袁福香 穆 佳 高 岩 刘 伟 刘 刚* 宋明海 展卫东 李先强 张 静

1)(吉林省气象科学研究所/吉林省农业气象灾害风险评估与防控科技创新中心, 长春 130062)

2)(吉林参王植保科技有限公司, 白山 134500)

3)(吉林省白山市抚松县气象局, 白山 134500)

引 言

有关人参药用价值的历史记载已超过2000年[1],东北长白山区是我国人参的原产地和产业聚集地,是最适宜人参生长的区域[2-3],在全面停止采伐林地后,人参主要种植于山区周边农田荒地。人参是多年生草本植物,受极端气候事件增多影响,人参从种植到采收的5年甚至更长时间内常遭受各种气象灾害侵袭,越冬冻害[4]是其中之一,它发生频率高、影响范围广、损失程度重。调查资料显示,2002年吉林省靖宇县人参冻害发生面积占人参总种植面积的10%,2003年靖宇县人参冻害发生面积占人参总种植面积的14%[5]。2002年春季吉林省集安市不同种植地块冻害发生率为30%～100%[6]。2018年冬季靖宇县隆冬几乎未出现降雪,人参发生大面积冻害,尤其西洋参冻害较为严重[7],4年生、5年生西洋参甚至出现绝产、绝收。冬季降雨[8]也给人参带来严重影响,2020年11月17—19日吉林省通化县出现暴雨(雪)天气,降水过后剧烈降温,当地西洋参冻害较重。2022年11月25日和28日吉林省临江市桦树镇出现降水天气,多以雨、雨夹雪或雨转雪形式出现,雨雪后迅速降温,5年生人参发生冻害,部分地块冻害率高达25%。由国外引进在长白山定植的西洋参抗寒能力弱于人参[9],发生越冬冻害的频率更高[10-11]。

为避免冻害发生,防寒是人参越冬过程中必需采取的农业措施[12-16]。防寒物材质、防寒物覆盖早晚及揭膜早晚对人参越冬期土壤温度[17-18]、安全越冬及春季出苗时间、出苗进度影响很大。当前有关人参和西洋参越冬防寒物防寒效果[19-20]、防寒指标及其风险评估[21-25]和种植区域适宜性[26-28]等研究较少,防寒以经验为主,覆盖及揭膜时间比较盲目,缺少定量化覆盖揭膜标准,常常由于覆盖和揭膜时间不当造成冻害的发生。基于此,参照相关研究方法[29-33],本文利用分期覆盖及分期揭膜田间试验,通过分析不同覆盖和揭膜时间前后地温变化规律,对比不同处理下的出苗率、出苗时间和出苗进度,阐释地温对出苗的影响,以期确定人参最佳覆盖时间和揭膜时间,为提高人参和西洋参出苗率、有效避免冻害发生提供参考。

1 试验及方法

1.1 试验概况

2021年11月—2022年6月开展分期覆盖和分期揭膜试验。试验田位于长白山腹地吉林省抚松县松江河镇小山村,人参和西洋参均为首次种植。前茬是撂荒地,西坡,坡度约为5°。年平均气温为3.1℃,年降水量为549.7 mm,年日照时数为2178.9 h,冬季气温稳定低于0℃和高于0℃的日期分别为11月2日和4月2日。

试验设置每个处理为1个试验小区,每个试验小区为10 m×2 m并划分为两部分,一部分5 m×2 m 的区域种植人参,共20行,每行22棵;另一部分5 m×2 m的区域种植西洋参,共20行,每行20棵。在每个试验小区中央位置安装1套温度传感器,每套共4层,由于人参根部位于土壤深度为5～20 cm处,因此温度探头安装深度分别为5 cm,10 cm,15 cm和20 cm,监测频率为1 h,自动传输至指定服务器。

1.2 试验设计及步骤

1.2.1 覆盖时间对人参和西洋参出苗影响试验

试验共设置6个处理,初设为初冬人参芦头所在位置5 cm地温降至0℃开始覆盖,每降2℃为1个处理,最后1个处理为5 cm地温降至-10℃时覆盖。由于试验在野外田间进行,前一日5 cm地温接近覆盖温度,夜间降温幅度变化较大,无法精确控制为设定温度,根据试验田中地温仪器监测,各处理覆盖时5 cm实际地温见表1,为方便表达利用四舍五入法取整,覆盖时5 cm地温分别为0℃,-2℃,-6℃,-12℃,-12℃,-14℃。覆盖后整个越冬期该覆盖条件下5 cm极端最低地温见表1。表1中覆盖处理4初设是-6℃,覆盖后被风吹开再次覆盖,最低降至-12℃;覆盖处理5前期地面一直裸露。试验防寒材料为高绝热纤维被。

