基于ORYZA 2000模型評(píng)估雙季早稻灌漿期低溫陰雨影響

姚俊萌 蔡哲 舒婷 郭瑞鴿 楊愛(ài)萍 曾凱 黃偉

摘要：6月中旬至7月中旬是江西省雙季早稻經(jīng)歷抽穗—灌漿的生育歷程，是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期和容易受災(zāi)的敏感時(shí)期。針對(duì)2017年江西罕見(jiàn)持續(xù)陰雨寡照天氣對(duì)雙季早稻抽穗灌漿和產(chǎn)量形成造成的嚴(yán)重影響，基于ORYZA 2000模型定量評(píng)估災(zāi)害影響和損失。結(jié)果表明，本地化的ORYZA 2000模型對(duì)江西雙季早稻的生育進(jìn)程以及生長(zhǎng)量變化具有良好的模擬效果;模型結(jié)果表明，持續(xù)低溫陰雨寡照導(dǎo)致灌漿期熱量和光照不足，造成各站點(diǎn)早稻成熟期普遍偏晚1～3 d;早稻穗干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著變慢，且與基準(zhǔn)氣候環(huán)境的差值隨時(shí)間持續(xù)而擴(kuò)大，總體來(lái)看，對(duì)莖葉干質(zhì)量的影響較小，平均損失率為2.8%;但對(duì)穗質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大，地上部干質(zhì)量、穗干質(zhì)量和產(chǎn)量平均損失率分別為4.7%、6.8%、8.1%。

關(guān)鍵詞：ORYZA2000模型;早稻;低溫陰雨;災(zāi)害評(píng)估

中圖分類號(hào)： S162.5+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0059-05

收稿日期：2018-11-15

基金項(xiàng)目：中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)（編號(hào)：CCSF201840）;江西省氣象局2014年重點(diǎn)科研項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：姚俊萌（1981—），男，江西九江人，碩士，工程師，主要從事作物模型及農(nóng)業(yè)氣候資源利用相關(guān)研究。E-mail：meng_jackyyao@sina.com。

通信作者：蔡 哲，碩士，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象相關(guān)研究。E-mail：caizheread@163.com。

江西是研究長(zhǎng)江中下游區(qū)雙季稻的典型區(qū)域，6月中旬至7月中旬是江西省雙季早稻抽穗—灌漿期，是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期和容易受災(zāi)的敏感時(shí)期，也是降雨多發(fā)期，每年6月降雨量約占早稻生長(zhǎng)季總雨量的30%，降雨集中造成的洪澇和持續(xù)低溫陰雨災(zāi)害，一方面對(duì)水稻有洗花影響，導(dǎo)致空秕粒增多[1]，另一方面嚴(yán)重阻礙水稻的光合及呼吸等生理活動(dòng)，使其結(jié)實(shí)率下降、千粒質(zhì)量減少[2]，最終造成早稻減產(chǎn)。有關(guān)水稻灌漿期的災(zāi)害影響研究較多，殷劍敏等分別從洪澇災(zāi)害指標(biāo)、洪澇對(duì)產(chǎn)量影響、不同溫度下受淹減產(chǎn)規(guī)律等方面對(duì)澇災(zāi)開(kāi)展了研究[3-7];章起明等通過(guò)試驗(yàn)研究了陰雨天氣對(duì)水稻產(chǎn)量、生育期的影響[8-11];劉博等分別研究了弱光條件對(duì)水稻生理和品質(zhì)的影響[11-12]。但以上研究多以調(diào)查統(tǒng)計(jì)和生理試驗(yàn)方法為主，前者不能較好地揭示農(nóng)業(yè)過(guò)程的內(nèi)在動(dòng)態(tài)數(shù)量關(guān)系，后者具有很強(qiáng)的機(jī)理性，但試驗(yàn)結(jié)果在氣候差異大的地區(qū)適用性沒(méi)有把握。而作物生長(zhǎng)模型由于其機(jī)理性強(qiáng)、可動(dòng)態(tài)模擬作物生長(zhǎng)過(guò)程等優(yōu)勢(shì)[13]，已廣泛應(yīng)用于災(zāi)害影響評(píng)估和決策管理。因此，本研究旨在通過(guò)ORYZA 2000模型在江西雙季稻區(qū)的本地化，進(jìn)一步探討和研究灌漿期低溫連陰雨災(zāi)害對(duì)江西早稻影響的定量評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 資料及其來(lái)源

