葡萄越冬凍害研究進展

楊 豫， 張曉煜，，3， 丁 琦， 王 靜

(1.寧夏大學，寧夏銀川 750021； 2.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏銀川 750002；3.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏銀川 750002； 4.南京信息工程大學，江蘇南京 210044)

我國是葡萄科(Vitaceae Juss.)植物的起源地之一，有悠久的葡萄栽培歷史[1-2]。改革開放以后，葡萄產業得到快速發展，已形成以北方為主的東北、環渤海灣、懷涿盆地、黃土高原、賀蘭山東麓、河西走廊、新疆、黃河故道、西南高原等釀酒葡萄產區[3-4]。我國已成為世界第四大葡萄生產國和第五大葡萄酒消費國[5]。

我國雖然是葡萄生產大國，但還不是葡萄酒生產強國，自然環境是產業發展的限制性因素之一[6]。這是因為我國的自然條件與其他新舊世界葡萄酒生產國有明顯差異[7]。受青藏高原地形的影響，我國是世界同緯度地區夏季最炎熱、冬季最寒冷的地區，這樣的氣候與國外其他葡萄產區的地中海和海洋性氣候有明顯的差異[4-5]，這就為以歐亞種葡萄為主的釀酒葡萄產業發展帶來巨大挑戰。以霜凍和越冬凍害為主的自然災害對我國北方釀酒葡萄產生了很大的影響，尤其是越冬凍害，造成我國北方賀蘭山東麓產區、河西走廊產區、新疆產區釀酒葡萄產量長期低而不穩，葡萄植株缺苗斷行現象非常普遍[8-15]。越冬凍害已成為我國北方釀酒葡萄產業發展的障礙性因素。

越冬凍害是指作物在越冬期間，因長時間處于0 ℃以下低溫環境而喪失生理活動能力，造成植株受害或死亡的現象[16]。葡萄栽培品種性喜溫暖，不耐寒冷，故我國35°N以北地區采用埋土防寒，從而使葡萄樹體安全越冬。黃河中下游地區是不埋土防寒區，但由于每年寒潮到來的時間和強度不同，有時也會出現凍害[17]。

為深入開展葡萄越冬凍害研究，為葡萄的越冬凍害監測、預警、防御等提供科學依據，本文從葡萄越冬凍害成因[18-29，21-23]、抗寒性[24-25]和凍害防御技術[12-16]3個方面綜述了國內外研究動態，并提出了未來研究的思路和方向，為摸清葡萄越冬凍害機制、推動葡萄越冬凍害防御技術和保障葡萄產業健康發展提供參考。

1 葡萄越冬凍害成因

1.1 凍害發生范圍

葡萄是木質藤本冬眠果樹，休眠期的抗寒能力有一定局限，寒冷地區的冬季低溫環境超過抗寒力極限時，植株則發生凍害。葡萄不同部位的抗寒能力不同[26]，總體來說枝蔓比芽眼抗寒，枝蔓可耐受-25～-20 ℃，芽眼可忍受-23～-18 ℃，枝條的抗寒性主要與成熟度相關，成熟度與前期冷馴化相關聯。芽眼比根系抗寒，根系在-4 ℃時出現凍害，在-7～-5 ℃ 時即死亡[27]，不同節位上的芽抗寒力有所不同，未發育完全的芽>第3芽>副芽>主芽[28]。

1.2 樹體死亡原因與氣象條件

葡萄凍害通常與負積溫、10 cm地溫負積溫、低濕日數、蒸發量、高風速日數和凍土深度6個氣象因子相關聯。陳景順等對上述6個主要氣象因子同枝條死亡率做通徑分析，發現低濕度日數與枝條死亡率的相關性最高[19]。艾尼瓦爾·依沙木丁等認為，在各氣象因子中，低濕、地溫負積溫和高風速強烈地作用于枝芽使其失水，是影響枝條死亡的主導因子(低濕度、高風速使枝芽加劇水分散失，低地溫抑制根系活動而影響水分吸收)[20]。董存田等在對葡萄“凍旱”的研究中發現，芽原始體死亡率與時間呈顯著正相關，但最高死亡率不是出現在溫度最低的1月份，反而是氣溫開始回升后的2月23日[21]。在含水量與枝條死亡率的關系研究中，枝條含水量與枝條死亡率存在著極為顯著的負相關關系，說明細胞失水是導致枝條死亡的直接原因[22]。此結果也與柴慈江等研究者將葡萄死亡的原因歸結為葡萄受凍后綜合因素導致的失水結果[23]一致。

