基于水稻障礙型冷害推算水稻安全齊穗期

劉逸群 劉存

[摘 要] 本文以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為研究對(duì)象，假設(shè)水稻空殼率僅受低溫災(zāi)害影響，則空殼率成為確定安全齊穗期的重要因子，基于此建立水稻障礙型冷害損失及預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型，推算水稻的安全齊穗期。考慮不同水稻品種的低溫耐寒性差異，設(shè)置四類水稻模擬組合，分別為耐寒性最弱的秈稻、耐寒性較弱的粳稻、耐寒性較強(qiáng)的粳稻、耐寒性強(qiáng)的粳稻。研究結(jié)果可得四類水稻安全齊穗期主要呈現(xiàn)隨緯度提前的變化態(tài)勢(shì)，四類不同耐寒性水稻安全齊穗期的空間差異不明顯。但是，在推算安全齊穗期上，本研究假設(shè)水稻空殼率的增加只因?yàn)榈蜏乩浜Φ淖饔?，因此，利用水稻障礙型冷害損失及預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型反推空殼率等于生理空殼率（5%）時(shí)的水稻出穗期，并以此日期作為安全齊穗期確立的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 水稻;安全齊穗期;空殼率;長(zhǎng)江中下游

[中圖分類號(hào)] S435.11 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2020）23-96-3

1 研究背景

水稻是僅次于小麥的世界第二大糧食作物，世界上有50%以上的人口以稻米為主食。水稻是我國(guó)重要的糧食作物之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量均居我國(guó)糧食作物的前列，水稻種植面積占糧食作物總面積的30%，總產(chǎn)量則占糧食作物總產(chǎn)量的40%。水稻生產(chǎn)直接關(guān)系著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定和人們的生活水平，水稻生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)工作的重中之重。而洪澇、干旱、低溫冷害是影響水稻生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，環(huán)境溫度過低會(huì)導(dǎo)致障礙型冷害的發(fā)生，及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水稻冷害及預(yù)報(bào)冷害造成水稻減產(chǎn)數(shù)量，對(duì)于水稻生產(chǎn)全預(yù)警及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者主要專注于研究水稻障礙型冷害生理變化[1，2]，如日本學(xué)者基本確定冷害導(dǎo)致水稻雄蕊花粉不充實(shí)，導(dǎo)致穎花不育。王連敏等認(rèn)為減數(shù)分裂期的15 ℃低溫處理可使水稻不育率提高50%～80%，低溫造成的花粉不育和花粉粒發(fā)育畸形與淀粉粒積累較少有關(guān)[3]。孟昭河等認(rèn)為開花期遇到低溫，花粉發(fā)芽能力喪失，會(huì)產(chǎn)生不實(shí)粒;在水稻幼穗形成期，遭受低溫冷害多發(fā)生穎花畸形，穎花不能形成正常的籽粒，產(chǎn)生不實(shí)粒[4]。Pessarakli認(rèn)為低溫可使花藥絨氈層細(xì)胞膨大，影響藥壁向花粉的營(yíng)養(yǎng)供給，進(jìn)而影響花藥開裂，使其開裂不良或無法開裂，最終導(dǎo)致穎花不育[5]。

2 材料與方法

2.1 長(zhǎng)江中下游水稻安全齊穗期

由于長(zhǎng)江中下游一季稻生長(zhǎng)季內(nèi)氣候條件存在地域差異，因此，確定研究區(qū)一季稻安全齊穗期成為合理安排水稻播栽期的重要依據(jù)。當(dāng)前，水稻安全齊穗期是根據(jù)水稻減數(shù)分蘗期和抽穗開花期的低溫指標(biāo)來確定的，通常指水稻必須在秋季某個(gè)期限以前齊穗或齊花，有80%以上的年份可以避開低溫影響的日期。

2.1.1 資料來源。氣象資料為對(duì)應(yīng)臺(tái)站的氣象常規(guī)觀測(cè)資料，從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取。水稻資料來源從中國(guó)氣象局資料中心取得研究區(qū)域1981—2010年各個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站的水稻田間試驗(yàn)資料，包括水稻品種、生育期、產(chǎn)量和田間管理等。

2.1.2 安全齊穗期的溫度指標(biāo)。耐寒性最弱的秈稻安全齊穗期指標(biāo)為日平均氣溫穩(wěn)定在22 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)3 d平均氣溫低于22 ℃的天氣。根據(jù)南京市氣象資料分析，其80%保證率的安全齊穗期為9月10日。耐寒性較弱的粳稻安全齊穗指標(biāo)為日平均氣溫穩(wěn)定在20 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)3 d平均氣溫低于20 ℃的天氣。

2.2 水稻障礙型冷害損失及預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型

水稻進(jìn)入生殖生長(zhǎng)低溫敏感期后，遇低溫天氣而使生殖生長(zhǎng)過程受阻，雌性不育產(chǎn)生空殼，這是障礙型冷害形成的主要機(jī)制，也是建立障礙型冷害損失及預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型的理論依據(jù)。因每日溫度條件和水稻群體進(jìn)入敏感期數(shù)量比例均不同，因而每天低溫對(duì)水稻減產(chǎn)的影響程度有很大差別，不能用某一時(shí)段的平均值來代替。

2.2.1 安全齊穗期的推算。水稻障礙型冷害損失評(píng)估及預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型能模擬水稻生殖生長(zhǎng)敏感期低溫冷害造成的水稻空殼率。為了推算安全齊穗期，本研究假設(shè)水稻空殼率僅受低溫災(zāi)害影響，則空殼率成為確定安全齊穗期的重要因子。另外，考慮到研究區(qū)氣候特征的空間差異，安全齊穗期的推算需要結(jié)合各地一季稻生長(zhǎng)季的氣候特征來實(shí)現(xiàn)。

