Cold-injury Indicator for Camellia sinensis cv. Fuding-dabaicha in Guizhou Province
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摘要:目的 探明贵州茶叶主栽品种福鼎大白茶的低温冷害指标，为精准茶叶气象指数保险和茶叶农业气象服务提供科学指导。方法 利用人工气候室模拟贵州低温冷害天气过程，测定茶叶不同低温冷害过程中生理指标以反映茶叶低温环境下的生长状态；拟合细胞伤害率与低温胁迫之间的Logistic函数关系，确定茶树生长的低温半致死温度，以量化不同低温冷害天气过程中茶叶的冷害指标。结果 随低温程度的加重，SOD活性大致呈上升趋势，MDA含量大致呈先升高后下降趋势，相对电导率R呈持续上升趋势；低温冷害持续日数不同，对应低温半致死温度不同，低温持续时间越长低温半致死温度越高，低温冷害天气持续3、5和7 d时，低温半致死温度分别为1.5 、1.8 和2.6℃。结论 福鼎大白茶冷害生长响应特征与低温冷害程度和持续天数密切相关：最低温度3℃以下的低温危害比3℃以上大；低温过程持续7 d的低温危害比持续3、5 d时严重；低温半致死温度随冷害持续时间的延长而升高，因此低温冷害指标的制定应依据当地倒春寒冷害气候特征进行量化。Abstract:Objective A cold-injury index for Camellia sinensis cv. Fuding-dabaicha, the major tea cultivars in Guizhou, was established to provide the meteorological information for precision insurance actuary and agro services on the crop.Method Physiological indices that reflect the growth of the tea plants under simulated low-temperatures in an artificial climate chamber were monitored. Semi-lethal temperature of the plants by cold stress was mathematically determined on a logistic function between the rate of injured cell and treatment temperature.Result With the lowering temperature, the physiological responses of the plants showed a gradually increased SOD activity, initially raised and then declined MDA, and continuously increased relative electric conductivity. The semi-lethal temperature of the plants differed depending upon the duration of cold treatment. The longer the plants were exposed to the chill, the higher the semi-lethal temperature became. When the cold lasted for 3 d, 5 d, and 7 d, the semi-lethal temperatures rose to 1.5℃, 1.8℃, and 2.6℃, respectively.Conclusion The growth responses of C. sinensis under low-temperature closely related to severity as well as duration of the exposure. At a temperature below 3℃, the harm imposed on the plant was more serious than