2 葡萄越冬凍害防御技術

葡萄生產基地多數規劃在山地丘陵區，可有效降低生產成本，合理開發土地、旅游等資源；同時山地丘陵區空氣清新，日照充足，可收獲優質原料。但不可避免地也在一定程度上增加了葡萄遭遇冷、凍害天氣的概率。因此，在葡萄的品種選擇及其抗寒栽培管理方面就需要花費更大的精力。

2.1 品種選擇

結合當地種植區的具體情況，選擇符合當地生產環境的適宜品種，是葡萄種植生產的首要關鍵任務。葡萄的抗寒性因不同品種而異[24]，山葡萄最抗寒，歐洲種最不抗寒且大多數栽培品種葡萄的抗寒能力不強。在極端最低氣溫低于-35 ℃的嚴寒地區，歐亞種的釀酒葡萄不能安全度過，在冬季極端最低氣溫為-35～-15 ℃的地區必須埋土防寒以保證安全越冬，在極端最低氣溫高于-15 ℃的地區，歐亞種葡萄則不需要埋土。

此外焦奎寶在田間試驗中發現，抗寒性稍弱的沙地葡萄冬葡萄的雜交砧木，由于以粗根為主，扎根深土層，在同樣溫度下反而比淺層根系的河岸葡萄雜交砧木抗寒[25]。因此冬季寒冷地區除了采用抗寒品種外，還要盡量避開根系主要分布在表層的砧木。

2.2 嫁接

在沒有符合當地栽培條件的適宜品種的情況下，采用抗寒品種作砧木進行嫁接也是多年來研究的重要方法。葡萄嫁接中最常用的砧木為山葡萄、貝達、河岸與山河品系[29]。山葡萄是抗寒力極強的葡萄品種，但是山葡萄作砧木嫁接栽培品種親和力不佳，成活率低，難于應用于生產[30]；貝達雖扦插易生根，嫁接親合力強，但是根系抗寒力不如山葡萄，根系只能抵御-12 ℃左右的低溫，在極端天氣下出現凍害現象；河岸品系根系發達，根系抗寒力強于貝達且扦插易生根，可以作為山葡萄的替代砧木；山河二號根系抗寒力與山葡萄相似，可抗-14.8 ℃的低溫，有望代替山葡萄在極寒冷的產區應用。楊丹城等也認為，采用抗寒砧木(如山葡萄、貝達、北醇等)實行嫁接栽培，其越冬防寒過程可大幅度地簡化[31]。

金明麗在蘋果砧木的抗寒性研究中發現，砧木在直接影響接穗的生理生化水平增強抗寒力的同時，也能通過影響樹體大小和樹勢間接影響樹體抗寒能力[32]。1965年楊丹城等用貝達(Beta)葡萄品種作砧木嫁接的栽培品種種植在黑龍江地區，越冬防寒用草量減少約3/4，埋土量減少1/2，第2年生育旺盛而豐產，效果極佳[31]。施獻舉在嫁接試驗中證實了嫁接后的葡萄樹體抗寒性優于嫁接前[33]。郝停停等研究認為，用山葡萄、貝達葡萄雙重砧木的新梢生長量、成活率、苗木質量優于單純用山葡萄作砧木的[34]。

2.3 栽培管理措施

葡萄露地越冬的抗寒能力強弱除與品種遺傳特性相關外，還受秋季枝芽的成熟度、冷馴化、細胞原生質體水分的狀態、營養物質的積累、冬季最低溫度以及低溫持續的時間、早春變溫等諸多因素的影響。防寒越冬是葡萄栽培管理工作中的一項重要技術措施，防寒的方法、時間和質量不僅會直接影響來年產量，而且會決定植株的存亡。

