脐橙(Citrus sinensis Osbeck)是芸香科柑橘属植物甜橙的一类栽培品种。脐橙是多年生常绿果树,性喜温暖湿润,忌高温和冰(霜)冻,主要种植在热带和亚热带区域。脐橙最早在巴西由甜橙芽变而来,后传入美国并命名为华盛顿脐橙。纽荷尔脐橙是由华盛顿脐橙芽变产生,1978 年引进中国,由于外观漂亮、口感优良、营养丰富,深受消费者青睐。中国是全球最大的纽荷尔脐橙产地,在江西、湖北、湖南、重庆和四川等省(市)广为栽培。
脐橙在一定温度范围内能够正常生长发育,当环境温度低于脐橙生长所需的最低下限温度时,就会造成低温冻害,延缓生长,抑制发育。低温冻害是脐橙生产中最主要的气象灾害之一,主要发生在脐橙越冬期。例如,1999年12月江西出现低温天气过程,赣南极端最低气温普遍在-4~-6 ℃,部分地区达-9 ℃,脐橙遭受大冻害,次年全省脐橙面积和产量均减少一半以上[1]。2009年湖北和江西遭遇持续的低温天气,极端低温达-10 ℃,脐橙出现严重冻害,果园受损,脐橙产量降低[2-3]。1991 年、2005 年、2010 年和2016 年等江西均出现-3 ℃以下极端低温,造成冬季挂果的脐橙落果明显增加[4]。
光合作用是植物生长发育和高产优质的基础,植物90%以上干质量来自叶片的光合作用产物,而光合作用对温度极为敏感[5-6]。柑橘在低温胁迫下,叶绿素含量、光化学效率、电子传递速率和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性降低,光系统Ⅱ反应中心受损或失活,造成光合速率下降[7-8]。低温程度较轻时,植物气孔关闭,气孔导度下降,CO2供应减少,表现为气孔限制;低温程度较重时,植物叶片化学结构破坏,CO2利用率降低,胞间CO2浓度升高,表现为非气孔限制[9-10]。目前,关于不同低温胁迫对脐橙光合性能的影响及发生机制研究鲜有报道。
作物冻害指标及等级标准的制定对低温灾害监测、预警和评估具有重要意义[11-12]。关于柑橘越冬期低温冻害指标研究已有较多报道[13-14]。陈尚模[15]通过柑橘盆栽试验、冻害调查和统计分析等,确定了以日最低气温(Td)为致灾因子的越冬期低温冻害5级等级指标:0级(无冻害)-5 ℃<Td;1级(轻度)-7 ℃<Td≤-5 ℃;2 级(中度)-9 ℃<Td ≤-7 ℃;3 级(重度)-11 ℃<Td≤-9 ℃;4级(严重)Td≤-11 ℃。柑橘低温冻害不仅与低温强度有关,还与降水等气象要素有关[16]。付伟辉等[17]以最低气温和最低气温≤0 ℃天数的乘积,并与11至12月降水距平之和作为柑橘冻害指标。杨爱萍等[18]利用气温、降水及持续时间等,构建了江西省多气象要素的柑橘冻害指标,分单站冻害指数和区域冻害指数,并利用历史柑橘低温冻害实况对其检验;但因指标计算因子的限制,难以直接应用指标对柑橘冻害进行监测、预警和评估。
笔者以纽荷尔脐橙树为材料,利用人工恒温控制箱,开展不同低温处理的果园试验,分析不同低温条件对脐橙光合参数和叶绿素含量的影响,结合形态特征观察,研究脐橙冻害的致灾机制和灾害指标,为柑橘冻害指标制定、防灾减灾和产业发展提供科学支持。
试验在江西省赣州市信丰县脐橙气象试验与技术推广示范基地(114°52′E,25°21′N)进行。试验材料为8 年生的纽荷尔脐橙树,砧木也为纽荷尔脐橙植株。果园为向南山坡,坡度约18°;土壤原为偏酸性红壤,经改良后的土壤适宜脐橙生长。果园常规管理,果树生长发育正常。
在脐橙越冬期,选取果树大小、长势和结果量一致的植株4 株,在向南方向树腰外围随机选取生长适中、叶片健康的一年生果枝(带3 个果实)进行挂牌,对长势一致的果枝末端叶片系红绳标记。
低温试验分两期独立进行,两期试验分别选择新的独立试验(各2株)树进行,共设计5个温度,分别为-3、-4、-5、-6、-7 ℃。第Ⅰ期试验(-5 ℃、-7 ℃)时间为2020年12月25日至2021年1月4日,第Ⅱ期试验(-3 ℃、-4 ℃、-6 ℃)为2021 年1 月5 日至15日。把挂牌标记的果枝放入便携式人工恒温控制箱(RR-CTC102C,北京雨根科技有限公司),果枝基部穿过温控箱一侧的小孔与脐橙树体连接,采用高度可调的三脚架固定好温控箱后进行低温处理,并逐渐达到设定目标温度。温控箱的规格为42 cm(长)×29 cm(宽)×35 cm(高),温度精度为±0.2 ℃。低温处理时段为夜间23:00—翌日7:00,期间无光照。7:00—23:00 取下温控箱,让果枝自然生长。如此循环,连续处理10 d。两期试验分别以同期同一试验树非低温处理(自然生长)的挂牌果枝作为对照(CK)。每个试验处理2 次重复。试验期间外界的气温资料从果园的自动气象观测站获取。
