氣候變暖背景下晚稻不同生育期葉面積指數(shù)變化及其與產(chǎn)量的關(guān)系

王成孜,王尚明，張清霞，曾 凱，曾越楠，胡 磊*

(1.江西省農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，江西 南昌 330200；2.江西省吉安市氣象局，江西 吉安 343000)

葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI) 為單位土地面積上的葉面積，是反映作物長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量潛力的重要參數(shù)[1],也是決定植物光能捕獲、光合初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[2-4]。LAI作為表征植被冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，生態(tài)氣候系統(tǒng)模式中生物地球物理和化學(xué)過(guò)程均受其影響，近年來(lái)備受全球氣候變化研究者的關(guān)注[5]。研究表明，1950年以來(lái)全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過(guò)程，據(jù)統(tǒng)計(jì)1880～2012年全球平均溫度已升高0.85 ℃，全球氣候系統(tǒng)變暖已成不爭(zhēng)的事實(shí)[6]，因此如何在田間生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)氣候變暖是經(jīng)久不衰的課題。水稻作為主要的糧食作物，事關(guān)我國(guó)的糧食安全，以往關(guān)于水稻葉面積指數(shù)的研究多集中于光譜植被指數(shù)與葉面積的關(guān)系以及葉面積指數(shù)與產(chǎn)量構(gòu)成的關(guān)系[7-8]，但在當(dāng)前氣候變暖背景下，關(guān)于水稻葉面積指數(shù)的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此探究氣候變暖背景下水稻葉面積指數(shù)變化及其與產(chǎn)量的關(guān)系具有重要意義。

本研究采用地處長(zhǎng)江中下游典型雙季稻產(chǎn)區(qū)江西省南昌縣1999～2017年這19年的晚稻生長(zhǎng)發(fā)育及同期的該地氣象觀測(cè)資料，對(duì)晚稻葉面積指數(shù)變化特征及其與氣候因子和產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，旨在揭示在氣候變暖背景下晚稻的葉面積指數(shù)的變化狀況及其與產(chǎn)量形成的關(guān)系，為適應(yīng)氣候變暖促進(jìn)晚稻高產(chǎn)提出有益的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省中部偏北的南昌縣，為鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)，境內(nèi)面積1810.7 km2，耕地面積7.87萬(wàn)hm2，土地肥沃，其中水稻田面積達(dá)5.63萬(wàn)hm2，是雙季水稻適宜種植區(qū)。南昌縣屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和、四季分明、雨水充沛、日照充足。南昌縣年平均氣溫為17.9 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)1655.4 h，年平均降水量1618.9 mm，4～6月份是雨季，年平均相對(duì)濕度為77%。

1.2 試驗(yàn)材料

1999～2017年的晚稻試驗(yàn)觀測(cè)基地位于南昌縣境內(nèi)，每年選取一塊具有代表性、面積為1000～1500 m2的稻田為雙季晚稻試驗(yàn)觀測(cè)基地。各試驗(yàn)?zāi)攴萃淼镜耐寥?、肥料、水分、病蟲(chóng)害防治等均依據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣，實(shí)行常規(guī)的大田栽培管理。試驗(yàn)期間的晚稻品種見(jiàn)表1。本文使用的氣象資料為歷年晚稻生長(zhǎng)發(fā)育間同期的當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 1999～2017年晚稻試驗(yàn)品種

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，按照中國(guó)氣象局編著的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》要求，進(jìn)行晚稻發(fā)育期的觀測(cè)，在發(fā)育期的普遍期觀測(cè)晚稻的株(莖)密度，利用人工或葉面積儀測(cè)定植株葉面積，根據(jù)株(莖)密度和單株葉面積計(jì)算葉面積指數(shù)，晚稻成熟收獲時(shí)取樣考種，測(cè)定晚稻產(chǎn)量。晚稻發(fā)育期的普遍期是指在所觀測(cè)的株(莖)中，有50%的株(莖)進(jìn)入了發(fā)育期。

1.3.1 分蘗動(dòng)態(tài)的測(cè)定 定點(diǎn)定期測(cè)定分蘗動(dòng)態(tài)直至成熟:每小區(qū)4點(diǎn),每點(diǎn)10穴,于返青期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期和成熟期隨機(jī)普查100穴。

1.3.2 植株葉面積指數(shù)的測(cè)定 人工測(cè)定采用面積(系數(shù))法。

式中：Li為綠色葉片的長(zhǎng)度，Di為葉片最大寬度，k為校正系數(shù)。

葉面積儀測(cè)定法：采用LI-COR 3000葉面積儀測(cè)定。

葉面積指數(shù)(LAI)=(單株葉面積×m)/10000

式中：m為1 m2的株數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 晚稻氣象條件的時(shí)間變化

