低溫寡照對海南棚栽西瓜生長的影響及其災害等級指標

侯偉+楊福孫+李尚真等

摘要： 低溫寡照是制約海南塑料大棚栽培西瓜生長發育的主要因素。為研究低溫寡照對海南棚栽西瓜生長發育與產量變化規律的影響并構建災害等級指標體系，基于2012、2013年連續2年冬季海口單層塑料大棚內外氣象資料，在災害來臨前和影響后測定了西瓜相關生長指標并與后期產量進行了統計分析，通過選取最低氣溫、最大降溫幅度和持續天數為致災因子以構建初步等級指標體系。結果表明：（1）過程低溫伴隨著持續寡照同時出現，低溫寡照天氣下氣溫和太陽輻射日變幅小，棚內最低氣溫比外界僅高出1 ℃左右。（2）低溫寡照對西瓜授粉坐瓜和膨大期影響最大，15 ℃以下低溫影響開花授粉，10 ℃以下低溫嚴重影響授粉坐瓜及瓜果膨大，易產生畸形瓜等變態瓜。西瓜產量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有緊密關系，坐瓜率越低，葉面積越小，藤蔓越細，葉綠素含量越低則產量就越低。（3）選取最低氣溫、最大降溫幅度和持續天數為致災因子，并結合減產率將低溫寡照災害等級劃分為輕度、中度、重度3個級別。

關鍵詞： 低溫寡照；西瓜；大棚；生長；災害指標

中圖分類號：S651.04 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0161-05

我國南方簡易塑料大棚以太陽輻射能為主要加熱能源，相比于北方而言，具有熱量資源較充足、運行成本較低的特點 [1]，但低成本的塑料大棚對自然災害的抵制能力較差，易使溫室作物遭受到外界不利環境影響而造成傷害 [2]。對于南方冬季溫室大棚栽培的熱帶或亞熱帶作物而言，低溫寡照是限制作物生長發育的主要因子 [3]，低溫伴隨著陰雨天氣會明顯減弱作物的光合作用，造成作物在生理和形態上的損害，甚至還會嚴重影響到其產量和品質 [4]，低溫寡照氣象災害已經成為限制南方溫室大棚作物生產的主要障礙因素之一 [5]。

目前有關溫室大棚內外氣象要素變化的研究較多，并建立了較多的數學預測模型 [6-9]。涉及對番茄、黃瓜等溫室作物在低溫寡照天氣下的生長發育類研究也多見報道 [10-13]，且構建了較多的寒害災害指標體系 [14-15]，并最終建立了高效的日光溫室低溫預警模型 [16-18]。而有關低溫寡照影響下溫室西瓜生長發育、產量及等級指標的研究則較少。Korkmaz等 [19]研究溫室西瓜在移栽過程中遭受低溫后的影響發現，低溫減少了植株葉面積、葉綠素含量及最終產量，低溫顯著延遲了開花坐瓜的時間。

西瓜原產熱帶非洲，是海南省重要的反季節外銷瓜菜作物之一，但由于冬季易受內地強冷空氣影響而造成較長時間的低溫寡照天氣，對棚栽西瓜影響較大，致使歷年棚栽西瓜面積都維持在0.4萬hm2左右，且有減少的趨勢 [20]。本研究以海南棚栽西瓜主要品種早佳8424為試材，研究2012年冬季（2012年12月至2013年2月）、2013年冬季（2013年12月至2014年2月）低溫寡照期間大棚內外氣象變化規律，調查棚栽西瓜在不同程度低溫寡照下的受害癥狀，測定相關生長指標，并與后期瓜產量進行顯著性分析，以期獲得低溫寡照影響下棚栽西瓜敏感生長期的耐受閾值，并最終結合2年冬季低溫寡照災害致災因子計算出低溫寡照綜合氣象指標，擬構建海南棚栽西瓜低溫寡照氣象災害等級指標體系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為海南冬季塑料大棚主栽西瓜品種早佳8424，采用爬地栽培方式，雙行種植，待幼苗長至4片真葉后移栽至大棚，西瓜進行3蔓整枝，株行距設定為60 cm×250 cm（栽培方式參照海南各地的冬季西瓜種植模式）。