脐橙的越冬期较长,一般在12 月初至翌年2 月底,其间温度较低,植株生长发育较慢。本试验期间,脐橙均处于相对休眠的越冬期,总体上外界温度普遍较低,其他环境条件较为稳定。图1 为试验期间果园环境温度的变化情况。由图1 可知,第Ⅰ期试验期间外界的日平均气温均值为9.5 ℃,日最低气温平均为4.3 ℃。第Ⅱ期试验期内外界的日平均气温均值为5.8 ℃,日最低气温为1.3 ℃。从图中还可以看出,第Ⅰ期试验处理的第6、7、8 天外界日最低气温低于0 ℃,分别为-0.6 ℃、-2.4 ℃、-2.2 ℃。第Ⅱ期试验处理的第4、7、8 天外界日最低气温较低,分别为-0.7 ℃、-3.7 ℃、-4.0 ℃。另外,2020 年12 月1 日至2021 年2 月28 日期间,除试 验期内和2021年1月19日日最低气温出现-1.0 ℃外,其他时间果园环境未出现日最低气温低于0 ℃的天气。
图1 试验期间果园环境的气温变化
Fig.1 Changes of air temperature in the orchard conditions during the trials
Tave.日平均气温;Tmin.日最低平均气温。
Tave.Daily average temperature;Tmin.Dailyminimumtemperature.
于试验处理第3、5、7、10 天的上午10:00,随机选取果枝末端带红绳标记的5 枚叶片,采用光合仪(Li-6800,美国Li-COR公司)测定光合参数,包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。光合仪设置:进入叶室的气体流速500µmol·s-1,叶室混合扇转速10 000 r·min-1,水分含量(w)50%,温度25 ℃,二氧化碳浓度400µmol·mol-1,光照度1000µmol·m-²·s-1(人工光源)。选择同一试验树非低温处理的一年生果枝叶片进行对照(CK)的同步测定。
用SPAD值表示叶绿素含量。测定光合速率的同时,采用SPAD-502叶绿素仪在叶片中部区域,直接测定叶片叶绿素含量,5次重复。
试验期间和结束后7 d内,观察和记录对照和处理果实、叶片和枝条的形态特征。
根据脐橙光合速率和形态特征表现,分析脐橙低温冻害的灾害指标。江西省气象局提供典型年份(1991、1999、2009、2021)和典型脐橙种植县(宁都、兴国、于都、安远、会昌、信丰、寻乌)的最低气温资料,根据《江西气候及其影响评价(1991—2010)》报告[19]中有关脐橙灾害记载资料,结合调查的实际灾情等级(0:无;1:轻度;2:中度;3:重度),对比印证冻害等级指标,计算指标验证吻合率。
采用Excel 2010 和SPSS 17.0 软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行方差分析(α=0.05)。利用Excel 2010软件作图。图中数据为(平均值±标准差)。
图2为不同低温处理对脐橙Pn的影响,与CK相比,低温处理均降低了Pn,同一期试验中低温越低,Pn下降越大(图2)。Ⅰ期试验中-5 ℃和-7 ℃处理分别使Pn平均降低61.0%和99.8%,差异均达显著水平(p<0.05);Ⅱ期试验中-3 ℃、-4 ℃和-6 ℃处理分别使Pn 降低9.4%、21.9%和61.1%,且差异均显著(p<0.05)(图3)。说明低温降低了光合速率与呼吸速率的差值,造成光合作用积累的有机物下降,从而抑制了脐橙的生长。
图2 不同低温处理对脐橙净光合速率的影响
Fig.2 Effects of different low temperature treatments on the net photosynthesis rate of navel orange
数据为(平均值±标准差)(n=5)。不同小写字母表示不同处理同一试验时间差异显著(p<0.05)。下同。
The data are shown as the averages of five replicates±standard deviations.Different small letters in the same processing time indicate significant differences among the different treatments (p<0.05).The same below.