above 3℃. And, a severe cold-injury would likely to incur if the treatment lasted for 7 days than 3 d or 5 d on the plants. The semi-lethal temperature of a plant increased with prolonged cold exposure. Thus, the cold-injury index should be applied with a consideration of local climatic conditions.
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0. 引言
【研究意义】茶叶是贵州重要的经济产出，其中春茶产值占总产值一半以上，气候变化导致的冬暖化使得茶叶萌动期提前，而频发的倒春寒带来的低温灾害给茶叶生长造成巨大威胁，因此合理准确的茶叶低温灾害指标对完善茶叶的农业气象服务有重要的意义。频发的气象灾害导致农民和国家经济损失巨大，农业保险是防灾抗灾的重要方式[1]。2007年以来我国农业保险的设计以气象指数为依据，而且随着农业气象指数保险研究的日趋成熟，作物气象灾害指标的精准确定是合理农业气象指数保险的关键[2-7]。贵州茶叶气象指数保险作为贵州特色农业气象指数保险开展的试点，亟待确定合理的贵州茶叶低温灾害指标，对气象服务贵州茶叶生产具有重要意义。【前人研究进展】茶叶低温灾害指标的确定和研究方法可归纳为2种类型。一是经验法，根据实地调查茶叶低温受害情形，并结合低温天气过程而确定茶叶低温灾害的低温临界值。经验法倾向于农业技术服务工作者所用，定性表达茶叶受害情况和低温天气间关系，通常采用最低温度为低温灾害指标，用于茶叶低温灾害的预防管理工作[8-10]。经验法确定低温灾害指标定量化不足，难以揭示茶叶低温灾害的机理，导致低温灾害指标精确性稍显不足。二是人工模拟法，通过人工模拟低温胁迫环境，测定茶叶生理特征对低温胁迫的响应[11-15]，从而揭示茶叶低温灾害的机理，以此为依据制定茶叶低温灾害指标。人工模拟法相较于经验法显然更精确，然而与经验法相比，人工模拟低温胁迫环境时往往忽略了实际低温冷害天气过程特征，更关注植物本身生理层面对低温的响应。【本研究切入点】人工模拟的低温环境与实际低温天气过程不相符，因此，在茶叶低温生理研究的基础上，充分考虑实际低温天气过程制定准确的茶叶低温灾害指标是亟待开展的工作。低温分为零上低温和零下低温，前者称为冷害，后者则称为冻害。贵州3～4月易出现倒春寒，造成的低温天气大多在0℃以上，是茶叶生产过程中主要的气象灾害。贵州作为我国重要的产茶省份，茶叶生产经验丰富但低温冷害对贵州茶叶生长发育的影响研究报道极少，茶叶低温灾害指标研究尤其不足。【拟解决的关键问题】本研究应用人工气候箱模拟贵州低温冷害天气过程，测定不同低温冷害天气过程中茶叶生理指标，并确定茶叶的低温半致死温度，为茶叶低温冷害指标的精准制定提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
供试材料为贵州主要茶叶种植品种福鼎大白茶，盆栽规格为50 cm（直径）×50 cm（高）。盆栽茶树选用无病虫害的6年树龄健康茶树，取自贵州省遵义市凤冈茶园，土壤、水肥管理均同于茶树正常田间管理。
1.2 试验方案
利用贵州省黔东南州气象局内的人工气候室模拟不同低温冷害天气过程，盆栽茶树恢复正常生长后进行不同程度低温胁迫处理。分析贵州多年冷害天气过程特征可知贵州冷害天气日较差约5℃，以此为依据设置3组动态低温处理，分别为：最低温度为1℃（最高6℃），表示为处理1/6；最低温度为3℃（最高8℃），表示为处理3/8；最低温度5℃（最高10℃），表示为处理5/10。根据气温日变化特征每组低温处理设置4个温度动态梯度：20:01～第二天9:00时段为温度最低值，9:01～13:00时段为最低值增加2℃，13:01～17:00时段为温度最高值，17:01～20:00时段为最高值减少2℃。
将茶芽萌动后生出2叶1芽的茶树置于不同低温处理下的人工气候室中，每组低温处理分别设置3个持续天数处理，分别持续3、5、7 d。低温处理过后，观察茶叶形态有无受害特征，并采集离2叶1芽最近的成熟叶片用冰袋保存立即送往实验室进行茶叶生理指标测定。每组设12棵茶树，设对照（CK）：室外春季正常温度，遇低于10℃以下低温时则进行室内保温处理以保证对照组不受低温影响。每组测定3次重复。