2.3.1 冷馴化 歐洲種葡萄新梢芽眼一般在生長期遇 -6 ℃ 以下的低溫時即受凍死亡，在抗寒鍛煉后則能忍受-18～-16 ℃的低溫[35]。葡萄1年生枝條抗寒力較弱，而老蔓因貯藏的營養物質較多所以比新梢更加抗寒，可抗-26～-20 ℃的低溫。馴化過程可促進新梢枝條木質化、表皮木栓化，從而對冷環境的適應性更強[36]。但幼齡(1～3年生)葡萄樹，長勢旺盛但枝芽不充實，應在早霜出現后提前下架[35]。葡萄落葉提前和產量過高都會延緩冷馴化的進程[37]，林玉友等研究表明，在秋季冷馴化時期，枝條成熟度類似，但低產量霞多麗的抗寒力強于高產量的[38]。馴化時期主要根據氣候和葡萄植株的情況來確定，不宜過早或過晚。培土過早時，葡萄植株得不到充分的抗寒鍛煉，而且培土過早時土溫較高，易導致防寒土堆內霉菌滋生，使葡萄枝蔓遭受病害。但培土過遲時，可能發生土壤凍結培土困難，或者葡萄植株在培土前已受凍情況。所以冷馴化時期要因地制宜，比如沈陽地區大約在10月下旬，遼南、遼西地區在11月上、中旬[39]。

2.3.2 覆蓋材料 大量研究表明，采用葡萄樹葉、秸稈、鋸末、草簾等加塑料膜比只埋土越冬具有明顯的保溫和保濕效果，同時減少機械損傷，翌年葡萄萌芽整齊，生長發育狀況良好[40-42]。高敏通過監測越冬期間的土壤溫度發現，采用保溫被防寒比傳統覆土防寒土溫要高，且第2年的萌芽率和結果率都顯著高于埋土處理[43]。無膠棉被外加覆膜的越冬方式只能使覆蓋物下0～60 cm深度的土溫提高1.08～1.57 ℃[44]，略強于傳統覆土模式。使用聚苯乙烯泡沫顆粒保溫被覆蓋的越冬方式保溫效果最好，翌年葡萄的萌芽率可達81.2%，結果枝率可達到93.7%，聚苯乙烯泡沫具有質量輕、易卷放等諸多優點，且來源于廢棄物再利用，應在生產中大面積推廣。玻璃棉保溫被的保溫效果略次于聚苯乙烯泡沫保溫被，但新梢數量和新梢生長速度大于覆土處理，且成本低于覆土防寒[45]，同樣值得在生產中推廣。

塑料薄膜防寒依然是現在普遍使用的防寒方式，先將塑料薄膜[PVC(聚氯乙烯)膜、EVA(聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物)膜、PE(聚乙烯)膜等]覆于捆綁好的葡萄枝條上，薄膜四周用土埋壓，其上再覆蓋樹葉雜草等，保溫效果好且相對較為簡便；也可覆土或覆蓋保溫被，保溫效果更好，而且這種土覆膜的保溫方式要優于膜覆土[39]。張亞紅等在寧夏地區對釀酒葡萄越冬方式的研究中選用5種防寒方式作對比研究，其結果表明土覆乙烯醋酸-乙烯酯膜的保溫效果最好，翌年葡萄的品質、產量均優于其他覆蓋方式，產量比傳統埋土方式高30%[46]?，F有的新型覆蓋方式都是在原有的基礎上改進的，通過更換新型的保溫材料(如玻璃棉、彩布條[47])來代替塑料薄膜，以期達到更好的保溫效果及更低的成本。不同的覆蓋材料對葡萄越冬期間的溫度影響較大，鄧恩征等在對釀酒葡萄品種赤霞珠的研究中發現，在寧夏賀蘭山產區化纖毯加覆土覆蓋對赤霞珠葡萄的保溫防寒效果最好[48]。李鵬程等的試驗結果表明，采用棉被、玻璃棉、彩條布等防寒材料覆蓋葡萄越冬，覆蓋物下0～60 cm深度土壤溫度較傳統埋土防寒提高了0.34～ 2.32 ℃[49]。在戈壁地上采用黑膠棉處理后保溫效果強于普通產區；黑膠棉、大棚棉被覆蓋后可減少葡萄越冬期間土溫≤-5 ℃低溫持續的天數[50]，保溫效果明顯，能使葡萄安全越冬。