图3 不同低温处理下脐橙光合参数降幅的平均变化
Fig.3 Average changes in the decrease amplitude of photosynthetic parameters of navel orange under different low temperature conditions
降幅=(对照-处理)×100/对照。不同小写字母表示同一指标不同低温处理间差异显著(p<0.05)。
Decrease amplitude= (control- treatment) ×100/control.Different small letters indicate significant differences among different low temperature conditions(p<0.05).
不同低温处理对脐橙Tr的影响与Pn相似(图4)。脐橙Tr的平均降幅随温度降低而增加,-3、-4、-5、-6、-7 ℃处理使Tr 分别降低28.9%、38.5%、50.6%、62.5%、69.5%,差异均达显著水平(p<0.05)(图3)。由此可知,蒸腾作用受低温环境的影响较大,低温使叶内导管和气孔受阻,脐橙自身的调节和控制能力下降,生理过程失调,致使Tr下降。
图4 不同低温处理对脐橙蒸腾速率的影响
Fig.4 Effects of different low temperature treatments on the transpiration rate of navel orange
由图5可知,低温处理降低了叶片的Gs,随着低温强度的增加,气孔导度减小明显。-3、-4、-5、-6、-7 ℃处理使Gs分别降低33.2%、43.9%、45.7%、64.9%、67.7%,差异均达显著水平(p<0.05)(图3)。说明低温条件下,叶片与外界进行气体交换变弱,CO2和水汽在大气和叶片内部组织间的传输阻力增加,从而影响了脐橙的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用,导致脐橙生长受阻。
图5 不同低温处理对脐橙气孔导度的影响
Fig.5 Effects of different low temperature treatments on the stomatal conductance of navel orange
由图6可知,当采用强度较轻的-3、-4 ℃低温处理且低温持续时间较短时,低温处理的Ci与CK 变化不大;但当采用低温强度较重的-5 ℃以下的低温且低温时间较长时,低温处理的Ci 明显高于CK。-3、-4、-5、-6、-7 ℃处理使Ci分别增加8.2%、14.4%、21.3%、30.8%、42.5%,差异均达显著水平(p<0.05)(图3)。说明较强的低温处理严重破坏了脐橙叶片化学结构,CO2利用率明显下降,此时脐橙受低温冻害较重,叶片的外观形态特征表现为卷曲、萎蔫、甚至干枯死亡。
图6 不同低温处理对脐橙胞间CO2浓度的影响
Fig.6 Effects of different low temperature treatments on the intercellular CO2 concentration of navel orange
总之,不同低温处理对脐橙光合参数的影响相似。与对照相比,低温处理均降低了Pn、Tr和Gs,3个参数的平均降幅随温度降低而增加,Ci的表现与3个参数相反。
叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,叶绿素的合成及含量影响光能的捕获和CO2 的固定[20]。图7 显示,低温处理均降低了叶绿素含量(SPAD 值),同一期试验中温度越低,SPAD 值的降幅越大。Ⅰ期试验中-5 ℃和-7 ℃处理分别使SPAD 值平均降低3.8%和5.6%,差异均达显著水平(p<0.05);Ⅱ期试验中-3 ℃、-4 ℃和-6 ℃处理分别使SPAD 值降低3.1%、5.6%和9.1%,且差异均显著(p<0.05)。试验结束后7 d,观察到叶片出现卷曲、萎蔫、甚至干枯死亡,说明低温改变了叶绿素合成与降解的速率,使叶绿素含量降低,影响脐橙光合性能。
图7 不同低温处理对脐橙SPAD 值的影响
Fig.7 Effects of different low temperature treatments on the SPAD value of navel orange
不同低温条件对脐橙形态特征的影响不同。Ⅰ期CK 在试验期间和结束后7 d 内,日最低气温为-2.0~-2.4 ℃(图1),脐橙果实、叶片和枝条生长正常,未出现低温冻害现象。Ⅱ期CK 在试验期间和结束后7 d内,连续2 d出现日最低气温达-4 ℃的低温天气(图1),造成部分叶片卷曲(表1)。
表1 脐橙冻害程度分级
Table 1 Degree classification of freeze injury of navel orange
