霜凍危害機理及風霧防霜凍工程技術的探索與實踐

張彤陽 楊海龍 張杰峰 張宜倉 宋勇倉

我國絕大部分區(qū)域屬于大陸季風性氣候區(qū)，霜凍危害范圍北起黑龍江南至廣西，對農業(yè)生產危害很大，尤其對果園、經濟林、茶園、菜園等危害嚴重。據有關部門統(tǒng)計，我國受到霜凍危害較為嚴重的果園面積在1.2億畝以上，如計算核桃、茶葉、甘蔗、蔬菜等，保守估計面積超過3億畝（表1）。近年來，水果的優(yōu)質產區(qū)向較高海拔和較高緯度地區(qū)集中，霜凍災害的發(fā)生更為頻繁，大面積絕收或大幅減產的情況3～4年就會發(fā)生1次，局部較嚴重霜凍幾乎連年發(fā)生，已成為鞏固果業(yè)主產區(qū)脫貧攻堅成果和果業(yè)高質量發(fā)展的“卡脖子難題”，攻克該項核心技術十分關鍵，也十分迫切。

經過10余年的長期觀察，在反復總結熏煙法、吹風法、覆蓋法、灌水法等（圖1）傳統(tǒng)防霜凍方式失敗原因的基礎上，2021年筆者研究了霜凍危害農作物新生組織的機理，并根據研究成果發(fā)明了風霧防霜凍成套裝備，同時在陜西省銅川市宜君縣福梨農場建成了全國首例風霧防霜凍及水肥藥一體化試驗基地，共安裝了3個型號、10臺套的風霧防霜凍成套裝備（圖2），覆蓋果園面積600余畝。目前已經歷多次防霜凍作業(yè)試驗，均獲得成功。

現就該項工程技術及已取得的技術參數總結如下：

1 霜凍危害的機理和防霜凍理論的研究

經過長期觀察，筆者發(fā)現梨果的花序及幼果在野外持續(xù)低溫環(huán)境下的受損情況如表1、表2所示。

由表2、表3可見，持續(xù)的低溫環(huán)境對梨樹花序及幼果的危害性很大，而蘋果相較于梨果，耐霜凍力稍強；櫻桃、葡萄、獼猴桃、柑橘則較梨樹耐寒力稍弱些；核桃的花序耐寒力更弱，0 ℃持續(xù)1小時以上就有可能絕收。在下雪的情況下，氣溫在-2 ℃且持續(xù)4個多小時的條件下，梨樹的花序仍然能恢復，果柄不會脫落，部分果面會出現凍銹；在出現大霧的情況下，梨花能在-1.2 ℃氣溫條件下基本不受影響。

筆者認為霜凍危害果樹的機理是：花序、幼果等植物新生組織含水量極高且細胞壁脆弱，如氣溫持續(xù)低于0 ℃，細胞內的水分就會因結冰膨脹導致細胞壁破裂，造成細胞壁功能喪失，水分流失，雜菌侵入，從而使花序、幼果受損甚至枯萎。因傳統(tǒng)防霜凍方法效果差的原因：一是熏煙法、灌水法、吹風法均屬于增溫法，但是受到霜凍類型、冷凍強度、持續(xù)時間、風力風向、地形地貌等復雜因素影響，這些措施能提高溫度的幅度均低于0.5 ℃，無法做到確保果園氣溫不低于0 ℃；二是塑料大棚或用塑料膜包裹作物的投資過大，勞動力成本過高，可行性和經濟性較差，且一旦通風降溫不及時就會造成“燒花”、“燒果”；三是噴施抗寒藥劑雖有一定效果，但也無法做到阻止細胞內水分結冰的目的。

風霧防霜凍工程技術是“風霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體的全新的技術方案，目前的實驗結果顯示，該技術方案至少可以實現在氣溫-4 ℃的情況下有效保障花序和幼果細胞內水分不結冰，也就是說能達到有效防霜凍的目的。

2 風霧防霜凍工程技術的原理

針對霜凍危害的機理和防霜凍理論的研究結果，筆者發(fā)明了風霧防霜凍工程技術，其原理是：通過風霧作業(yè)平臺，持續(xù)不斷地營造濃密水霧環(huán)境，在擾動氣流的同時利用水霧攜帶的能量提升果園地面溫度，更重要的是濃密水霧環(huán)境同時為結冰創(chuàng)造充分必要條件，一旦增溫效應不能夠保持果園溫度達到0 ℃，就會迅速在花序或幼果上形成結冰層，隨著氣溫的不斷降低，冰層會不斷增厚，這樣一來，冰層就能夠有效阻斷外部低溫向花序或幼果細胞內傳導的路徑，從而保證花序或幼果的溫度保持在不低于0 ℃的臨界狀態(tài)，這樣細胞內的水分就不會結冰，植株新生組織就得到了有效保護，從而達到防霜凍的目的，同時在噴霧時加入適量抗寒藥劑，以增強細胞的抗逆性，因此，“風霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體的技術路線，大幅提升了防霜凍的效果。

3 風霧防霜凍成套裝備的結構性能

要確保“風霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”技術方案的效果，關鍵點有四個：一是滿足持續(xù)不斷營造濃密水霧環(huán)境并具備在較大范圍擾動氣流的能力，而且必須保證不能“灌花”或沖掉花粉影響到果樹授粉；二是能適應復雜地形，克服復雜氣象環(huán)境的影響；三是高效精準，能做到隨時隨地、要風有風、要霧有霧、要多少有多少；四是具備較遠距離遙控能力，無需操作人員進入潮濕且寒冷的作業(yè)區(qū)域。