1.1.1 氣象資料 2011—2017年江西省農(nóng)田生態(tài)氣象觀測(cè)站（南昌縣、廣豐區(qū)、南康區(qū)）逐日氣象資料（包括最低氣溫、最高氣溫、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)）。

1.1.2 農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料 2011—2015年江西省農(nóng)田生態(tài)氣象觀測(cè)站（南昌縣、廣豐區(qū)、南康區(qū)）雙季早稻農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料，包括生育期、葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、穗干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、葉面積指數(shù)、田間密度等觀測(cè)資料以及管理措施、灌溉水平等田間管理資料。

1.2 工具和方法

ORYZA 2000是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)和國(guó)際水稻研究所聯(lián)合研制的水稻模型，是在ORYZA系列模式ORYZA 1（潛在生產(chǎn)水平）、ORYZA-W（水分脅迫生產(chǎn)水平）和ORYZA-N（氮素脅迫生產(chǎn)水平）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善、更新和集成而來(lái)的。該模型對(duì)水稻生長(zhǎng)各過(guò)程特別是高溫、水分脅迫等有更深入的定量描述，已經(jīng)在一些地區(qū)進(jìn)行了檢驗(yàn)和應(yīng)用。ORYZA 2000主要描述潛在、水分脅迫和氮素脅迫等3種生產(chǎn)水平上水稻的生長(zhǎng)、發(fā)育及產(chǎn)量形成過(guò)程。準(zhǔn)確定量的物候發(fā)育在植物生長(zhǎng)模擬中非常重要。ORYZA 2000模型用發(fā)育階段（development stage，簡(jiǎn)稱DVS）定量描述生理年齡、溫度、晝長(zhǎng)為影響水稻物候發(fā)育的因子。模型考慮了水稻移栽對(duì)發(fā)育進(jìn)程的影響，秧苗秧齡越長(zhǎng)，對(duì)物候延遲的影響越大。ORYZA 2000模型的主要生長(zhǎng)參數(shù)包括比葉面積、同化物分配系數(shù)、葉片相對(duì)生長(zhǎng)速率、葉片死亡速率、莖同化物向穗轉(zhuǎn)移系數(shù)、最大粒質(zhì)量等。

ORYZA 2000模型表征品種間差異的作物參數(shù)大部分是根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果分析得出，具有普適性，但有10%左右的作物參數(shù)表示當(dāng)?shù)仄贩N習(xí)性，須通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)行確定，這些參數(shù)包括發(fā)育速率、干物質(zhì)分配系數(shù)、比葉面積、葉片相對(duì)生長(zhǎng)速率、葉片死亡速率、莖同化物轉(zhuǎn)移系數(shù)以及最大粒質(zhì)量等。

利用獨(dú)立的一套數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，分別驗(yàn)證早稻發(fā)育期、葉面積系數(shù)、各器官生物量及產(chǎn)量的模擬性能，檢驗(yàn)評(píng)價(jià)模型的有效性與適應(yīng)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 ORYZA 2000模型參數(shù)校準(zhǔn)及檢驗(yàn)

利用南昌縣、廣豐區(qū)、南康區(qū)等3個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2012年和2015年氣象資料以及雙季早稻生育期、生物量（葉面積指數(shù)、水稻分器官干物質(zhì)）等田間觀測(cè)資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行本地化參數(shù)校準(zhǔn)，獲得不同品種各發(fā)育階段的發(fā)育速率、干物質(zhì)分配系數(shù)、比葉面積及葉片相對(duì)生長(zhǎng)速率等參數(shù)。由于所選站點(diǎn)觀測(cè)田塊水分保證率均達(dá)到99%以上，肥料供應(yīng)充足，因此，在模型本地化調(diào)試時(shí)選擇氣候生產(chǎn)潛力模式，即不存在水分脅迫和養(yǎng)分脅迫，僅受氣象條件限制。

