气象因子与黔中水稻灌浆速度及千粒重相关性分析

张 皓1,2,翁 玲3,刘宇鹏4,吴 丹5,金昭贵 1,王禄静1,杨 涛3

(1.清镇市气象局,贵州 清镇 551400;2.贵阳国家农业气象试验站,贵州 清镇 551400;3.贵阳市气象局,贵州 贵阳 550022;4.贵州省山地环境气候研究所,贵州 贵阳 550002;5.贵阳市花溪区气象局,贵州 贵阳 550025)

摘 要:【目的】研究黔中地区气象因子与水稻灌浆速度及千粒重的相关性。【方法】利用2013—2017年水稻灌浆-成熟期逐日气象数据(风速、降水、气温、日照时数、相对湿度、蒸发量)与灌浆速度、千粒重数据,通过倾向变化率分析潜在蒸散量、灌浆速度、千粒重变化特征;借助RDA探讨气象因子与产量要素的相关性,进一步得出水稻灌浆-成熟期温度适宜度。【结果】2013—2017年,黔中地区仅2016年水稻灌浆-成熟期日均潜在蒸散量有增长趋势;2013、2014、2017年,水稻灌浆速度曲线为单“峰”型,2015年为双“峰”型,2016年为“平抛”型;2013—2017年水稻千粒重为弱变异。【结论】蒙特卡洛分析表明,气象因子与灌浆速度表现为正相关,与千粒重变化呈负相关,最低温度是影响水稻灌浆-成熟产量因素的关键因子;2013—2017年,水稻灌浆-成熟期温度适宜度在0.86~0.98之间,生长发育所需热量充裕。

关键词:气象因子;灌浆速度;千粒重;冗余分析;温度适宜度

【研究意义】水稻作为世界四大粮食作物之首,在我国供给65%以上人口食用,是国家粮食安全的基石。贵州省水稻常年种植面积70万hm2左右,占粮食种植面积1/3以上,该区域属黔东湘西高原山地单双季稻亚区[1],受东亚季风和南亚季风交汇附加地形支配的影响,导致区域暴雨、高温、干旱等极端天气频发,造成光温水等分布差异大。因此研究气象因子对水稻灌浆速度及千粒重影响,对充分利用区域水热资源趋利避害具有重要意义。【前人研究进展】大量研究证实水稻灌浆-成熟期是决定结实和粒重的关键时期,直接影响着产量形成[2]。水稻籽粒的充实和重量又与灌浆速度和灌浆起止时间密切相关[3],而且水稻温度敏感性极强[4],高温能使灌浆过程提早结束,造成粒长和粒宽减小、粒重下降[5]。同时,气温升高导致作物潜在蒸散量普遍增加,干旱化过程对确保水稻稳产进行农业灌溉水分资源调配提出挑战[6]。另外,黔中地区位于云贵高原腹地,与同纬度长江中下游流域相比,水稻经历严重低温危害的风险大[7]。在农业受气候变化深刻影响背景下,围绕服务农业产业结构调整,推动乡村振兴,农业气象工作者在黔以水稻为对象开展了大量研究。张波等[8]利用水分盈亏指数,分析了贵州有效降水量对水稻需水量的满足状况;王连喜[9]综合考虑贵州不同海拔高度下水稻抽穗开花期的界限温度,选取冷积温作为水稻秋风灾害指标,对贵州水稻秋风灾害冷积温指标进行了研究;陈超[10]提出的水稻各关键生育期界限温度起始期预测模型,为不同海拔、纬度水稻产区规避热害及冷害影响提供了新思路;张建平[11]建立的湿润指数距平率农业干旱监测模型对贵州受旱高频区水稻干旱监测具有实际意义。【本研究切入点】研究潜在蒸散量变化对了解土壤、植被与大气之间的水汽交换及植被层的热量平衡具有重要的意义,关于大范围长时间蒸散量突变特征及周期性研究较集中,而将作物逐日潜在蒸散量变化特征与具体发育期建立直接联系的报道较少。【拟解决的关键问题】本研究从水稻灌浆-成熟期潜在蒸散量、灌浆速度、千粒重的变化特征入手,借助冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)研究灌浆速度、千粒重与气象因子的相关性,在此基础上得出主要影响因子适宜度,以期为黔中水稻生产决策提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013—2017年在贵阳国家农业气象试验站(2016年底因业务需要由花溪迁往清镇)开展。黔中腹地地处云贵高原东斜坡中部、苗岭山脉北侧,地形以山地丘陵为主,供试地块土壤肥力中等。供试水稻品种为川优6203。

1.2 试验方法

设置4个小区,每个小区面积250 m2,总面积1 000 m2,小区间隔0.5 m,每个小区各选一个测点,作上标记,并按区顺序编号。为增强代表性,各区测点位置交错排列,使之纵横都不在同一行上,测点距田地边缘的最近距离不小于2 m。水稻采用200穴漂盘育苗,每穴放种子2粒,以秧龄30 d为移栽期,移栽时施氮磷钾平衡型复合肥(总养分含量≥45%,N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)作底肥,全生育内田间管理一致。