1.2 方法

2012、2013年冬季在海口市靈山鎮大棚西瓜栽培基地進行試驗。采用竹架式結構單層拱圓形塑料大棚，棚長29.6 m，寬4.4 m，高1.9 m，棚膜為PVC無滴膜，膜厚 0.08 mm，大棚開口為東西方向。試驗選定4個大棚處理，對照棚1為在2處棚口朝棚內方向距地面0.5 m處各安置1臺功率為1 800 W的美的暖風機（NTJ18-10S），棚頂處等距安裝8盞功率為40 W的防潮雙管日光燈，在低溫寡照天氣來臨夜間關閉棚口并運行暖風機進行加溫，確保夜間溫度在 15 ℃ 以上（棚內放置2個溫度計以供觀察），在白天10：00—14：00打開棚內所有日光燈以助補光；對照棚2（僅供觀測）不做任何光溫處理，棚內小氣候完全隨外界條件變化；另外選取2個處理棚進行溫度與光照處理，棚內各放置1臺ZG系列羅茨風機，風機距離地面0.5 m，功率設置為10 kW，于低溫寡照天氣下運作以構造棚內西瓜種植方向不同溫度梯度，并且在11：00—14：00使用遮陽網進行3 h的遮陽處理。試驗所選大棚內部均等距安置了4個光溫感應點（距離地面04 m）以對棚內的各氣象要素進行連續觀測記錄，棚外同時也單獨設置了1個觀測感應點以便同步記錄棚外實時氣象變化，氣象數據采集頻率為1次/min。

對照棚和處理棚的西瓜幼苗均是進行同期移栽，分別在2012年11月10日和2013年11月21日開始移栽，4個試驗大棚的西瓜前后進行了4期移栽，每期相隔10 d。氣象觀測項目包括氣溫、太陽輻射、相對空氣濕度、風速、降雨量等，日照時數取至桂林洋地區，由海南省氣候中心提供。觀測儀器由海南省氣象科學研究所提供并安置，儀器安裝按照國家氣象局地面氣象規范進行，每分鐘自動獲取氣象數據資料。儀器采用北京中儀遠大科技有限公司生產的RR-9200自動監測系統和RR-9140自動監測系統。

1.3 測定指標

根據海南省氣候中心及時預報，在低溫寡照來臨前2 d，影響期間，升溫后2 d分別對對照棚1及2個處理棚中所標記西瓜植株的葉面積、葉綠素含量（位于9～14節位的功能葉）、莖粗、坐瓜率及第1茬瓜產量進行測定，其中每個感應點附近隨機獲取3株西瓜，功能葉的選取盡可能避免相互遮光現象。功能葉葉面積采用復印稱重法 [21]測定；葉綠素含量測定使用SPAD-502型葉綠素測定儀；莖粗使用游標卡尺測定坐瓜節位處藤蔓直徑；坐瓜率以第1次坐瓜成功率統計為準；產量通過測定感應點附近8株以上西瓜的第1茬正常瓜的產量并折成每667 m2的產量，大棚試驗測定均重復3次。在低溫寡照災害影響后對西瓜藤蔓生長、葉片狀態、開花授粉、瓜果膨大等情況展開田間調查。

1.5 數據處理

采用Pearson相關系數分析低溫寡照過程的最低氣溫、最大降溫幅度和持續天數3個致災因子與產量之間的相互關系，分析其相互間的關系。利用主成分分析方法對多個致災因子進行最優組合與簡化，以作為棚栽西瓜低溫寡照氣象災害的綜合氣候指標。數據采用Excel 2003進行計算處理并繪制圖表，使用SAS 9.1軟件對數據進行方差分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 冬季大棚內外氣溫與日照時數分析

2012、2013年對海口冬季對照棚2（觀測棚）內外氣溫與日照時數分析發現，棚內外最高氣溫與當天日照時數呈顯著正相關關系，而最低氣溫極小值的出現與寡照的累積量有關（圖1）。說明日照充足可迅速提升當天的氣溫，而過程低溫是伴隨著持續寡照同時出現的，寡照天氣明顯縮短了棚內外的氣溫日較差值。2012、2013年2個冬季，海口出現的低溫寡照天氣影響均以1月份最為嚴重，且全年極端最低氣溫均出現在1月中旬左右，此時正是海南大棚栽培西瓜最敏感的坐瓜期和膨大期，長期的低溫寡照天氣直接影響到西瓜的最終產量與品質，故1月份的低溫寡照天氣應是海南棚栽西瓜種植戶重點防范的不利氣象災害。

2 2 不同天氣條件下大棚內外氣溫和太陽輻射日變化分析

按氣象上日照量分類標準，即日照百分率S≥60%、20%

通過對不同天氣太陽輻射量分析可知：（1）晴天08：00棚內外太陽輻射開始增強，其最大輻射量均在14：00左右出現，而在17：00大幅下降，棚內外的輻射差異大，太陽輻射增大是造成當日氣溫升高及相對空氣濕度降低的主要原因。（2）少云-多云天氣太陽輻射同樣在08：00開始上升，而在12：00—14：00輻射量增幅減緩，棚內外最大輻射在15：00左右出現，說明少云-多云天氣太陽輻射變動異常，相比晴天而言，輻射量有所減少。（3）寡照天氣太陽輻射平穩上升，棚內外最大輻射量在13：00左右出現，往后開始劇烈下降，棚內外輻射差異較小，太陽輻射量大幅減少（表1）。