2.1.1 發(fā)育參數(shù)校正與檢驗(yàn) ORYZA 2000模型中發(fā)育速率參數(shù)是完成某一發(fā)育階段（如從開(kāi)花到成熟）所需要的時(shí)間倒數(shù)，反映的是該品種在某一個(gè)生育階段對(duì)熱量條件的需求。模型將水稻生命期分為基本營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（basic vegetative growth period，簡(jiǎn)稱BVP，從出苗到光周期敏感開(kāi)始）、光周期敏感階段（photopefiod sensitivephase，簡(jiǎn)稱PSP，從基本營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段結(jié)束到孕穗）、穗形成階段（panicleformationphase，簡(jiǎn)稱PFP，從孕穗到開(kāi)花）和灌漿階段（GFP，從開(kāi)花到生理成熟）等4個(gè)發(fā)育階段，根據(jù)不同發(fā)育階段的發(fā)育速率常數(shù)、熱量單位日增量和光周期來(lái)計(jì)算發(fā)育速率，用DVS=0、0.65、1.0、2.0分別表示作物出苗、孕穗、開(kāi)花和生理成熟。

發(fā)育參數(shù)校正：利用2012、2015年南昌縣、廣豐區(qū)、南康區(qū)觀測(cè)站雙季早稻生育期觀測(cè)資料，分別調(diào)試校正嘉早312、73-07和佳優(yōu)615等3個(gè)品種的發(fā)育期參數(shù)。表1為調(diào)試校正后雙季早稻各品種不同發(fā)育期參數(shù)，可見(jiàn)不同品種間營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期參數(shù)和生殖生長(zhǎng)期參數(shù)變化較大，與模型中默認(rèn)品種IR72的參數(shù)值相比也變化較大。其中，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段73-07對(duì)熱量的需求最大，佳優(yōu)615其次;在穗分化期，嘉早312對(duì)熱量的需求最大，73-07最低;而在生殖生長(zhǎng)期，對(duì)熱量需求最大的則是佳優(yōu)615，其次是嘉早312。

發(fā)育參數(shù)回代檢驗(yàn)：表2為將調(diào)試校正后的雙季早稻品種發(fā)育參數(shù)回代到2012年和2015年后的檢驗(yàn)結(jié)果。在開(kāi)花期和成熟期2個(gè)關(guān)鍵生育期，雙季早稻66.7%的生育期模擬誤差在±1 d以內(nèi)，93.3%的模擬誤差在±4 d以內(nèi)。

發(fā)育參數(shù)外推檢驗(yàn)：利用2011、2013、2014年的獨(dú)立數(shù)據(jù)，對(duì)校正后的ORYZA 2000模型在進(jìn)行外推檢驗(yàn)。在開(kāi)花期和成熟期2個(gè)關(guān)鍵生育期，雙季早稻平均誤差為1.5 d，其中，88.9%模擬誤差在±4 d內(nèi)（表3）。綜合回代和外推檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，校正后的本地化ORYZA 2000模型能夠較好地模擬江西省雙季早稻生育進(jìn)程。

2.1.2 生長(zhǎng)量調(diào)試與檢驗(yàn) 比葉面積（specific leaf area，簡(jiǎn)稱SLA）是指葉的單面面積與其干質(zhì)量之比。ORYZA 2000模型中，在指數(shù)階段之后[當(dāng)葉面積指數(shù)（leaf area index，簡(jiǎn)稱LAI）大于1時(shí)]，葉面積增長(zhǎng)取決于用于葉片生長(zhǎng)的碳水化合物的多少，在這個(gè)線性生長(zhǎng)階段，葉面積增加等于葉質(zhì)量增加乘以1個(gè)作為發(fā)育期函數(shù)的比葉面積。由表4可看出，在雙季早稻3個(gè)品種中，73-07的比葉面積在不同階段基本上是最小的，嘉早312與佳優(yōu)615的比葉面積基本一致，而3個(gè)品種均與模型初始值變化均較大。

OYRZA 2000模型遵循逐日計(jì)算植株器官干物質(zhì)生產(chǎn)速率和物候發(fā)育速率的方案，可在整個(gè)生長(zhǎng)季進(jìn)行干物質(zhì)生產(chǎn)和發(fā)育階段的模擬。每天的凈生長(zhǎng)量按照分配系數(shù)（該分配系數(shù)是發(fā)育進(jìn)程的函數(shù)），生產(chǎn)的碳水化合物分配到根、葉片、莖和穂部器官。其中，綠葉分配系數(shù)（FLVTB）表示不同階段分配到綠葉的凈生長(zhǎng)量比率;莖分配系數(shù)（FSTTB）表示不同階段分配到莖稈中的凈生長(zhǎng)量比率;穗分配系數(shù)（FSOTB）表示不同階段分配到生殖器官的凈生長(zhǎng)量比率，三者加起來(lái)須等于1。