2.1.1 年平均氣溫 1999～2017年南昌縣歷年的年平均氣溫(圖1A)顯示：1999年～2017年，南昌縣的年平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，以每10 a增加0.4 ℃的趨勢(shì)增溫。1999～2017年歷年平均氣溫為18.5 ℃，最大值為19.4 ℃，出現(xiàn)在2017年；最小值為17.8 ℃，出現(xiàn)在2012年。

2.1.2 晚稻生育期間平均氣溫 南昌縣晚稻生育期一般為6月下旬至10月中旬。1999～2017年南昌縣晚稻歷年生育期間的平均氣溫(圖1B)顯示：南昌縣晚稻生育期間的平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，以每10 a增加0.6 ℃的趨勢(shì)增溫，晚稻生育期間升溫明顯。1999～2017年，生育期平均氣溫為26.3 ℃，最大值為27.2 ℃，出現(xiàn)在2013年；最小值為25.1 ℃，出現(xiàn)在2002年。

圖1 1999～2017年平均氣溫和生育期平均氣溫

2.2 晚稻產(chǎn)量與生育期平均氣溫

1999～2017年南昌縣晚稻歷年產(chǎn)量(圖2A)：南昌縣晚稻產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，以每年增加94.7 kg/hm2的趨勢(shì)增加，晚稻增產(chǎn)明顯。1999～2017年，平均產(chǎn)量為7040 kg/hm2，最大值為7882 kg/hm2，出現(xiàn)在2016年；最小值為5772 kg/hm2，出現(xiàn)在2002年。1999～2017年南昌縣晚稻產(chǎn)量和生育期平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系(圖2B)，隨著生育期溫度的升高，每增加1 ℃，水稻產(chǎn)量升高424 kg/hm2。

圖2 1999～2017年晚稻產(chǎn)量及其與生育期平均氣溫的關(guān)系

2.3 晚稻不同發(fā)育期的葉面積指數(shù)

2.3.1 秧苗期 南昌縣歷年晚稻秧苗期的平均LAI為5.2，LAI最大值為10.1，出現(xiàn)在2017年；最小值為2.6，出現(xiàn)在2008年和2012年(圖3A)。由此可知，1999～2017年，南昌縣歷年晚稻秧苗期的LAI沒(méi)有明顯趨勢(shì)，年際波動(dòng)較大。

2.3.2 分蘗期 南昌縣歷年晚稻分蘗期的平均LAI為0.6(圖3B)。由此可知，1999～2017年南昌縣晚稻分蘗期LAI沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但年際波動(dòng)較大。

2.3.3 拔節(jié)期 南昌縣歷年晚稻拔節(jié)期的平均LAI為3.8，LAI最大值為7.0，出現(xiàn)在2001年；最小值為2.1，出現(xiàn)在2007年(圖3C)。由此可知，1999～2017年，南昌縣晚稻拔節(jié)期LAI沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但年際波動(dòng)較大。

2.3.4 抽穗期 南昌縣歷年晚稻抽穗期的平均LAI為4.4，LAI最大值為8.2，出現(xiàn)在2017年；最小值為1.8，出現(xiàn)在2007年(圖3D)。由此可知，1999～2017年，南昌縣歷年晚稻抽穗期的LAI呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為1/10 a。

2.3.5 乳熟期 南昌縣歷年晚稻乳熟期的平均LAI為3.7(圖3E)，LAI最大值為6.9，出現(xiàn)在2017年；最小值為1.8，出現(xiàn)在1999年。1999～2017年，南昌縣歷年晚稻乳熟期的LAI呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為0.8/10 a。

2.3.6 生育期間的平均LAI 盡管晚稻的LAI是隨著發(fā)育期的變化而不斷變化的動(dòng)態(tài)量，但可以定義一個(gè)生育期間的平均LAI，即將晚稻各個(gè)發(fā)育期的LAI進(jìn)行平均，分析生育期間的平均LAI(圖3F)。由圖3B可以看出，南昌縣晚稻分蘗期LAI沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，年際間波動(dòng)不大。

圖3 1999～2017年各生育期葉面積指數(shù)

2.4 不同發(fā)育期葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系

通過(guò)分析1999～2017年晚稻各發(fā)育期的葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性，由圖4D可知，晚稻產(chǎn)量隨著抽穗期葉面積指數(shù)的升高而升高，葉面積指數(shù)每升高1，產(chǎn)量增長(zhǎng)210.78 kg/hm2。由圖4E可知，晚稻產(chǎn)量隨著乳熟期葉面積指數(shù)的升高而升高;葉面積指數(shù)每升高1，產(chǎn)量增長(zhǎng)218.17 kg/hm2。由圖4A、圖4B、圖4C、圖4E可知，晚稻秧苗期、分蘗期、拔節(jié)期、全生育期平均葉面積指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)性不大。