气温条件Temperature conditions日最低气温Daily minimum temperature,Td/℃-2~-2.4(Phase Ⅰ-CK)-3~-4(Phase Ⅱ-CK)持续时间Number of consecutive time/d试验结束后7 d脐橙的形态特征Morphological characteristics of navel orange 7 days after the end of the trial果实Fruit正常Normal正常Normal试验第3天净光合速率的降幅Decrease in net photosynthetic rate on the third day of the experiment/%冻害等级Grade of freeze injury-3 2 2≥3斑点水渍状Partially water-stained斑点水渍状Partially water-stained水渍状Water-stained水渍状Water-stained水渍状、脱落Water-stained and shedding水渍状、脱落Water-stained and shedding叶片Leaf正常Normal部分卷曲Partially curled部分卷曲Partially curled枝条Branch正常Normal正常Normal正常Normal 6.53无No轻度Mild轻度Mild-4 1~4卷曲Curly 正常Normal 21.17轻度Mild-4≥5-5≥1部分萎蔫Partially wilting萎蔫Wilting 37.04-6≥1部分干枯Partially dry正常Normal正常Normal部分干枯Partially dry 61.29中度Moderate中度Moderate中度Moderate-7≥1干枯、死亡Dry and die干枯、死亡Dry and die 62.91重度Severe
4 个低温处理(-4、-5、-6、-7 ℃)第1 天和-3 ℃处理第3天,叶片开始出现不同程度的冻伤,温度越低,净光合速率的降幅越大。-4 ℃处理第5天,叶片卷曲程度加重,净光合速率降低13.15%。试验结束后7 d,低温处理的果实出现水渍状,叶片发生卷曲、萎蔫、甚至干枯死亡。低温越低,脐橙受冻的外观形态越严重。其中-6 ℃和-7 ℃处理果实出现水渍状、脱落,-7 ℃处理叶片和枝条出现干枯死亡等现象(图8,表1)。总之,-3 ℃持续3 d 或-4 ℃持续1 d 会减少脐橙的光合产物积累,抑制果实和叶片生长,引起低温冻害。
图8 不同处理(CK、-3 ℃、-5 ℃、-7 ℃)结束后7 d 脐橙的形态特征
Fig.8 Morphological characteristics of navel orange 7 days after the end of different treatments(CK,-3 ℃,-5 ℃,-7 ℃)
脐橙冻害等级指标:-4 ℃<日最低气温(Td)≤-3 ℃(≥3 d)或-5 ℃<Td≤-4 ℃(1~4 d)属轻度冻害;-5 ℃<Td≤-4 ℃(≥5 d)或-7 ℃<Td≤-5 ℃(≥1 d)属中度冻害;Td≤-7 ℃(≥1 d)为重度冻害(表2)。对典型年份和典型脐橙种植县进行冻害指标验证,发现脐橙冻害指标验证吻合率为83.7%(表3)。
表2 脐橙冻害等级指标
Table 2 Grading index of freeze injury of navel orange
气温条件Temperature conditions日最低气温Daily minimum temperature,Td/℃-4<Td≤-3-5<Td≤-4-5<Td≤-4-7<Td≤-5 Td≤-7持续时间Number of consecutive time/d≥3 1~4≥5≥1≥1冻害等级Grade of freeze injury轻度Mild轻度Mild中度Moderate中度Moderate重度Severe
表3 脐橙冻害指标验证
Table 3 Index verification of freeze injury of navel orange
注:灾害等级划分为0-无;1-轻度;2-中度;3-重度。表中列出了4 个年份和7 个站点所有出现Td≤-3 ℃的情况。若连续1 d 以上出现Td≤-3 ℃,则仅计算1 次冻害情况。
Note:The grading index of freeze injury of navel orange is classified as:0 is no freeze injury;1 is mild injury;2 is moderate injury;3 is severe injury.All occurrences of Td≤-3 ℃in 4 years and 7 stations are listed in the table.If Td≤-3 ℃for more than 1 consecutive day,only one freeze injury is counted.