1.3 生理指标测定
1.3.1 超氧化物歧化酶（SOD）活性测定
取3份样品叶片去叶脉于预冷的研钵中，1 mL预冷的磷酸缓冲液在冰浴上研磨成浆，加缓冲液使体积为5 mL。4℃、10 000 r·min−1条件下离心20 min，上清液为SOD粗提液。取5 mL试管4支，2支为测定管，另外2支为对照管，加入待测试溶液，混匀后将1支对照管罩上双层黑色硬质套遮光置暗处，其他各管于4 000 lx日光灯下反应10 min。至反应结束后，以遮光的对照管做空白，分别在560 nm下测定其他各管的吸光度，计算SOD活性（式1），3份样品的测试值取平均值。
SOD=(ACK−AE)×VT/0.5×ACK×W×V (1) 式中，计算所得SOD活性单位为U·g−1·FW−1，Ack为照光对照管的吸光度，AE为样品管的吸光度，VT为样品液总体积（mL），W为样品鲜重（g），V为测定时样品用量（mL）。
1.3.2 丙二醛（MDA）含量测定
称取样本叶片1 g各3份，剪碎，加入5%三氯乙酸（TCA）2 mL，研磨至匀浆，加入8 mLTCA进一步研磨，匀浆在3 000 r·min−1离心10 min，上清液为样品提取液。用吸管吸取上清液2 mL，加入2 mL 0.67%硫代巴比妥酸溶液（TBA）并摇匀。将待测样品放入沸水浴中煮沸10 min，取出并冷却，3 000 r·min−1离心15 min，取上清液，以0.67%TBA溶液为空白，分别测定532 nm、600 nm和450 nm处的吸光值，根据式2计算MDA含量，3份样品的测试值取平均值。
MDA=[6.45×(D532−D600)−0.56×D450]×0.015×V/W×1000 (2) 式中，D532、D600、D450分别表示样品在532 、600 和450 nm处的吸光值，V为提取液体积(mL)，W为样品重量（g），所得MDA含量单位为μmol·L−1。
1.3.3 膜透性测定（电导仪法）
选取样品叶片，用自来水将供试叶片冲洗，除去表面杂物后用蒸馏水冲洗，晾干并剪成约1 cm2的小叶片，将剪下叶片混合均匀，快速称取鲜样3份，分别放入3个烧杯中并放入真空干燥器，用抽气机抽气约8 min，以抽出细胞间空气，重新缓缓放入空气使叶片下沉。将抽过气的烧杯取出，静置20 min，期间轻轻摇动，在20～25℃恒温下，用电导仪测定溶液电导率（S1）。测过电导率后，再放入100℃沸水浴中15 min，取出冷却1 h，在20～25℃恒温下测其煮沸电导率（S2）。通过式3和式4计算相对电导率（R）和细胞伤害率（M），3份样品的测试值取平均。
R=(S1−S0)/(S2−S0)×100% (3) M=(R1−RCK)/(1−RCK)×100% (4) 式中，S1为处理样品电导率，S0为蒸馏水电导率，S2为处理样品煮沸电导率，R1为低温处理组相对电导率，RCK为对照组相对电导率。
1.4 低温半致死温度
茶叶低温半致死温度的确定通过拟合茶叶细胞伤害率与最低温度两者间Logistic函数计算得到（式5），当细胞伤害率(y)为50%时即为低温半致死温度。
y=k/(1+aebx) (5) 式中，y为细胞伤害率(%)，x为最低温度(℃)，a、b为待定参数，k为饱和参数。
1.5 数据统计与分析
采用软件Excel 2010分析处理试验数据。
2. 结果与分析
通过不同程度的低温冷害过程处理，测得茶叶保护酶活性（SOD）、植物膜脂过氧化的产物（MDA）及膜透性（R）的响应特征见图1～图3。
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图 1 低温胁迫下茶叶SOD活性特征Figure 1. SOD properties in tea plants under low-temperature stress![]()
图 3 低温胁迫下茶叶相对电导率R特征Figure 3. Relative electric conductivity of tea plants under low-temperature stress2.1 超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化特征