生長(zhǎng)量參數(shù)回代檢驗(yàn)：圖1、圖2、圖3分別為校正后的ORYZA 2000模型對(duì)2012、2015年南昌縣、廣豐區(qū)、南康區(qū)雙季早稻的回代模擬檢驗(yàn)結(jié)果。校正后的ORYZA 2000模型可以較好地模擬出雙季早稻葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、穗干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量的變化趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)值保持一致。

由表5、表6、表7的回代模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的比較可以看出，在乳熟期和成熟期等產(chǎn)量形成關(guān)鍵時(shí)期，2年3個(gè)站點(diǎn)的莖葉干質(zhì)量平均相對(duì)誤差為12.1%，穗干質(zhì)量平均相對(duì)誤差為-7.7%，地上部總干質(zhì)量平均相對(duì)誤差為3.0%，說(shuō)明模型對(duì)早稻各器官生長(zhǎng)量的總體模擬結(jié)果較好，可以認(rèn)為通過(guò)回代檢驗(yàn)。

生長(zhǎng)量參數(shù)外推檢驗(yàn)：圖4為調(diào)試校正后的ORYZA 2000模型在2011、2013、2014年的獨(dú)立數(shù)據(jù)中進(jìn)行外推檢驗(yàn)的雙季早稻各器官生物量模擬值與實(shí)測(cè)值綜合對(duì)比分析結(jié)果?？梢钥闯?，模型對(duì)早稻莖葉干質(zhì)量、穗干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量的模擬值與實(shí)測(cè)值呈良好的一致性，回歸系數(shù)α分別為 0.959 0、0.818 5、0.927 3，均接近于1，決定系數(shù)r2分別為 0.889 6、0.929 2、0.963 4，說(shuō)明各器官生長(zhǎng)量的模擬性能良好，模擬值與實(shí)測(cè)值總體相關(guān)性較好，可以用于江西雙季早稻生長(zhǎng)量模擬。

2.2 基于ORYZA 2000模型評(píng)估早稻灌漿期低溫連陰雨災(zāi)害影響

2017年6月11日至7月20日江西出現(xiàn)罕見(jiàn)持續(xù)陰雨寡照天氣（表8），平均氣溫較近30年（1981—2010年）同期偏低1.2 ℃，日照時(shí)數(shù)偏少76.0 h（為1961年以來(lái)第3低值年），全省均降雨日數(shù)達(dá)到24.2 d，低溫寡照天氣對(duì)江西雙季早稻灌漿和產(chǎn)量形成造成了嚴(yán)重的影響。

為評(píng)估此次低溫陰雨災(zāi)害對(duì)早稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的損失，基于本地化的ORYZA 2000模型，以近30年（1981—2010年）各氣象要素平均值為基準(zhǔn)氣候環(huán)境，與2017年持續(xù)陰雨寡照氣候情景下的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，定量評(píng)估此次災(zāi)害對(duì)早稻產(chǎn)量的損失。

受持續(xù)低溫陰雨影響，從6月11日起，南昌縣早稻的穗干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著慢于常規(guī)氣候情景，且隨著時(shí)間持續(xù)，差距不斷擴(kuò)大，而在抽穗期以后，莖葉干質(zhì)量的下降趨勢(shì)則顯著快于常規(guī)氣候情景，綠葉衰亡加快（圖5）。說(shuō)明持續(xù)低溫陰雨對(duì)早稻的光合作用能力有明顯抑制作用，造成每日植株的凈光合產(chǎn)量降低，最終對(duì)產(chǎn)量造成直接影響。

結(jié)果表明，持續(xù)低溫陰雨寡照導(dǎo)致灌漿期熱量和光照不足，造成早稻生育期推遲，各站點(diǎn)成熟期普遍偏晚1～3 d;早稻穗干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著變慢，且與基準(zhǔn)氣候環(huán)境的差值隨時(shí)間持續(xù)而擴(kuò)大，定量評(píng)估來(lái)看，將2種氣候情景的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化對(duì)比，可以看出，光溫缺乏嚴(yán)重影響作物光合作用，抑制各器官生物量增長(zhǎng)。定量評(píng)估結(jié)果（表 9）來(lái)看，對(duì)莖葉干質(zhì)量的影響較小，平均損失率為

