霜冻危害机理及风雾防霜冻工程技术的探索与实践

张彤阳 杨海龙 张杰峰 张宜仓 宋勇仓

我国绝大部分区域属于大陆季风性气候区，霜冻危害范围北起黑龙江南至广西，对农业生产危害很大，尤其对果园、经济林、茶园、菜园等危害严重。据有关部门统计，我国受到霜冻危害较为严重的果园面积在1.2亿亩以上，如计算核桃、茶叶、甘蔗、蔬菜等，保守估计面积超过3亿亩（表1）。近年来，水果的优质产区向较高海拔和较高纬度地区集中，霜冻灾害的发生更为频繁，大面积绝收或大幅减产的情况3～4年就会发生1次，局部较严重霜冻几乎连年发生，已成为巩固果业主产区脱贫攻坚成果和果业高质量发展的“卡脖子难题”，攻克该项核心技术十分关键，也十分迫切。

经过10余年的长期观察，在反复总结熏烟法、吹风法、覆盖法、灌水法等（图1）传统防霜冻方式失败原因的基础上，2021年笔者研究了霜冻危害农作物新生组织的机理，并根据研究成果发明了风雾防霜冻成套装备，同时在陕西省铜川市宜君县福梨农场建成了全国首例风雾防霜冻及水肥药一体化试验基地，共安装了3个型号、10台套的风雾防霜冻成套装备（图2），覆盖果园面积600余亩。目前已经历多次防霜冻作业试验，均获得成功。

现就该项工程技术及已取得的技术参数总结如下：

1 霜冻危害的机理和防霜冻理论的研究

经过长期观察，笔者发现梨果的花序及幼果在野外持续低温环境下的受损情况如表1、表2所示。

由表2、表3可见，持续的低温环境对梨树花序及幼果的危害性很大，而苹果相较于梨果，耐霜冻力稍强；樱桃、葡萄、猕猴桃、柑橘则较梨树耐寒力稍弱些；核桃的花序耐寒力更弱，0 ℃持续1小时以上就有可能绝收。在下雪的情况下，气温在-2 ℃且持续4个多小时的条件下，梨树的花序仍然能恢复，果柄不会脱落，部分果面会出现冻锈；在出现大雾的情况下，梨花能在-1.2 ℃气温条件下基本不受影响。

笔者认为霜冻危害果树的机理是：花序、幼果等植物新生组织含水量极高且细胞壁脆弱，如气温持续低于0 ℃，细胞内的水分就会因结冰膨胀导致细胞壁破裂，造成细胞壁功能丧失，水分流失，杂菌侵入，从而使花序、幼果受损甚至枯萎。因传统防霜冻方法效果差的原因：一是熏烟法、灌水法、吹风法均属于增温法，但是受到霜冻类型、冷冻强度、持续时间、风力风向、地形地貌等复杂因素影响，这些措施能提高温度的幅度均低于0.5 ℃，无法做到确保果园气温不低于0 ℃；二是塑料大棚或用塑料膜包裹作物的投资过大，劳动力成本过高，可行性和经济性较差，且一旦通风降温不及时就会造成“烧花”、“烧果”；三是喷施抗寒药剂虽有一定效果，但也无法做到阻止细胞内水分结冰的目的。

风雾防霜冻工程技术是“风雾增温+冰衣保温+药剂抗寒”三维一体的全新的技术方案，目前的实验结果显示，该技术方案至少可以实现在气温-4 ℃的情况下有效保障花序和幼果细胞内水分不结冰，也就是说能达到有效防霜冻的目的。

2 风雾防霜冻工程技术的原理

针对霜冻危害的机理和防霜冻理论的研究结果，笔者发明了风雾防霜冻工程技术，其原理是：通过风雾作业平台，持续不断地营造浓密水雾环境，在扰动气流的同时利用水雾携带的能量提升果园地面温度，更重要的是浓密水雾环境同时为结冰创造充分必要条件，一旦增温效应不能够保持果园温度达到0 ℃，就会迅速在花序或幼果上形成结冰层，随着气温的不断降低，冰层会不断增厚，这样一来，冰层就能够有效阻断外部低温向花序或幼果细胞内传导的路径，从而保证花序或幼果的温度保持在不低于0 ℃的临界状态，这样细胞内的水分就不会结冰，植株新生组织就得到了有效保护，从而达到防霜冻的目的，同时在喷雾时加入适量抗寒药剂，以增强细胞的抗逆性，因此，“风雾增温+冰衣保温+药剂抗寒”三维一体的技术路线，大幅提升了防霜冻的效果。

3 风雾防霜冻成套装备的结构性能

要确保“风雾增温+冰衣保温+药剂抗寒”技术方案的效果，关键点有四个：一是满足持续不断营造浓密水雾环境并具备在较大范围扰动气流的能力，而且必须保证不能“灌花”或冲掉花粉影响到果树授粉；二是能适应复杂地形，克服复杂气象环境的影响；三是高效精准，能做到随时随地、要风有风、要雾有雾、要多少有多少；四是具备较远距离遥控能力，无需操作人员进入潮湿且寒冷的作业区域。