2.3.3 埋藤機 葡萄埋藤機的研究發展以新疆為主，新疆農業科學院農業機械化研究所于1985年研制出了我國第一代葡萄埋藤機——1PM-88型葡萄埋藤機[51]，此款埋藤機雖極大地減輕了勞動強度，但畢竟是初代研究，作業效率不高，適應性較差。2003年遼寧省北寧市農機技術推廣站研制出結構相對簡單的20PF-A型葡萄埋藤機[52]，此機結構更加簡單，拋土更加均勻，但此機要求作業環境為含水率為12%～25%且沒有石塊的沙質土壤，適應性差。2007年新疆生產建設兵團農八師研制出1MP-500型葡萄埋藤機[53]，不僅可以埋土，還可鏟除雜草和疏松土壤，相較于前2款機具，此機具作業效率高、穩定性好，但該機具因為體型龐大，田間操作時需較大空間而不受種植者青睞。2014年吐魯番鄯善縣農機局推出3PMT-62型葡萄開溝埋藤機[54]，可開溝與埋藤同時作業，在生產效率上有了極大提高，但具有同樣的適應性差的缺點，因此也未能得到推廣。此外，還有北京現代農裝科技股份有限公司研制的10PF-90A型葡萄藤埋藤機[55]、新科農機有限責任公司推出的雙側葡萄埋藤機等，在此就不一一贅述。雖然國內研制出的葡萄埋藤機械類型不斷增多，在性能方面也均有提升，但由于我國葡萄產區分布零散，機械化程度較低，各個地區的土壤情況、種植模式、種植規模等條件不同，使現有埋藤機具的推廣都受到了限制，目前仍沒有理想的機具可以完全代替人工。

3 葡萄的抗寒機制

關于葡萄抗寒性的鑒定方法、評價體系及抗寒生理的研究已有諸多成果，認為相對電導率[56-61]、可溶性糖[56-61]、可溶性蛋白[56-65]、游離脯氨酸[56-65]和MDA(丙二醛)[56-67]等指標的含量及變化規律可作為鑒定葡萄抗寒性強弱的依據。

3.1 水分含量變化與抗寒性

賀普超等在葡萄屬野生種抗寒性研究中指出，葡萄組織中自由水和束縛水的比例與葡萄的抗寒性密切相關[62]。細胞內自由水的冰點在0 ℃左右，而束縛水的冰點為-25～-20 ℃。葡萄在遭受凍害時，細胞中束縛水的含量會相對升高，自由水的含量相對變低，組織中的束縛水/自由水比值高，細胞的冰點相應降低，從而使葡萄株系的抗寒能力提高。束縛水相對含量高，細胞保水能力強，同時因為自由水含量少，胞內代謝活動減弱，更有利于抗凍，這與陳佰鴻等的研究結果[63]相同。但蘇李維等認為，11月上旬采摘的葡萄枝條中組織含水量不能作為葡萄抗寒性鑒定的有效指標[57]。

3.2 細胞膜系統與抗寒性

3.2.1 質膜透性與相對電導率 Lyons認為，溫度降低時植物細胞質膜的透性會發生變化[64]。抗寒性不同的植物質膜透性的變化程度不同，抗寒性差的植物遭受冷害時細胞質膜的透性增加幅度更大。抗寒性強的植物遭受低溫傷害時細胞質膜的透性增加幅度較小，多屬于可逆變化，易于恢復。