2 3 低溫寡照下各處理棚之間氣溫與太陽輻射變化規律

參考蔡德存等的低溫寡照標準 [23]，并鑒于低溫寡照天氣對西瓜生長的影響調查結果進行修訂，定義為每天日照時 數≤3 h 為陰天，連續5個陰天為1個低溫寡照過程。由表2可知，對照棚1在低溫寡照持續期間經過暖風機夜間加溫和正午的日光燈補光之后，最低氣溫和太陽輻射量均大于其他各個處理棚，其中最低氣溫均在15 ℃以上，而最大降溫幅度相比其他大棚較小。對照棚2（觀測棚）在2年的低溫寡照過程中最低氣溫均維持在13 ℃左右，僅比外界高出1 ℃左右，且外界僅有76 3%的太陽輻射量能夠到達棚內，這表明了海南冬季大棚的保溫效果和透光率并不理想。2個處理棚在低溫寡照過程中最低氣溫均達到了12 ℃以下，且最大降溫幅度為4 ℃左右，均大于對照棚和外界環境，相比正常大棚而言，遮陽網的覆蓋消減了45 2%左右的太陽輻射量（表2）。

2 3 低溫寡照對西瓜生長的影響

2012—2013年從12月開始海南溫室大棚便開始受到低溫寡照的影響，該月是西瓜伸蔓及開花授粉的重要時期，夜間最低氣溫可降至15 ℃以下。2年調查結果均發現15 ℃以下低溫致使西瓜藤蔓生長緩慢，葉片數減少，節間變長，甚至可造成部分老葉提前萎蔫，并對西瓜開花有一定延遲影響。1月是海南大棚西瓜最易受到低溫寡照影響的月份，極端最低氣溫可降至7 ℃左右，調查發現多數葉片大面積黃化干枯，莖尖生長點開始軟化，并有封頂現象。1月是海南棚栽西瓜授粉坐瓜及膨大的關鍵時期，長時間低溫寡照天氣易導致花粉劣質，授粉坐瓜困難，瓜不易膨大，且后期易產生僵瓜、畸形瓜、空心瓜等變態瓜，對西瓜產量和外觀品質影響最大。2月份低溫寡照災害影響有所減弱，若該月采收西瓜期間遭遇低溫寡照天氣則會推遲西瓜上市，嚴重的會影響到西瓜的品質。

2年試驗調查研究發現，15 ℃以下低溫持續5 d以上會明顯減緩西瓜莖葉生長速率，且會影響到花粉和子房發育形成；8～13 ℃的低溫持續9 d以上則會造成西瓜莖葉明顯損傷，包括葉片黃化、萎蔫及封頂現象，對授粉坐瓜及西瓜膨大有較大影響；7～12 ℃低溫若持續超過12 d則會直接造成西瓜葉片的大面積死亡，花粉質量劣質，不易授粉坐瓜，后期的畸形瓜、空心瓜等變態瓜數量大幅增加（表3）。

2 4 低溫寡照下西瓜生長指標與產量相關性分析

低溫寡照影響前后分別計算出西瓜葉面積、葉綠素含量、莖粗的相對增量（低溫寡照影響后生長指標相對影響前的日均增長量），以夜間溫度不低于15 ℃的對照棚西瓜莖葉生長情況進行比較，并結合相應的低溫寡照災害氣象條件進行分析后得出（表4），15 ℃以下低溫持續5 d以上對西瓜坐瓜期葉面積、葉綠素含量、莖粗、坐瓜率及產量影響顯著，可直接造成西瓜減產近20%；西瓜坐瓜期遭遇8 ℃的極端低溫，并持續9 d以上在13 ℃以下低溫同樣顯著抑制了各項生長指標，可造成西瓜30%以上減產；若極端低溫達到7 ℃，且12 ℃以下低溫持續13 d以上則對各項生長指標產生更大抑制，此時可致使西瓜減產40%以上。隨著低溫的加重及持續時間的延長，西瓜各項生長指標增量逐漸下降，這表明低溫的持續顯著抑制了西瓜的生長并最終導致嚴重傷害。

由西瓜生長指標與第1茬瓜產量的相關性分析結果（表5）可以看出，低溫寡照條件下西瓜各項生長指標與產量有顯著的相關性。葉面積增量和坐瓜率與產量的相關系數最高，均達到90%以上，而莖粗增量和葉綠素增量與產量的相關系數也表現較高，均高于75%。這說明低溫寡照影響下西瓜產量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有密切關系。西瓜植株坐瓜率越低，葉片面積越小，藤蔓越細，葉綠素含量越低，則西瓜的產量也就越低。