SOD是植物重要的抗氧化酶，在低温胁迫时有保护细胞膜的作用，是植物抗寒性的重要指标[16]。不同程度低温胁迫下茶叶SOD活性变化特征见图1。从图1可以看出随着低温胁迫的增加，SOD活性大致呈现升高的趋势。
从低温持续日数来看，SOD活性对低温持续日数的响应特征因不同低温强度而不同：相较于对照组，处理组5/10 SOD活性呈先下降后迅速升高的现象；处理组3/8 SOD活性明显大于对照组，SOD活性对持续天数的响应不明显；处理组1/6 SOD活性随持续天数的增加大致呈升高的现象，于持续7 d时达到最大值611.74 U·g−1·FW−1，是对照组（189.58 U·g−1·FW−1）的3倍。从低温强度来看，SOD活性随低温强度的增强呈明显的上升趋势。
2.2 丙二醛（MDA）含量的变化特征
MDA是植物受低温危害后的产物，其含量多少是植物逆境受害程度的重要标志[17]。图2为不同程度低温下茶树MDA含量的变化特征，从图2中可以看出MDA变化趋势因低温强度和持续日数不同而存在差异。
从低温强度来看，随低温强度的增强MDA的响应特征有2种类型：低温过程持续3 d时，MDA呈先升高后下降的趋势；而低温过程持续5 、7 d时，MDA则呈持续上升的趋势。从低温持续日数来看，随低温持续时间延长MDA先升高后下降：处理组1/6 MDA最高，随持续日数的增加表现为先升高后下降，因此最大值为持续5 d的情况（4.03 μmol·L−1），是对照组（0.57 μmol·L−1）的近7倍；处理组3/8 MDA总体表现为低值，虽同样表现为随持续日数的增加先升高后下降的趋势，但不同持续日数对MDA的影响差异较小；处理组5/10随着低温持续日数的增加MDA先升高后下降的特征明显。此外，从图2中可以明显看出，不同的低温处理中，处理组1/6 MDA对持续时间的响应尤其显著，表明低温强度越大，茶叶产生的MDA越多。
2.3 相对电导率（R）的变化特征
正常情况下，植物细胞膜对物质具有选择透过能力，当植物受到逆境危害时，细胞膜受损导致膜透性增大，相对电导率越大[18]。图3为不同程度低温冷害胁迫下R的变化特征，从图3中可以看出随着低温冷害过程持续日数的增加以及低温强度的增强，R均呈现明显的上升趋势。最大值为处理组1/6持续7 d情况（94%），明显高于对照组（75.6%）。另外，3个处理组低温过程持续3 d和5 d时R差异相对较小，当低温过程持续达到7 d时，R表现出较明显的差异。
2.4 茶叶半致死温度的确定
低温半致死温度是指植物达到半致死状态的温度，当温度低于低温半致死温度时，植物所受的伤害将不可恢复甚至死亡。一般细胞伤害率与最低温度呈“S”型曲线关系，即Logistic函数模型，将细胞伤害率与最低温度进行Logistic函数拟合，细胞伤害率为50%时的温度即为低温半致死温度[13, 18]。
根据1.3.2中式4计算得到不同程度低温冷害处理下的细胞伤害率，根据式5对细胞伤害率（M）和最低温度进行Logistic函数拟合，计算各参数值。因k为饱和参数，伤害率最大值为100%，因此k值取1，其余参数值见表1。通过表1可以看出低温冷害过程持续日数不同，对应的低温半致死温度不同，持续日数越长低温半致死温度越高。结果表明低温持续3 d时，当最低温度达到1.4℃即达到低温半致死温度；低温5 d时，当最低温度达到1.8℃可达到低温半致死温度，低温持续7 d时，最低温度达到2.6℃时便达到低温半致死温度，因此贵州倒春寒导致的低温冷害持续时间不同，其低温冷害指标理应有所差异。
表 1 不同低温冷害持续时间下的茶叶Logistic函数参数及低温半致死温度Table 1. Parameters in logistic function and semi-lethal temperature of tea plants in response to duration of low-temperature exposure低温冷害持续时间
Chilling damage durationa b 相关系数R2
Correlation coefficient低温半致死温度/℃
Lethal temperature3 d 0.26 0.92 0.93* 1.5℃ 5 d 0.12 1.18 0.99** 1.8℃ 7 d 0.21 0.61 0.95** 2.6℃ 注：**拟合度达＜0.05的显著性水平；*拟合度达＜0.1的显著性水平。