站名Station日期Date日最低气温Daily minimum temperature,Td/℃按最低气温和持续天数推算等级Grade calculation based on daily minimum temperature and number of consecutive time ①实际灾害等级Actual grade of freeze injury等级对比Grade comparison②-①站名Station日期Date日最低气温Daily minimum temperature,Td/℃按最低气温和持续天数推算等级Grade calculation based on daily minimum temperature and number of consecutive time实际灾害等级Actual grade of freeze injury等级对比Grade comparison②-①宁都Ningdu会昌Huichang兴国Xingguo信丰Xinfeng于都Yudu安远Anyuan 1991-12-28 1991-12-29 1999-12-23 1999-12-24 2009-01-11 2009-01-14 2021-01-01 2021-01-09 2021-01-12 1991-12-28 1991-12-29 1999-12-23 1999-12-24 2009-01-11 2009-01-14 2021-01-01 2021-01-09 2021-01-12 2021-01-13 1991-12-29 1999-12-23 1991-12-28 1999-12-23 1999-12-24 1999-12-25 1999-12-26 2009-01-11 2009-01-14 2009-01-15 2021-01-12 2021-01-13-5.8-7.5-5.9-4.0-4.5-4.0-3.4-4.8-3.7-3.6-6.3-5.3-3.4-4.2-4.3-3.7-5.0-4.3-3.5-5.0-4.5-3.0-6.5-5.5-4.3-3.3-4.2-3.7-3.1-4.2-3.9 3 2 110102 2 11021 2102 10 1②3 2 111112 2 11121 2102 11 1 0 0 001010 0 0010000000 01 00寻乌Xunwu 1991-12-29 1999-12-23 1999-12-24 1999-12-25 1999-12-26 2009-01-10 2009-01-11 2009-01-12 2009-01-14 2009-01-15 2009-01-16 2021-01-01 2021-01-02 2021-01-09 2021-01-12 2021-01-13 1991-12-29 1999-12-23 1999-12-24 2009-01-11 2021-01-12 2021-01-13 1991-12-29 1999-12-23 1999-12-24 1999-12-25 1999-12-26 2009-01-11 2009-01-14 2021-01-12 2021-01-13-5.8-7.0-6.0-4.2-3.5-3.2-5.3-3.8-5.7-4.3-3.1-4.1-4.0-4.8-5.7-5.7-3.8-5.1-3.0-3.4-3.7-4.0-5.0-4.4-5.1-3.8-3.0-5.0-3.8-4.5-5.3①23 2 2 1112 02 01 22 202②23 2 2 1112 12 11 22 212 00 0 0 0000 10 10000 0100