2 5 災害等級指標

通過計算低溫寡照天氣極端最低氣溫、最大降溫幅度、持續天數之間的Pearson相關系數得出，低溫寡照影響下3種致災因子之間的相關性系數均達到了0 05的顯著水平（表6），這表明致災因子之間不是孤立存在的，而是相互影響的。

由于3個致災因子之間相關性顯著，為避免存在信息上的重復分析，故利用主成分分析法對3個致災因子進行簡化，以期簡化后的指標能較好地反映出原來指標的主要信息。現對表2中的數據進行標化處理（最低氣溫取最小值），計算其協方差矩陣，并求出協方差矩陣的特征根λ、特征向量[WTHX]ν[WTBX]及累計方差貢獻率G（p）。

作為原來3個致災因子的綜合指標。

HI=-0 600 6X1+0 623 3X2+0 500 7X3。

由上式可知，低溫寡照持續過程中極端最低氣溫X1越低，最大降溫幅度X2越大，持續天數X3越長，則對氣候綜合指標HI的貢獻也就越大，它們對綜合指標的貢獻分別為-0 600 6、0 623 3和0 500 7。將表3中相應的氣象條件帶入綜合氣候指標，并將產量折算為減產率則可以得出海南棚栽西瓜早佳8424的低溫寡照氣象災害等級指標體系（表7）。依據氣候綜合指標值，將海口棚栽西瓜低溫寡照氣象災害劃分為輕度、中度、重度3個等級，隨著綜合指標值的增大，西瓜受災級別和減產率也在同步增加。

3 結論

本研究以海南棚栽西瓜主要品種早佳8424為試材，探討了2012、2013年冬季低溫寡照期間大棚內外氣象變化規律，調查了棚栽西瓜在不同程度低溫寡照下的受害癥狀，測定了相關生長指標，并與后期瓜產量進行了顯著性分析，獲得低溫寡照影響下棚栽西瓜敏感生長期的耐受閾值，并最終結合2年冬季低溫寡照災害致災因子計算出了低溫寡照綜合氣象指標，構建了海南棚栽西瓜低溫寡照氣象災害等級指標體系。這對有效利用大棚增溫作用，高效進行大棚作物生產，開展冬季低溫寡照氣象災害評估、區劃及監測預警有一定的參考價值。

海南冬季氣溫與日照時數呈正相關，日照數多、光照充足可快速提高當天氣溫，而低溫的出現往往伴隨著寡照。棚內最低氣溫較之棚外而言僅高出1 ℃左右，大棚保溫和透光的效果并不理想，這也說明南方塑料大棚保溫的局限性 [24]。晴天條件棚內低溫在18 ℃以上，而高溫能達到40 ℃以上，故正午需提前開棚通風降低氣溫和濕度。低溫寡照天氣棚內低溫一般在15 ℃以下，日照數與輻射量均偏少，全天相對空氣濕度在85%以上。海口地處熱帶，多年極端最低氣溫維持在79 ℃左右 [25]，屬偏低溫范疇，農業生產采用的簡易塑料大棚難以抵抗低溫寡照天氣的危害，這也是海口歷年來氣象災害造成農業損失不斷上升的原因之一。

有研究認為，西瓜生長適宜溫度為20～32 ℃，上限與下限氣溫分別為35 ℃與18 ℃ [26]，15 ℃以下生長受阻，10 ℃以下停止生長，西瓜寒害溫度為≤5 ℃ [27-28]。本研究認為，西瓜不同生長發育期對低溫寡照災害耐受程度不同，伸蔓期西瓜能忍受較強的低溫寡照災害，10 ℃以上短期低溫對其影響不大，授粉坐瓜及膨大期對低溫寡照最為敏感，15 ℃以下低溫持續5 d以上就可影響西瓜開花授粉，而10 ℃以下低溫在相當大的程度上影響了西瓜的坐瓜率及瓜膨大速率。低溫寡照天氣西瓜產量與坐瓜率、葉面積、藤蔓粗度及葉綠素含量有緊密的關系。

選定最低氣溫、最大降溫幅度、持續天數為低溫寡照災害致災因子，由于這3個致災因子之間的相關性明顯，故對其進行了綜合簡化并得到綜合氣候指標，其中最低氣溫、最大降溫幅度和持續天數對綜合指標的貢獻相當，表明此3個致災因子均能較好地代表低溫寡照的危害程度。

本次研究的結果可為西瓜農業設施生產，低溫寡照災害監測預警與災損評估提供有用參考，但部分結論還需進行更長時間的觀測調查和統計分析進行驗證。

致謝：中國熱帶農業科學院詹園鳳、黨選民研究員對試驗提供寶貴意見，海南大學農學院楊重法教授對論文寫作提出寶貴意見，在此致以最誠摯的謝意。

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