Note: **indicates the significance level is 0.05; * indicates significance level is 0.1.3. 讨论与结论
人工气候室模拟贵州低温冷害天气过程的试验表明低温对茶叶生长的影响与低温强度和持续时间密切相关。
3.1 茶叶生理过程对低温冷害的响应
超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）及相对电导率（R）对低温冷害过程响应特征不同。随低温程度的加重，SOD活性大致呈上升趋势，MDA呈先升高后下降趋势，R呈持续上升趋势，三者从不同层面反应出植物低温冷害的生理响应。
植物在低温环境下，细胞内自由基的产生和消除平衡遭到破坏，从而使细胞膜结构和功能受到破坏。SOD是保护酶，能消除自由基保护膜系统[19]，因此理论上来说，植物遭遇低温逆境时，SOD活性升高。但由于植物机体的抗寒性，SOD活性对低温的响应出现多种类型。例如，浙江4种典型茶叶品种在不同低温胁迫下SOD活性特征随温度下降呈先升高后下降的趋势[13]；安徽的2个茶叶品种在−5℃持续天数的胁迫中，SOD活性表现为随持续天数的增加先下降后缓慢上升[15]；其余作物低温胁迫下也表现出SOD活性先升高后下降[19-20]或保持相对稳定[21-22]的现象。本试验中，在不同的低温持续时间和不同低温强度下，SOD活性典型特征表现出随低温程度的加强而上升的趋势，与前人研究存在差异，主要原因在于本试验低温胁迫设置依据实际低温天气过程，与其他低温试验设置不同。目前低温胁迫环境的模拟多为将最低温度持续一定时间（例如−5℃持续1 、2 d等[15, 21-22]），或者将低温持续若干小时仅设置1 d[13, 20]，显然实际的低温天气过程并非如此。气温日变化在能量昼夜变化基础上遵循周期性规律，日出前后气温为一天中最低值，午后14：00气温为一天中最高值[23]。此外倒春寒引起的低温天气过程也并非仅持续1 d，特别是贵州春季倒春寒引起的低温冷害天气常出现长达一周之久的情况。由于植物自身对逆境环境的适应，从农业气象上来说，作物能够抵抗短时间的低温，因此作物农业气象低温指标多用持续3～5 d的低温水平或某生育阶段积温来衡量[24]。本试验根据贵州实际低温天气过程特征拟合低温胁迫环境，图4为低温1/6持续3 、5 d及7 d处理前后茶叶形态对比图，通过对萌芽期茶叶生长形态观察发现，最低温度为1℃时并没有对茶叶本身造成肉眼可见的损伤，仅表现为生长停滞。通过对贵州湄潭、凤冈、正安、开阳等贵州茶叶重要产区的茶园实地调研及茶园经营者的经验也表明0℃以上的春季低温使茶叶生长停滞，推迟茶叶上市时间从而造成损失。本试验模拟的低温胁迫环境符合实际低温天气过程，实际低温天气过程使茶叶具备了抗寒锻炼的缓冲时间，因此SOD活性呈现持续升高趋势，未出现先升高后下降的特征。
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图 4 低温1/6处理前后对比（左上：处理前，右上：处理3 d后，左下：处理5 d后，右下：处理7 d后）Figure 4. Contrast of low temperature 1/6 for treatment before and after(Top left: before processing, Top right: after 3 d, Lower left: after 5 d, Lower right: after 7 d)丙二醛（MDA）是植物逆境环境下产生的膜脂过氧化产物，是植物膜氧化损伤指标[17]。MDA的积累对植物细胞会造成伤害，随着温度的下降，植物本身清除能力下降，因此MDA含量上升，达到一定损伤程度后MDA含量达到极大值，因此许多研究结果均表明在低温胁迫下，植物MDA呈先升高后下降的现象[17, 19-22, 25]。本试验研究也体现出这一特征，而最低温度为1℃时，MDA含量明显高于其余处理组。在浙江茶叶霜冻指标研究中，低温环境为＜3℃，4种典型茶叶品种MDA体现出持续升高的现象[13]，与本试验结果吻合，因此3℃表现为茶叶低温冷害的界限温度。
相对电导率R是衡量细胞质膜是否受到伤害的指标。通常情况下，细胞内的电解质受细胞膜的阻隔保留在细胞内，当细胞膜遭受低温伤害时，电解质则大量涌向细胞外，导致电导率激增，大量的植物低温胁迫响应研究中相对电导率R变化特征均反映了这一现象[11, 13, 15, 17-18, 20-22]。本试验对相对电导率R的研究结果也表明随低温程度的加深，相对电导率R均呈现明显的上升特征，与众多相对电导率R对低温胁迫的响应特征研究结果一致。