光合作用是植物生长发育的生理基础,同时对低温极为敏感[5,21-23]。低温通过影响光化学效率、电子传递、Rubisco活性、CO2的供应等光合组分影响植物光合作用[7-8,24-25]。不同植物品种的光合参数对低温响应存在差异。17 ℃低温降低了水稻幼穗分化期叶片的Pn、Tr、Gs和Ci,最后导致产量降低[26-27]。5 ℃低温降低了甜瓜的Pn、Gs和Tr[28]。2~3 ℃低温就会降低温州蜜柑的Pn和Gs,提高Ci[8]。-5 ℃低温处理抑制了冬油菜叶片光合作用,Ci升高,Pn和Gs下降[29]。笔者发现,与CK相比,-3 ℃以下的低温处理降低了脐橙Pn、Tr和Gs,3个参数的平均降幅随温度降低而增加,Ci的表现与3个参数相反。-7 ℃处理第7天和第10天的Ci均高于仪器设定的400µmol·mol-1,呼吸速率大于光合速率,Pn出现负值,说明-7 ℃处理对植株的伤害严重。短期低温处理后,植物可逐渐恢复正常生长[10]。文中Ⅱ期CK 在试验期间,连续2 d 出现日最低气温-3℃~-4℃的低温天气,但低温时间较短,冻害较轻,后期观察到脐橙逐渐恢复生长。
低温条件下,光合速率降低的原因包括气孔因素和非气孔因素,如果Gs和Ci同时减小,则Pn下降的主要原因是气孔因素;如果Gs下降,而Ci维持不变甚至上升,则Pn下降是由叶肉细胞结构被破坏、同化能力降低等非气孔因素所致[9-10,30-31]。本文中,低温使Gs下降,Ci上升,表明非气孔限制是导致脐橙叶片Pn下降的主要原因。低温胁迫下,脐橙叶绿体结构受到破坏,叶绿素合成受阻,光合相关酶活性降低,导致光合有机物积累下降[32-34]。本研究表明,-3 ℃以下的低温使叶绿素合成受阻,气孔导度下降,Ci上升,叶肉细胞结构被破坏,蒸腾速率和同化能力下降,导致叶绿素含量下降,CO2和水汽传输受阻,CO2利用率下降,净光合速率和有机物积累降低,这可能是脐橙果实出现水渍状,叶片发生卷曲、萎蔫、甚至干枯死亡的主要原因。由此,可根据光合参数和脐橙形态特征评判脐橙冻害程度。
陈尚模[15]确定的柑橘低温冻害指标为:-7 ℃<Td≤-5 ℃属轻度;-9 ℃<Td ≤-7 ℃属中度;-11 ℃<Td≤-9 ℃属重度;Td≤-11 ℃属严重。该指标是柑橘大类低温冻害指标,并不完全适用于脐橙。笔者发现,-3 ℃持续3 d或-4 ℃持续1 d会发生脐橙低温冻害。其中-4 ℃<Td≤-3 ℃(≥3 d)或-5 ℃<Td≤-4 ℃(1~4 d)属轻度;-5 ℃<Td≤-4 ℃(≥5 d)或-7 ℃<Td≤-5 ℃(≥1 d)属中度;Td≤-7 ℃(≥1 d)属重度。江西省地方标准《赣南脐橙冻害预警等级》[35]对赣南脐橙冻害气象等级指标划分为:-5 ℃<日最低气温(Td)≤-3 ℃(轻度)、-7 ℃<日Td≤-5 ℃(中度)、Td≤-7 ℃(重度)。这与本研究略有不同,本文得到的脐橙冻害等级指标细化了灾害发生的持续时间,还发现-5 ℃<Td≤-4 ℃(≥5 d)属中度冻害。
笔者仅利用纽荷尔脐橙一年生果枝(带3 个果实),进行连续10 d 的低温处理,开展脐橙光合参数变化分析、机制研究和指标分析。研究表明,不同柑橘果枝(双果枝、单果枝、营养枝)叶片的光合作用也不同[36]。柑橘低温条件下,不同处理天数[9]和品种[37]对光合作用的影响存在差异,低温处理后脐橙的形态表现也有一定的滞后性。此外,生理机制研究还包括渗透调节能力(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量)和抗氧化能力(SOD、POD、CAT 活性)分析。未来应进行不同低温强度和持续时间的果园试验,加强不同脐橙品种和不同果枝叶片光合参数、渗透调节物和抗氧化酶等对低温的响应研究,为柑橘冻害机制研究、指标制定和防灾减灾提供科学依据。
-3 ℃持续3 d 或-4 ℃持续1 d 会降低脐橙光合产物积累,抑制果实和叶片生长,引起低温冻害。根据日最低气温和持续天数对应的光合速率和形态特征表现,明确了脐橙冻害等级指标,指标验证准确率为83.7%,可为实际生产提供参考。
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Effects of different low night temperature conditions on the photosynthetic parameters and morphological characteristics in navel orange