表1 2021年覆盖时间、覆盖时5 cm地温及该覆盖条件下越冬期极端最低地温Table 1 Covering date,5 cm soil temperature and extreme minimum soil temperature during overwintering period under specific covering condition in 2021

试验步骤:①清雪:所有试验小区,根据试验要求未覆盖前均需清雪,覆盖后无需清雪。②分期覆盖:根据表1覆盖日期对各覆盖处理进行分期覆盖。③揭膜:2022年4月13日所有覆盖处理同时揭膜。④出苗率调查:5月上旬开始进行出苗率调查,每2 d 或3 d观测1次,至6月10日结束。

1.2.2 揭膜时间对人参和西洋参出苗影响试验

试验共设置4个试验小区(表2),揭膜处理1～揭膜处理4的揭膜设定时间分别为2022年3月31日、4月10日、4月20日和4月30日。覆盖物为高绝热纤维被。由于2022年4月11日和12日分别出现3.2 mm和30.4 mm降雨天气,揭膜处理2实际揭膜时间推迟到13日。

表2 2022年揭膜时间、揭膜时5 cm地温及越冬期极端最低地温Table 2 Uncovering date,5 cm soil temperature and extreme minimum soil temperature during overwintering period in 2022

试验步骤:①覆盖:当5 cm地温降至0℃时,各处理同时进行覆盖,覆盖时间为2021年11月19日。②分期揭膜:根据试验方案分别对各揭膜处理进行揭膜。③出苗率调查:5月上旬开始进行出苗率调查,每2 d或 3 d观测1次,至6月10日结束。

1.2.3 对照试验

对照1:裸地试验区。无任何覆盖,出现降雪及时清除,考察无任何覆盖的裸露地面条件下越冬层地温变化及出苗情况。

对照2:积雪试验区。冬季无需任何操作,考察自然降雪覆盖条件下越冬层地温变化及出苗情况。试验时段降雪实况:2021年11月21—22日出现暴雪,田内积雪深度为25 cm,此后分别于2021年11月29日—12月4日、2021年12月12—17日、2021年12月29日—2022年1月2日、2022年1月8—19日、2022年2月11—22日和2022年3月1—5日出现较为明显降雪过程,降雪时间分布较为均匀,整个越冬期自然积雪深度多保持在10～40 cm,成为天然雪被,直至2022年3月26日地面积雪全部融化。

1.3 观测项目

逐小时气温和地温资料来自试验田内安装的监测仪器;降雪资料来自距离试验田约8 km的抚松县气象观测站。

1.4 统计方法

出苗率统计方法:连续取2行,调查2行的苗数,根据原有2行的数量,计算出苗率。每个处理5个重复,将5个重复平均计算得到平均出苗率。

2 结果与分析

2.1 越冬期气候概况

2021年11月逐日平均气温多在0℃上下波动下降,12月呈下降趋势,冬季极端最低出现在12月下旬,2022年1月气温呈波动状态,2月呈波动上升趋势(图1a)。降水多集中在2021年11—12月初(图1b),11月以后的降水以雪的形式出现,越冬期积雪深度多为10～40 cm。

图1 2021年11月1日—2022年2月28日吉林省抚松县逐日平均气温(a)和降水量(b)变化Fig.1 Variation of daily averaged temperature(a) and precipitation(b) at Fusong of Jilin Province from 1 Nov 2021 to 28 Feb 2022

续图1

2.2 覆盖防寒时间对出苗影响

2.2.1 覆盖时间对地温影响

越冬期土壤越深地温越高,不同深度地温波动趋势相同。人参芦头耐寒能力最弱[29],越冬人参芦头一般位于土壤5 cm处,因此重点分析5 cm地温。2021年11月5 cm地温降至覆盖温度时覆盖,覆盖后地温回升,进入隆冬气温降至一年中最低时段,地温随之下降,并维持在低温区波动,至2022年2月气温和地温波动上升。图2为2022年1月各覆盖处理的逐小时地温变化(北京时,下同),各覆盖处理地温变化趋势相同,波动幅度略有不同。覆盖处理1对应覆盖时地温最高,多在-2～0℃之间波动;裸地最低(对照1),多在-16～-8℃之间波动,其他各处理在-6～-3℃之间波动,大致呈现覆盖时间越晚地温越低的趋势,各覆盖间地温差异为1～2℃。覆盖处理3至覆盖处理6覆盖时5 cm 地温接近该试验小区越冬期的极端最低值(表1),且基本表现为覆盖时间越晚越冬期极端最低地温越低的趋势。