3.2 低温半致死温度
通过将细胞伤害率与最低温度进行Logistic函数拟合，结果表明，不同低温持续时间下低温半致死温度不同，持续天数越长低温半致死温度越高。茶叶低温半致死温度的研究结果表明低温过程不同，低温半致死温度存在差异。浙江4种典型茶叶品种的低温半致死温度为−1.5℃到−0.7℃[13]，其低温设置为最低温度持续4 h，而最高温度持续12 h，极可能正是由于高温持续时间较长，茶叶损伤小，导致低温半致死温度下降。
3.3 结论
本文研究表明低温强度和低温持续时间均能影响茶叶正常生长，低温冷害程度不同，茶叶生理响应不同。通过SOD活性、MDA和相对电导率R的响应特征可以发现，低温对茶叶的影响是不均一的，最低温度3℃以下的低温危害较严重，而最低温度3℃以上的低温影响较小；低温过程持续3 d和5 d时影响较小，而低温过程持续7 d则非常显著。低温半致死温度也说明了低温对茶叶影响的不均一性。
春季倒春寒导致的低温冷害过程极为复杂，加之低温对茶叶生长影响的不均一性，导致制定茶叶低温冷害指标十分困难。本研究以贵州主栽茶叶品种——福鼎大白茶为研究对象，利用人工气候室模拟低温冷害天气过程，通过研究冷害过程与茶叶生长间的关系，展开茶叶低温冷害指标的研究。由于盆栽环境与大田环境存在不可避免的差异，树龄及冷害天气特征等因素均导致冷害指标的复杂性，因此针对贵州全省范围的冷害指标需在进一步调研的基础上进行调整，使冷害指标更准确，这对茶叶气象指数保险服务和茶叶农业气象服务的完善极为必要。
致谢 贵州省黔南州气象局为茶叶低温模拟试验提供帮助，贵州湄潭、凤冈、正安、开阳各县气象局为贵州重要茶园倒春寒低温灾害调研活动提供支持，谨此致谢！
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图 1 低温胁迫下茶叶SOD活性特征
Figure 1. SOD properties in tea plants under low-temperature stress
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图 3 低温胁迫下茶叶相对电导率R特征
Figure 3. Relative electric conductivity of tea plants under low-temperature stress
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图 4 低温1/6处理前后对比
（左上：处理前，右上：处理3 d后，左下：处理5 d后，右下：处理7 d后）
Figure 4. Contrast of low temperature 1/6 for treatment before and after
(Top left: before processing, Top right: after 3 d, Lower left: after 5 d, Lower right: after 7 d)
表 1 不同低温冷害持续时间下的茶叶Logistic函数参数及低温半致死温度
Table 1 Parameters in logistic function and semi-lethal temperature of tea plants in response to duration of low-temperature exposure
低温冷害持续时间
Chilling damage durationa b 相关系数R2
Correlation coefficient低温半致死温度/℃
Lethal temperature3 d 0.26 0.92 0.93* 1.5℃ 5 d 0.12 1.18 0.99** 1.8℃ 7 d 0.21 0.61 0.95** 2.6℃ 注：**拟合度达＜0.05的显著性水平；*拟合度达＜0.1的显著性水平。
Note: **indicates the significance level is 0.05; * indicates significance level is 0.1.
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