最有效的數(shù)據(jù),葉溫相對(duì)來(lái)說(shuō)較難測(cè)到,葉溫與植株地上部分其他器官的溫度有著密切的相關(guān)性,所以用葉溫做霜凍指標(biāo)比較理想。因葉溫與氣溫有很大的相關(guān)性,但具有一定差距,所以進(jìn)行葉—?dú)鉁夭罘治觥?/p>

從圖5可看出,葉氣溫差基本在0～1 ℃范圍內(nèi),其中最高的時(shí)間段為4月1日—4月3日,這段時(shí)間商丘地區(qū)有強(qiáng)降雨,由葉氣溫差變化可知,降雨能使葉氣溫差增加,單位時(shí)間降水越大,葉氣溫差越大,即葉溫比氣溫大,且這種趨勢(shì)隨單位時(shí)間降雨量增大而增大。從升溫、降溫點(diǎn)可以看出共同的規(guī)律:升溫時(shí)葉氣溫差降低,降溫時(shí)葉氣溫差升高。

圖5 4月1日—21日葉氣溫差變化

2.5 空氣溫度,葉溫及葉氣溫差和各氣象要素的顯著性分析

大田之中不同高度上的空氣溫度、葉溫及葉氣溫差的變化受農(nóng)田小氣候的影響,所以對(duì)這三個(gè)要素和各氣象要素進(jìn)行線性相關(guān)性分析。各氣象要素存在交互作用,為了得出影響這些要素的顯著要素,再進(jìn)行多元線性回歸找出主要的影響顯著要素。

從表5可知,不同高度上空氣溫度的變化受5 cm處空氣濕度的影響。土壤溫度和土壤水分對(duì)空氣溫度的變化沒(méi)有影響。

表5 空氣溫度和農(nóng)田中其他氣象要素間的關(guān)系

從表6可看出,不同高度上的葉溫和5 cm、10 cm處空氣溫度、5 cm處空氣濕度顯著相關(guān),但因?yàn)榭諝鉁囟群涂諝鉂穸戎g的顯著相關(guān)性,所以做多元線性回歸分析。

從多元線性回歸分析結(jié)果可知:葉溫和空氣濕度的變化沒(méi)有顯著相關(guān)性,葉溫主要受5 cm、10 cm層溫度的影響,在10 cm以上則受所在層的空氣溫度的影響。

從表5可以看出,葉氣溫差受很多氣象要素的影響。結(jié)合表6、表7、表8可知,葉溫、氣溫受少量氣象要素的影響,而葉氣溫差是植株抗逆性大小的體現(xiàn),也是植株在降溫過(guò)程中是否受凍害的指標(biāo),葉氣溫差大則說(shuō)明降溫時(shí),植株的調(diào)節(jié)能力強(qiáng),植株的體溫下降速度更緩慢,那么植株受害的幾率將大大降低?？傮w來(lái)看,所有層次的葉氣溫差受到0～10 cm空氣溫度、0～10 cm深的土壤溫度、20 cm層空氣濕度以及20 cm、40 cm層土壤水分的影響。就單一層次而言,10 cm以下的植株受到空氣溫度、土壤溫度、20 cm層空氣濕度以及20 cm、40 cm層土壤水分的影響。而10 cm以上也會(huì)受0～10 cm空氣溫度、0～10 cm深的土壤溫度、20 cm層空氣濕度以及20 cm、40 cm層土壤水分的影響,同時(shí)還受所在層次的空氣溫度的影響。

表7 影響葉溫的顯著要素

表8 葉氣溫差和農(nóng)田中其他氣象要素間的關(guān)系

為了更加清楚地得出各單一氣象要素對(duì)葉氣溫差的影響以及影響的效應(yīng),故做多元線性回歸分析,剔除各氣象要素間的交互作用。

去除氣象因素間交互作用后,可知葉氣溫差主要受土壤上下10 cm以內(nèi)的空氣溫度,土壤溫度的影響,所在高度處的空氣溫度以及20 cm以下水分的影響。空氣溫度下降受20 cm處空氣濕度的影響,這說(shuō)明在晚霜凍害發(fā)生時(shí)土壤溫度以及土壤水分對(duì)植株是否受害有顯著的保護(hù)作用。

3 結(jié) 論

1) 降溫過(guò)程中日最低氣溫不同高度的溫度呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì),日最低葉溫不同高度的溫度呈線性遞減規(guī)律。

不同高度上日最低氣溫呈對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì),而日最低葉溫呈線性遞減趨勢(shì),不同高度的葉溫之間的差別不大,只有在降溫過(guò)程中不同高度的日最低葉溫出現(xiàn)稍許差別。這說(shuō)明植株受外界溫度的影響且本身具有一定的調(diào)節(jié)性。

2) 不同高度上日最低氣溫變化受5 cm處空氣濕度的影響。

不同高度上的日最低氣溫受5 cm處空氣濕度的影響,而土壤溫度和土壤水分對(duì)空氣溫度的變化沒(méi)有影響。因此在冬小麥晚霜凍害預(yù)防中可以增加近地面的空氣濕度來(lái)減緩農(nóng)田中溫度的下降速度。

表9 影響葉氣溫差的顯著要素

3) 不同高度上的日最低葉溫受5 cm、10 cm處空氣溫度和所在高度的日最低溫影響。

日最低葉溫的變化規(guī)律與5 cm、10 cm處日最低氣溫及所在層次的變化規(guī)律顯著相關(guān),但不同高度上的葉溫和氣溫相比,變化更小。

4) 葉氣溫差受0～10 cm日最低氣溫、0～10 cm土壤溫度、20 cm以下深度土壤水分以及所在層次的日最低氣溫的綜合影響。

葉氣溫差主要受土壤上下10 cm以內(nèi)的空氣溫度、土壤溫度的影響,所在高度處的空氣溫度以及20 cm以下水分的影響。空氣溫度下降只受20 cm處空氣濕度的影響,這說(shuō)明在晚霜凍害發(fā)生時(shí)土壤溫度以及土壤水分對(duì)植株有顯著的保護(hù)作用。這是因?yàn)橥寥罍囟雀摺⑼寥浪趾吭龈?降溫時(shí)與地表之上進(jìn)行熱量交換,減緩地表之上的溫度下降速度。所以總體來(lái)看,植株葉氣溫差的變化不僅受空氣溫度變化的影響,還受農(nóng)田小氣候的其他氣象因素的影響,且影響不可忽視。

本研究通過(guò)揭示大田溫度各氣象要素在不同高度的關(guān)系和變化規(guī)律,給冬小麥晚霜凍害的預(yù)防預(yù)警和監(jiān)測(cè)提供一些依據(jù),旨在結(jié)合冬小麥發(fā)育時(shí)期,幼穗的生長(zhǎng)情況,找出更好反映晚霜凍害受害程度的因素。