考慮到水稻品種對(duì)低溫耐寒性的差異，對(duì)模型中的臨界溫度T0、敏感期長(zhǎng)度n和敏感高峰期系數(shù)d進(jìn)行調(diào)整，形成四類水稻的模擬參數(shù)組合，如表1所示。對(duì)于耐寒性強(qiáng)的粳稻，T0設(shè)定為本研究修訂的指標(biāo)閾值。敏感期長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則表明水稻生殖生長(zhǎng)階段對(duì)低溫越敏感。d則用于反映敏感高峰期偏前的程度，該值越小表示相同低溫環(huán)境下敏感階段前期受低溫影響越大。

2.2.2 安全齊穗期指標(biāo)的修訂。首先利用現(xiàn)有指標(biāo)計(jì)算1981—2014年研究區(qū)各站逐年安全齊穗期，然后計(jì)算80%保證率下的安全齊穗期，將該結(jié)果與模型推算的各站80%保證率下的安全齊穗期進(jìn)行比較，為了減少兩者的差異，對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)中的溫度閾值、連續(xù)天數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再利用調(diào)整后的指標(biāo)重新計(jì)算所有站80%保證率下的安全齊穗期，直至與模型推算的80%保證率下的安全齊穗期誤差最小。記錄此時(shí)的溫度閾值和連續(xù)天數(shù)，并以此對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)進(jìn)行修訂。

3 結(jié)果與分析

利用上述四類不同低溫耐寒性水稻的安全齊穗期指標(biāo)，計(jì)算了1981—2014年研究區(qū)所有氣象站逐年安全齊穗期和80%保證率下的安全齊穗期。四類水稻安全齊穗期主要呈現(xiàn)隨緯度提前的變化態(tài)勢(shì)，空間上差異最大在60 d左右。其中，在江蘇中北部、鄱陽湖區(qū)域、湖南中東部及湖北西部明顯提前，這與局地氣候有密切關(guān)系，這些地區(qū)的安全齊穗期大多早于270 d。

就耐寒性最弱的秈稻來看，整個(gè)研究區(qū)安全齊穗期在225～260 d，平均為242 d。其中，最早進(jìn)入安全齊穗期的主要在湖北省西部山區(qū)。對(duì)于耐寒性較弱的粳稻，安全齊穗期在231～264 d，平均為253 d。耐寒性較強(qiáng)的粳稻進(jìn)入安全齊穗期的時(shí)間與耐寒性較弱的粳稻大體相似，差異在2 d左右。對(duì)于耐寒性強(qiáng)的粳稻，安全齊穗期在234～276 d，平均為263 d。

圖1顯示了由模型推算的部分站點(diǎn)耐寒性較弱粳稻的安全齊穗期的年變化。4個(gè)站點(diǎn)推算的水稻安全齊穗期只有興化站點(diǎn)表現(xiàn)出隨年份增加而逐漸推遲的趨勢(shì)。據(jù)推算，興化水稻安全齊穗期平均每10 a推后約1.8 d，而壽縣為平均每10 a提前0.2 d，幾乎保持不變，荊州為平均每10 a提前3.2 d，湖州為平均每10 a提前3.1 d。年之間的波動(dòng)較大，如安徽壽縣的變化波動(dòng)平均達(dá)到10 d，表明安全齊穗期隨各年的熱量條件差異變化明顯。

由模型推算出的結(jié)果與現(xiàn)有指標(biāo)計(jì)算的安全齊穗期有一定的差異，如圖2所示。盡管安全齊穗期的空間變化大體一致，且相關(guān)性較好，但安全齊穗期之間差別-36～8 d。圖3顯示了各站模型推算的安全齊穗期與現(xiàn)有指標(biāo)推算的安全齊穗期的差異，其中誤差最小的為耐寒性強(qiáng)粳稻的安全齊穗期，平均誤差在7 d，模型推算的較現(xiàn)有指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果提取約7 d。誤差最大的為耐寒性最弱秈稻，模型推算的較現(xiàn)有指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果提前較多，平均誤差達(dá)到23 d。這表明模型推算的安全齊穗期普遍早于現(xiàn)有指標(biāo)結(jié)果。據(jù)分析，現(xiàn)有指標(biāo)是根據(jù)水稻抽穗開花的溫度要求約束安全齊穗期的，而模型是從溫度和空殼率2個(gè)方面共同約束安全齊穗期，因此，在安全齊穗期的確定上，模型推算的結(jié)果更能保障水稻安全出穗和安全生產(chǎn)。

4 討論

模型推算的安全齊穗期更貼近水稻生產(chǎn)實(shí)際，并從溫度和空殼率兩方面約束水稻安全齊穗期較現(xiàn)有指標(biāo)僅從溫度上約束水稻安全齊穗期更可靠。因?yàn)楝F(xiàn)有安全齊穗期指標(biāo)是以常年的特定的氣候保證率（一般為80%）條件下日平均氣溫降至20、22 ℃的穩(wěn)定出現(xiàn)的終日為溫度條件指標(biāo)分別確定不同地區(qū)粳稻與秈稻的安全齊穗期。但生產(chǎn)實(shí)踐上常常出現(xiàn)一些生育期偏長(zhǎng)的水稻品種因生育期內(nèi)有效積溫不足造成不安全成熟而減產(chǎn)的情況，因此水稻安全抽穗期的確定除依據(jù)水稻抽穗開花的溫度及生理指標(biāo)外，還應(yīng)兼顧不同類型水稻品種生育期對(duì)溫光條件反應(yīng)的敏感程度，才能有效確保不同類型水稻品種獲得安全的生育成熟。

參考文獻(xiàn)

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