该成套装备的结构包括风雾装置、塔架、水泵、配药、供水、配电以及控制系统等。建成的风雾作业平台高度12.5米，总功率92.5千瓦，能满足100秒覆盖67亩果园作业区，产生的雾量可在40分钟左右达到大雾弥漫的效果，水雾颗粒度50微米左右，每小时喷水量达到12～15米?，遥控距离为300米，1人可同时控制3～5台装备，可持续5小时不间断喷雾作业。目前的试验数据表明，防霜冻作业时间为3.5小时左右，亩均用水量为0.73米?，亩均用电量52千瓦时，亩均电费不足1.7元，核心装备使用寿命25年以上。

4 实践案例简介

2021年4月14日凌晨03：00，宜君县福梨农场发生了典型的辐射型霜冻，当气温降至0.5 ℃时，启动了装备喷施防霜冻功能液体，04：00整个果园形成大雾弥漫景象，作业区温度为0 ℃，作业区外温度为-1.5 ℃；05：00作业区温度为-1.5 ℃，非作业区温度为-2.5 ℃，果树的花序和嫩叶出现明显结冰；06：20日出时，喷雾作业区温度为-2.5 ℃，非作业区温度为-3.5 ℃，06：30喷雾作业停止，随即巡查果园发现，4#喷雾塔和10#喷雾塔因水泵和线路故障，在其控制区域的花序和嫩叶上未能形成结冰包裹层，在其他区域，果树的花序和嫩叶完全被冰层包裹，10：30分巡查发现结冰层基本融化，12：30巡查发现4#塔、10#塔控制区花序严重枯萎，其他区域花序恢复正常状态（图3）。4月15日，延安、榆林地区降雪，果园出现了典型的平流型霜冻和辐射型霜冻同时发生的情况，16日02：30果园气温降至1 ℃，随即启动装备喷雾作业，03：30作业区温度-1.5 ℃，04：00果树的花序和嫩叶已出现结冰现象，06：00非作业区域气温降至-4 ℃，除了降温速度快于14日，其他情况基本类似，喷雾作业持续至06：30，同样是10：30冰层融化，12：30西北农林科技大学园艺学院徐凌飞副院长和2名研究生在果园查看，对花序和幼果进行了解剖，发现柱头、花蕊和幼果的组织完好无损。随后的持续观察发现，未正常实施作业的4#、10#塔控制区坐果情况极为稀少，其他区域坐果量正常。

2022年5月1日，该基地再次发生了辐射型霜冻，气温1 ℃时启动装备作业3.5小时，06：00地面和树上均出现结冰，10：30分巡查发现，除个别水雾覆盖不到的边角地的幼果果面轻微受损，其他区域均正常。

上述案例充分验证了笔者发现的霜冻危害机理以及防霜冻的原理，也验证了“风雾增温+冰衣保温+药剂抗寒”三维一体技术路线可以将防霜冻的能力提高至-4 ℃，这是传统的防霜冻方案所无法企及的。由于该套设备的应用，该农场的梨园已实现连续3年丰收。同时，笔者还联合了西北农林科技大学机电学院开展了果园授粉、施肥、施药、通风降温、灌溉等10多项试验，均取得良好效果（图4、图5）。

5 风雾防霜冻工程技术的主要研发成果和方向

目前，风雾防霜冻及高效水肥药一体化装备（图6）已取得国家知识产权局实用型专利授权，风雾防霜冻工程技术发明专利申请已取得国家知识产权局《公示及实质性审核通知书》，在宜君县福梨农场组建了“陕西省农林业防减灾工程技术研究中心”，将风雾防霜冻及高效水肥药一体化工程技术作为研究重点，目前正在加快研发智能控制和远程控制系统、基于该作业平台的授粉液等功能性液体的制备配方以及通风降温、大田二氧化碳增量缓释等科研项目进度，不但要实现远程自动控制防霜冻、疫性病虫害、高温高湿灾害等，同时对大田作物提高光合作用效率、果园精准授粉、精准施肥、减少农药化肥和人工投入意义重大。该项工程技术的发展方向是：建立农作物生命保障和生态维护技术体系。

6 加快风雾防霜冻工程技术研发和推广的意义

该项工程技术属于颠覆性技术，目前处于国际领先水平，已经有效解决了果园防霜冻、防疫情病虫害、防高温高湿灾害等难题，同时实现了15分钟完成600亩果园的授粉作業，根据作物不同时期需肥规律精准施用水溶肥，把果园每年1～2次施肥变为10次以上施肥，在部分杀菌剂和杀虫剂试验方面也取得了一定成果，完全具备成为高标农田升级、农药化肥减量、保护耕地的关键性工程技术装备。对农林业提质增效、推动农业装备水平实现超越发展、巩固脱贫攻坚成果、加速我国农业现代化进程意义重大。