2.8%，在生殖生長(zhǎng)期，凈光合產(chǎn)物基本全部分配給生殖器官，因而對(duì)穗質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大，地上部干質(zhì)量、穗干質(zhì)量和產(chǎn)量平均損失率分別為4.7%、6.8%、8.1%。

3 結(jié)論與討論

利用江西省雙季早稻區(qū)3個(gè)代表農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2年的觀測(cè)資料、氣象數(shù)據(jù)和土壤資料，對(duì)水稻生長(zhǎng)模擬模型ORYZA 2000進(jìn)行本地化校正，并利用3年的獨(dú)立觀測(cè)資料進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，不同品種間發(fā)育期參數(shù)、干物質(zhì)分配系數(shù)以及比葉面積在不同時(shí)期有不同的表現(xiàn)，反映了品種的獨(dú)特性質(zhì)。從檢驗(yàn)結(jié)果看出，參數(shù)校正后的ORYZA 2000模型能夠較好地模擬江西省早稻生育期進(jìn)程和生物量變化趨勢(shì)，對(duì)不同品種在不同氣象條件下影響有較好的模擬性能，在江西雙季稻區(qū)具有廣泛的適用性。

基于校正后的ORYZA 2000模型，定量分析了低溫連陰雨災(zāi)害對(duì)江西省早稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，結(jié)果表明，早稻灌漿期低溫連陰雨災(zāi)害延遲了早稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，對(duì)莖葉干質(zhì)量影響較小，但對(duì)穗質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大。

本研究只針對(duì)江西3個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行影響評(píng)估，沒(méi)有展開(kāi)區(qū)域性評(píng)價(jià)，還有待進(jìn)一步研究模型區(qū)域化應(yīng)用，從而在大尺度上進(jìn)行災(zāi)害影響評(píng)估。同時(shí)，模型中沒(méi)有考慮暴雨造成的水稻結(jié)實(shí)率下降影響，研究結(jié)果有一定局限性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃淑娥，田 俊，吳慧峻. 江西省雙季水稻生長(zhǎng)季氣候適宜度評(píng)價(jià)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（4）：527-533.

[2]黃正來(lái)，韋朝領(lǐng)，劉敏華，等. 水稻抽穗灌漿期模擬陰天的光質(zhì)環(huán)境分析及其對(duì)產(chǎn)量形成的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，26（4）：403-409.

[3]殷劍敏，孔 萍，李迎春，等. 我國(guó)南方早稻洪澇災(zāi)害指標(biāo)試驗(yàn)研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，18（4）：1-5.

[4]盧冬梅，王保生，劉文英. 江西省洪澇災(zāi)害對(duì)水稻生產(chǎn)的影響及防御對(duì)策[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（1）：102-105.

[5]李永和，趙明根，陸列寰. 水稻在不同溫度下受淹頸減產(chǎn)規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 浙江水利科技，1997（4）：14-16.

[6]李永和，石亞月，陳耀岳. 試論洪澇對(duì)水稻的影響[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13（6）：83-87.

[7]藺萬(wàn)煌，孫福增，彭克勤，等. 洪澇脅迫對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23（1）：50-54.

[8]章起明，帥莉莉，郭水連，等. 抽穗灌漿期持續(xù)強(qiáng)降水對(duì)雙季早稻產(chǎn)量及生育期的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，30（8）：37-41.

[9]朱子超，李賢勇，王楚桃，等. 生育后期弱光脅迫對(duì)不同類型水稻的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，41（16）：1-3，36.

[10]汪孝清，柯耀文. 江漢平原四湖地區(qū)低溫陰雨天氣對(duì)早稻產(chǎn)量的影響[J]. 湖北氣象，2000（2）：34-35.

[11]劉 博，韓 勇，解文孝，等. 灌漿結(jié)實(shí)期弱光對(duì)水稻產(chǎn)量、生理及品質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)稻米，2008（5）：36-40.

[12]殷正華. 始穗后不同形式的遮光對(duì)稻米品質(zhì)的影響[D]. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[13]高亮之. 農(nóng)業(yè)模型學(xué)基礎(chǔ)[M]. 香港：天馬圖書有限公司，2004.厲 波，曹當(dāng)陽(yáng). 不同種植方式對(duì)黔東南水稻土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（5）：64-67.