图2 2022年1月不同覆盖时间 5 cm地温变化Fig.2 Variation of 5 cm soil temperature on different covering dates in Jan 2022

2.2.2 覆盖时间对出苗率影响

试验结果显示:随着覆盖时间延迟,人参和西洋参出苗率均呈不同程度减小趋势,西洋参出苗率减小趋势较为明显(表3)。对于覆盖处理6,人参出苗率仍高达75%,覆盖处理1～覆盖处理5人参出苗率在86%以上,5 cm地温在-7℃及以上时进行覆盖,人参出苗率均在97%以上,对照2人参出苗率为91%,对照1人参全部冻死。

表3 不同覆盖时间条件下人参和西洋参出苗率(单位:%)Table 3 Seedling emergence rate of ginseng and American ginseng on different covering dates(unit:%)

5 cm地温降至0℃时进行覆盖,西洋参出苗率为100%,随着地温降低出苗率呈急剧下降趋势。对于覆盖处理4,5 cm地温降至-6℃覆盖后地温回升至-2℃左右,12月19日覆盖物被风吹开,期间5 cm 地温最低降至-12℃,22日再次覆盖后地温逐步回升,西洋参出苗率为15%;覆盖处理5,覆盖前地面一直裸露,地温多次降至-10℃以下,其他时段多在-10～-6℃,西洋参出苗率为0,全部冻死,表明地温降至-12℃且在该温度持续时间长短对出苗影响很大。覆盖处理6和对照1西洋参全部冻死,对照2西洋参出苗率为91%。

2.3 揭膜时间对出苗影响

2.3.1 揭膜时间对地温影响

揭膜前2022年3月30日5 cm地温多在-1℃上下波动。3月31日揭膜后,昼夜逐时气温在-9～14℃波动,4月8日5 cm和10 cm地温先后回升至0℃以上,9日15 cm地温稳定通过0℃,11日20 cm 地温稳定通过0℃(图3)。5月2日20 cm地温稳定通过7℃,7℃接近芽萌动的温度。5月20日20 cm地温稳定通过10℃。

对于揭膜处理2和揭膜处理3,在揭膜前5 cm和10 cm地温已经超过0℃(图4a),15 cm地温约为0℃。揭膜处理2揭膜2 d后20 cm地温稳定通过0℃(图4b),5月3日稳定通过7℃;揭膜处理3揭膜当日20 cm地温回升至0℃以上,5月3日稳定通过7℃。

图4 2022年不同揭膜时间5 cm地温(a)和20 cm地温(b)变化Fig.4 Variation of 5 cm soil temperature(a) and 20 cm soil temperature(b) on different uncovering dates in 2022

对于揭膜处理4,揭膜前4月23日5 cm,10 cm和15 cm地温已回升至0℃以上,4月24日20 cm地温已回升至0℃,至4月30日揭膜时,5 cm地温在2～5℃之间波动,10 cm和15 cm地温在3～4℃波动,20 cm地温在3.5℃上下波动(图4b);揭膜后各层地温均回升较快,20 cm地温5月3日稳定通过6℃,此后多在6～9℃之间波动,5月17日稳定通过7℃。

由图4可知,5 cm地温回升早,4月10日前后已回升至0℃以上;20 cm地温回升晚,4月20日前后才回升至0℃以上。揭膜早地温高、波动大,揭膜晚地温低、波动略小,总体呈波动上升趋势。

对于对照2,2022年4月8日5 cm地温稳定通过0℃,4月9日10 cm地温稳定通过0℃,10日15 cm 地温稳定通过0℃,12日20 cm地温稳定通过0℃;5月2日20 cm地温稳定通过7℃。对于对照1,冻土深、地温低,5月20日20 cm地温才稳定通过7℃。

试验结果显示:高绝热纤维被覆盖下,随着揭膜时间延迟,各层地温稳定通过0℃的时间呈推迟趋势。对照2各层地温稳定通过0℃的时间略晚于揭膜处理1,早于揭膜处理2～揭膜处理4。受气温波动影响,5～15 cm地温波动较大,20 cm地温处于稳定上升趋势,20 cm地温稳定通过7℃时间随揭膜时间推迟而推迟。对照2稳定通过7℃的时间与揭膜处理1接近,对照1因冻土深、深层地温低,稳定通过7℃时间最迟。