該成套裝備的結構包括風霧裝置、塔架、水泵、配藥、供水、配電以及控制系統(tǒng)等。建成的風霧作業(yè)平臺高度12.5米，總功率92.5千瓦，能滿足100秒覆蓋67畝果園作業(yè)區(qū)，產生的霧量可在40分鐘左右達到大霧彌漫的效果，水霧顆粒度50微米左右，每小時噴水量達到12～15米?，遙控距離為300米，1人可同時控制3～5臺裝備，可持續(xù)5小時不間斷噴霧作業(yè)。目前的試驗數據表明，防霜凍作業(yè)時間為3.5小時左右，畝均用水量為0.73米?，畝均用電量52千瓦時，畝均電費不足1.7元，核心裝備使用壽命25年以上。

4 實踐案例簡介

2021年4月14日凌晨03：00，宜君縣福梨農場發(fā)生了典型的輻射型霜凍，當氣溫降至0.5 ℃時，啟動了裝備噴施防霜凍功能液體，04：00整個果園形成大霧彌漫景象，作業(yè)區(qū)溫度為0 ℃，作業(yè)區(qū)外溫度為-1.5 ℃；05：00作業(yè)區(qū)溫度為-1.5 ℃，非作業(yè)區(qū)溫度為-2.5 ℃，果樹的花序和嫩葉出現明顯結冰；06：20日出時，噴霧作業(yè)區(qū)溫度為-2.5 ℃，非作業(yè)區(qū)溫度為-3.5 ℃，06：30噴霧作業(yè)停止，隨即巡查果園發(fā)現，4#噴霧塔和10#噴霧塔因水泵和線路故障，在其控制區(qū)域的花序和嫩葉上未能形成結冰包裹層，在其他區(qū)域，果樹的花序和嫩葉完全被冰層包裹，10：30分巡查發(fā)現結冰層基本融化，12：30巡查發(fā)現4#塔、10#塔控制區(qū)花序嚴重枯萎，其他區(qū)域花序恢復正常狀態(tài)（圖3）。4月15日，延安、榆林地區(qū)降雪，果園出現了典型的平流型霜凍和輻射型霜凍同時發(fā)生的情況，16日02：30果園氣溫降至1 ℃，隨即啟動裝備噴霧作業(yè)，03：30作業(yè)區(qū)溫度-1.5 ℃，04：00果樹的花序和嫩葉已出現結冰現象，06：00非作業(yè)區(qū)域氣溫降至-4 ℃，除了降溫速度快于14日，其他情況基本類似，噴霧作業(yè)持續(xù)至06：30，同樣是10：30冰層融化，12：30西北農林科技大學園藝學院徐凌飛副院長和2名研究生在果園查看，對花序和幼果進行了解剖，發(fā)現柱頭、花蕊和幼果的組織完好無損。隨后的持續(xù)觀察發(fā)現，未正常實施作業(yè)的4#、10#塔控制區(qū)坐果情況極為稀少，其他區(qū)域坐果量正常。

2022年5月1日，該基地再次發(fā)生了輻射型霜凍，氣溫1 ℃時啟動裝備作業(yè)3.5小時，06：00地面和樹上均出現結冰，10：30分巡查發(fā)現，除個別水霧覆蓋不到的邊角地的幼果果面輕微受損，其他區(qū)域均正常。

上述案例充分驗證了筆者發(fā)現的霜凍危害機理以及防霜凍的原理，也驗證了“風霧增溫+冰衣保溫+藥劑抗寒”三維一體技術路線可以將防霜凍的能力提高至-4 ℃，這是傳統(tǒng)的防霜凍方案所無法企及的。由于該套設備的應用，該農場的梨園已實現連續(xù)3年豐收。同時，筆者還聯合了西北農林科技大學機電學院開展了果園授粉、施肥、施藥、通風降溫、灌溉等10多項試驗，均取得良好效果（圖4、圖5）。

5 風霧防霜凍工程技術的主要研發(fā)成果和方向

目前，風霧防霜凍及高效水肥藥一體化裝備（圖6）已取得國家知識產權局實用型專利授權，風霧防霜凍工程技術發(fā)明專利申請已取得國家知識產權局《公示及實質性審核通知書》，在宜君縣福梨農場組建了“陜西省農林業(yè)防減災工程技術研究中心”，將風霧防霜凍及高效水肥藥一體化工程技術作為研究重點，目前正在加快研發(fā)智能控制和遠程控制系統(tǒng)、基于該作業(yè)平臺的授粉液等功能性液體的制備配方以及通風降溫、大田二氧化碳增量緩釋等科研項目進度，不但要實現遠程自動控制防霜凍、疫性病蟲害、高溫高濕災害等，同時對大田作物提高光合作用效率、果園精準授粉、精準施肥、減少農藥化肥和人工投入意義重大。該項工程技術的發(fā)展方向是：建立農作物生命保障和生態(tài)維護技術體系。

6 加快風霧防霜凍工程技術研發(fā)和推廣的意義

該項工程技術屬于顛覆性技術，目前處于國際領先水平，已經有效解決了果園防霜凍、防疫情病蟲害、防高溫高濕災害等難題，同時實現了15分鐘完成600畝果園的授粉作業(yè)，根據作物不同時期需肥規(guī)律精準施用水溶肥，把果園每年1～2次施肥變?yōu)?0次以上施肥，在部分殺菌劑和殺蟲劑試驗方面也取得了一定成果，完全具備成為高標農田升級、農藥化肥減量、保護耕地的關鍵性工程技術裝備。對農林業(yè)提質增效、推動農業(yè)裝備水平實現超越發(fā)展、鞏固脫貧攻堅成果、加速我國農業(yè)現代化進程意義重大。