圖4 不同生育期葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系

2.5 不同發(fā)育期≥20 ℃積溫與葉面積指數(shù)的關(guān)系

通過(guò)分析1999～2017年晚稻各發(fā)育期≥20 ℃積溫，由圖5A、圖5B、圖5C可知，晚稻各生育期≥20 ℃積溫沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，年際間波動(dòng)不大。由圖5D可知，晚稻抽穗期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為21.6 ℃·d/a。由圖5E可知，晚稻乳熟期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其遞減率為3.8 ℃·d/a。由圖5F可知，晚稻全生育期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為12.4 ℃·d/a。

圖5 1999～2017年晚稻不同生育期≥20 ℃積溫

通過(guò)分析1999～2017年晚稻各發(fā)育期的LAI與≥20 ℃積溫的相關(guān)性，由圖6A可知，晚稻秧苗期葉面積指數(shù)隨著≥20 ℃積溫的升高而升高，生育期≥20 ℃積溫每升高100 ℃·d，葉面積指數(shù)升高1.06。由圖6B可知，晚稻分蘗期≥20 ℃積溫與葉面積指數(shù)相關(guān)性不大。由圖6C可知，晚稻拔節(jié)期葉面積指數(shù)隨著≥20 ℃積溫的升高而升高，生育期≥20 ℃積溫每升高100 ℃·d，葉面積指數(shù)升高0.39。由圖6D可知，晚稻抽穗期葉面積指數(shù)隨著≥20 ℃積溫的升高而升高，生育期≥20 ℃積溫每升高100 ℃·d，葉面積指數(shù)升高0.38。由圖6E可知，晚稻乳熟期葉面積指數(shù)隨著≥20 ℃積溫的升高而下降，生育期≥20 ℃積溫每升高100 ℃·d，葉面積指數(shù)下降0.83。由圖6F可知，晚稻全生育期葉面積指數(shù)隨著≥20 ℃積溫的升高而升高，生育期≥20 ℃積溫每升高100 ℃·d，葉面積指數(shù)升高0.23。

圖6 不同生育期≥20 ℃積溫與葉面積指數(shù)的關(guān)系

3 討論

隨著全球變暖，氣溫升高對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)比較明顯[9]，生育期內(nèi)充足的熱量有助于水稻提高產(chǎn)量潛力[10-11]。本研究中，1999～2017年，年均氣溫呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，晚稻生育期平均氣溫伴隨著年平均氣溫升高也呈升高趨勢(shì)。生育期平均氣溫每升高1 ℃，晚稻產(chǎn)量升高424 kg/hm2。氣溫升高有利于延長(zhǎng)生育期[12]，進(jìn)而增大作物生育期積溫，這與本研究結(jié)果一致，1999～2017年晚稻全生育期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率為12.4 ℃·d/a。水稻作為一種喜溫作物，生育期積溫升高有利于水稻擁有良好的生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境，有利于提高水稻的葉面積指數(shù)[13]。本研究中晚稻秧苗期、拔節(jié)期、抽穗期、全生育期葉面積指數(shù)均與生育期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。而乳熟期葉面積指數(shù)與生育期≥20 ℃積溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與適宜的生長(zhǎng)環(huán)境加快了水稻植株從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)的進(jìn)程，從而導(dǎo)致葉片衰老加快，使葉面積指數(shù)出現(xiàn)下降。

研究表明，抽穗期和乳熟期葉面積指數(shù)與產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)有顯著相關(guān)關(guān)系[14]，水稻群體的最大葉面積指數(shù)與水稻群體產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系[15]。因此適當(dāng)提高作物的葉面積指數(shù)，單位面積作物擁有更大的光能截獲面積[16]，有利于作物光合產(chǎn)物的積累從而獲得高產(chǎn)[17]。本研究中葉面積指數(shù)與產(chǎn)量具有一定相關(guān)性，晚稻拔節(jié)期葉面積指數(shù)每升高1，產(chǎn)量增長(zhǎng)210.78 kg/hm2；乳熟期葉面積指數(shù)每升高1，產(chǎn)量增長(zhǎng)218.17 kg/hm2。因此葉面積指數(shù)隨生育期≥20 ℃積溫升高，可能是氣溫升高導(dǎo)致晚稻逐年增產(chǎn)的原因之一。

在氣候變暖的大背景下合理增大葉面積指數(shù)進(jìn)而增產(chǎn)增效是一項(xiàng)長(zhǎng)期課題。筆者認(rèn)為應(yīng)通過(guò)綜合改進(jìn)田間管理技術(shù)與品種改良等方法，提高晚稻在拔節(jié)期和抽穗期的葉面積指數(shù)，增加單位面積作物光合截獲面積，從而實(shí)現(xiàn)晚稻的增產(chǎn)增收。