2.3.2 揭膜时间对出苗期地温影响

地温对出苗影响很大,试验田各处理从5月上旬开始陆续出苗,分析人参和西洋参出苗前后(2022年5月10日00:00—17日23:00)逐小时20 cm地温(图5)可知,对照1的20 cm地温最低,多在4～5℃上下波动;其次是揭膜处理4,多在7℃上下波动;揭膜处理3略高于揭膜处理4,揭膜处理1和揭膜处理2及对照2地温接近,多在8～9℃上下波动,均高于揭膜处理3。

图5 2022年不同揭膜时间出苗前后20 cm地温变化Fig.5 Variation of 20 cm soil temperature before and after emergence of seedlings on different uncovering dates in 2022

据5月17日观测,揭膜处理1出苗最早,人参出苗率达50%,西洋参为10%;其次是对照2和揭膜处理2,人参出苗率分别为40%和30%,西洋参均为10%;再次为揭膜处理3,人参和西洋参出苗率分别为5%和1%;揭膜处理4出苗最晚,人参和西洋参出苗率均为1%。人参和西洋参均表现为揭膜越晚出苗越晚,人参出苗时间略早于西洋参。人参出苗时,5 cm和10 cm地温约为9℃,20 cm地温约为8℃;西洋参出苗时地温略高于人参。

2.3.3 揭膜时间对出苗率影响

不同揭膜处理人参的最终出苗率均在84%以上(表4)。揭膜处理1和揭膜处理3人参出苗率分别为84%和85%,揭膜处理2和揭膜处理4出苗率较高,分别为96%和100%,人参最终出苗率未因揭膜早晚出现明显变化规律性,出苗率高低与揭膜时间早晚相关不明显。西洋参出苗率较高,均在92%以上。揭膜处理1和揭膜处理3出苗率达到100%,揭膜处理2和揭膜处理4出苗率分别为97%和92%,最终出苗率高低与揭膜时间早晚相关亦不明显。

表4 2022年不同揭膜时间人参和西洋参的出苗率(单位:%)Table 4 Ginseng and American ginseng seedling emergence rate on different uncovering dates in 2022(unit:%)

3 结论与讨论

通过2021年11月—2022年6月在吉林省抚松县松江河镇对种植的人参和西洋参进行分期覆盖及分期揭膜田间试验,分析不同覆盖时间和揭膜时间的地温变化规律,对比不同处理下的出苗率、出苗时间和出苗进度,讨论地温对出苗影响,得到以下主要结论:

1) 初冬5 cm地温降至0℃时覆盖防寒人参和西洋参出苗率最高,是最佳防寒时间。防寒过晚会出现冻害,影响出苗率,西洋参尤为明显。随着防寒时间推迟,西洋参出苗率呈明显下降趋势,-12℃以下防寒西洋参大部或全部冻死。无任何覆盖的裸露地面人参和西洋参全部冻死。早防寒有利于人参和西洋参安全越冬,但防寒过早会引起低温病菌滋生,造成来年病害加重,因此,应严格掌握覆盖时间。

2) 采用保温隔热效果好的高绝热纤维被覆盖越冬,春季揭膜早,地温回升早,人参出苗早,揭膜越晚出苗越晚,揭膜时间影响出苗进度,与最终出苗率相关不明显。早春气温不稳定,高低温、寒潮天气时常发生,出苗早有遭受低温冻害的风险。在低温冻害频发区域可采用高绝热纤维被等隔热效果好的材料覆盖,结合短期气候预测,通过揭膜早晚控制出苗时间,可有效避免早春冻害。

3) 人参的抗寒能力明显高于西洋参。在5 cm地温瞬间降至-12℃时,人参出苗率高达95%,5 cm 地温瞬时达-14℃时出苗率降至75%;5 cm地温在-12℃以下西洋参大部或全部冻死;5 cm地温在-14～-8℃之间波动,极端最低为-16℃的裸地人参全部冻死。

4) 人参出苗时,5 cm和10 cm地温约为9℃,20 cm地温约为8℃;西洋参出苗时地温略高于人参;同等条件下,人参出苗早于西洋参。

野外田间试验有许多不可控制因素,防寒时间试验设置中,受外界气温剧烈波动影响,实际覆盖时地温与试验初设有一定差异,本试验虽未能严格按初设指标进行,但通过越冬期试验,可在一定程度上反映越冬冻害指标范围、实现定量化,可为人参生产防寒提供一定参考。人参越冬冻害温度指标需多次反复试验确定,今后需结合实验室温控试验深入研究。

致 谢：感谢吉林参王植保科技有限公司和吉林星源环保材料有限公司对本试验的大力支持!