植物細胞在低溫環境下，質膜會受到嚴重傷害，透性增大從而引起細胞外滲物質增加，細胞外滲物中含有大量電解質，所以可以通過測定外滲電解質含量來比較葡萄抗寒性的強弱，且電解質外滲率變化與細胞質膜透性的變化是一致的。鄧令毅等研究發現，抗寒性弱的葡萄品種相對電導率變化幅度大，而抗寒性強的葡萄品種相對電導率的變化幅度小[65]。艾琳等在研究葡萄根系抗寒能力時發現，葡萄的根系在 -3 ℃ 的抗寒鍛煉比經-1、-2 ℃ 抗寒鍛煉時根系電解質外滲率有所提高，因此葡萄在低溫脅迫下的相對電導率的變化，是判斷葡萄抗寒性強弱的一個重要指標[66]。張倩等在5個葡萄種群的低溫半致死溫度與其抗寒適應性的關系研究中也證實此觀點的正確性，同時表明 -35 ℃ 已超過大多數葡萄品種的臨界溫度LT50，所以-35 ℃后繼續用低溫處理時，不同品種的葡萄枝條之間電導率變化無顯著差異[60]。

3.2.2 脂肪酸不飽和度 葡萄在低溫逆境下，細胞膜系統是植物直接接受低溫凍害的部位，質膜的不飽和脂肪酸含量和膜脂脂肪酸的不飽和度與膜流動性密切相關[66-67]，因此也是植物的抗寒性篩選指標之一?？购詮姷钠咸哑贩N組成細胞膜的膜脂不飽和度高。正常狀態下膜脂為液晶態，當溫度下降到一定程度時膜脂會變成晶態，膜脂的相變會導致原生質體流動緩慢甚至停止流動，造成細胞損傷。因此在低溫馴化過程中，增加不飽和脂肪酸含量、增加磷脂在膜脂中的含量，可提高組織的抗寒性。

3.2.3 丙二醛 MDA是一種對質膜有毒害作用的膜脂過氧化的產物，其含量可以反映植物組織遭受脅迫的程度。蘇李維等研究發現，葡萄枝條的MDA含量在人工低溫處理的初期呈緩慢下降趨勢，且含量隨著溫度的降低而逐漸升高，說明在進行抗寒鍛煉的初期，葡萄在其生理上有一個適應的過程[57]。王依等在試驗中發現，抗寒性強的品種MDA含量低[68]。曹建東等研究發現，隨處理溫度的降低，葡萄枝條中MDA含量高且增加幅度大的品種，其抗寒性弱；含量低且增加幅度小的品種，則抗寒性強[56]。

3.3 滲透調節機制與抗寒性

3.3.1 可溶性糖含量 可溶性糖含量及變化規律在葡萄抗寒性研究中尤為重要。糖可以提高細胞的保水能力、降低細胞冰點溫度和誘導抗寒基因的表達，在植物抗寒生理中可保護細胞膜、原生質體和細胞器的形態結構和功能，提高植物的抗寒性[69]。王麗雪等研究發現，葡萄在低溫馴化中，通過提高葡萄細胞內可溶性糖的含量，可以提高葡萄品種的抗寒性[70]。此結果得到廣泛的認同。艾琳等通過對葡萄根系抗寒性研究認為，低溫鍛煉使可溶性糖含量增加，從而使根系的抗寒力加強[66]。此外，梁艷榮等在研究中指出，抗寒性強的品種在低溫脅迫下淀粉積累早且數量多，顆粒緊實致密；抗寒性弱的品種則淀粉積累晚，顆粒疏松而且數量少?？扇苄蕴沁€可以通過誘導蛋白質和脂肪的合成，促進脫落酸(ABA)的積累來間接提高抗寒性[71]。

3.3.2 可溶性蛋白含量 可溶性蛋白質在植物抗逆生理中的作用類似于可溶性糖：提高細胞內束縛水的含量，同時調節抗寒基因表達，從而提高植物的抗寒性，低溫脅迫可刺激葡萄體內的可溶性蛋白質含量增加。王麗雪等研究認為，可溶性蛋白質含量變化與葡萄抗寒性密切相關。抗寒性弱的品種可溶性蛋白質形成晚、含量低、降解快、降解幅度大，抗寒性強的品種反之[72]。

由于游離氨基酸和可溶性蛋白質一樣都具有很強的親和性，能增強原生質體的保水能力和持水能力，并能增加細胞的溶液濃度[73]。因此，在葡萄抗寒性研究中，游離氨基酸的含量變化被人們廣泛重視。顧靜文在逆境與游離脯氨酸積累的研究中指出，低溫鍛煉可提高游離脯氨酸的含量[74]。因為在低溫條件下脯氨酸合成加強，氧化作用受到抑制，而且低溫逆境使蛋白質的合成減弱，這也就抑制了脯氨酸摻入蛋白質合成的過程。

3.4 保護酶系統對寒害的響應

酶在葡萄物質和能量代謝過程中發揮著重要作用。當植物遭遇低溫脅迫時，植物體會積累過多的活性氧，活性氧平衡就被打破，活性氧積累導致膜脂過氧化，同時還產生較多的膜脂過氧化物，從而使膜結構破壞[75]。此時植物可通過體內的酶促防御系統[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽還原酶(GSH-R)、抗壞血酸過氧化物酶(ASA-POD)等]和非酶促防御系統[還原型谷胱甘肽(GSH)、維生素E、維生素C等]來消除過多的活性氧和膜脂過氧化物，維持細胞膜的正常結構和功能[76-77]。在葡萄抗寒性相關酶的研究中，低溫鍛煉下抗寒性強的葡萄品種中POD、淀粉酶和蔗糖酶活性的增加幅度較大，并且韌皮部中酶活性比木質部中的更高[78]。因此保護酶系統成分在植物體內的濃度和活性高低與葡萄抗寒性強弱有密切的關系，通過測定低溫逆境下保護酶含量來鑒定葡萄抗寒性大小成為比較有效的方法。

3.5 激素與抗寒性的研究

植物對低溫逆境的適應受遺傳特性和植物激素2種因素的制約，低溫逆境能夠促使植物體內激素的含量和活性發生變化，并通過這些變化來影響生理過程。激素是抗寒基因表達的啟動因子，在抗寒基因表達過程中，激素起著調控作用。在低溫逆境下，植物增加的內源脫落酸含量與其抗寒性能力成正比[79]。羅正榮研究認為，ABA與赤霉素(GA)的比值與抗寒性顯著相關，在抗寒鍛煉期間，隨著ABA/GA值升高，抗寒性逐漸增加[80]。簡令成在對柑橘抗寒性研究中表明，ABA/GA值提高只是抗寒基因表達的一個啟動因子，低溫逆境條件改變了柑橘體內源激素的平衡狀態，從而導致代謝途徑發生變化，這些變化是基因活化表達的結果[81]。

4 展望

目前，葡萄越冬凍害成因分析停留在經驗判斷階段，缺乏葡萄生理、生化方面的證據支持。防御技術以經驗居多，定量化、規范化不足，缺乏系統的基礎研究支撐；防御手段涉及面廣，針對性不夠?？购苑矫嬉灿幸恍┭芯浚饕ㄆ咸阎l與根系抗寒性、根系的致死溫度和生理生化指標的變化方面，專門針對大面積栽培的歐亞種釀酒葡萄凍害的研究嚴重不足，缺乏系統研究。另外，葡萄的抗寒性是一個非常復雜的生理生化過程，除受遺傳因素的決定外還受自身的生長勢、感病程度、枝條成熟度等影響。越冬凍害形成的物理、化學、生理機制并不完全清楚。因此，亟待開展深入研究，揭示釀酒葡萄越冬凍害形成機制，建立越冬凍害氣象指標體系。通過釀酒葡萄越冬凍害發生機制研究，為釀酒葡萄越冬凍害預測、損失評估、風險評估、防御等提供科學依據。