1.3 测定指标及方法

灌浆速度与千粒重:水稻开花始期,每个试验处理区选择同日开花、大小相近的稻穗200个,挂牌,注明日期,供灌浆速率测定用。开花后第10 d开始直到成熟,每隔5 d取样1次,每个处理每次取20穗,统计总粒数,将籽粒放入铝盒称鲜重,烘干后称干重,换算为千粒重。

气象数据:2013—2017年水稻灌浆-成熟期逐日气温、降水、空气湿度、日照等数据,由贵州省气象局信息中心获取。

分析方法:(1)潜在蒸散量。是指下垫面足够湿润条件下,水体保持充分供应的蒸发量[12]。本研究采用的Penman-Monteith模式,是基于能量平衡和水汽扩散理论,在没有考虑作物种类、土壤类型和水汽条件限制基础上计算得出的潜在蒸散量,其值与实测值最为接近[13]

(2)RDA分析。从统计学的角度有效评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的关系[14]属约束性排序的一种,本研究以气象因子为环境因子,以灌浆速度、千粒重作为物种信息,分析二者的相关性。

(3)蒙特卡洛分析(Monte Carlo Test)。这是一种基于生成“随机数”后使用随机数进行分析的计算方法。具有适用性广泛,对自变量和因变量之间的关系及自变量本身的性质等因素要求不高的特点,使用该方法进行实验次数越多,随机抽取的样本越多结果就越精确。

(4)温度适宜度。利用模糊数学原理,通过β函数较好地反映出作物生长与温度的非线性关系,即作物在最适温度之上和最适温度之下的反应不同,其数值范围为0~1,该函数具有普适性[15-16]

(5)潜在蒸散量、灌浆速度、千粒重的变化趋势。用气候倾向率等常规方法进行分析。

试验数据采用Excel、Canoco 4.5进行分析和制图。

2 结果与分析

2.1 黔中水稻生育期潜在蒸散量变化特征

作为评价作物耗水的重要指标,潜在蒸散量是衡量区域蒸发能力的重要指标,也是评价气候干湿状况及农业灌溉水分资源的关键参量[17]。由图1可知,2013年黔中水稻灌浆-成熟期日均最低潜在蒸散量为1.92 mm/d、最高为4.07 mm/d,2014年分别为3.26、4.81 mm/d,2015年分别为1.94、3.59 mm/d,2016年分别为2.19、 3.28 mm/d,2017年分别为2.90、4.84 mm/d;总体上,2014年水稻灌浆-成熟期日均潜在蒸发量(3.71 mm/d)最大,2015年(2.78 mm/d)最低,2016、2013、2017年按高低分列其中;从变化趋势来看,2016年水稻灌浆-成熟期日均潜在蒸散量呈增长趋势,2013—2015年、2017年均呈降低趋势,2013—2017年倾向变化率依次为-0.13、-0.25、 -0.12、-0.04、-0.20 mm/d。贵州水稻灌浆-成熟期处于夏季,降水多湿度大是造成潜在蒸散量降低的原因,张波等[18]研究发现贵州夏季ET0呈递减趋势,夏季潜在蒸散量与相对湿度呈极显著负相关。

2.2 黔中水稻灌浆速度、千粒重变化特征

水稻籽粒灌浆被称为粒重第二决定因素,与产量及品质密切关联。由图2可知,黔中水稻灌浆速度随发育推进而减慢,以2016年最明显,2015年较平缓;2013年水稻灌浆最早、平均灌浆速度为0.72 g/千粒·d,2016年最晚,平均灌浆速度为0.46 g/千粒·d。相关研究表明,一般早开花的强势粒灌浆速率大,晚开花的弱势粒灌浆速率小,而且会影响到胚乳中淀粉粒排列紧密和籽粒充实度,进而影响产量[19],与本研究结果相一致。从水稻灌浆速度曲线峰型来看,2013、2014、2017年均为单“峰”型,10 d左右(开花后15 d)达到峰值而后逐渐降低,峰值分别达到1.03、1.23、1.01 g/千粒·d,差异在于2013年、2017年峰值左偏,2014年峰值右偏;2015年为双“峰”型,峰值均为0.77 g/千粒·d,先左偏后右偏;2016年为“平抛”型,开花后5 d灌浆即达最快(1.07 g/千粒·d),根据气象资料统计分析,该年水稻灌浆-成熟降水量为51.9 mm,仅为2013—2017年该生育期平均降水量的45.25%,这可能是造成灌浆曲线特异性的主要原因。

由图2可知,2013—2017年黔中水稻成熟时千粒重依次为24.83、23.32、22.77、22.75、25.63 g,变异强度评价采用上海气象科学研究所薛正平等[20]的三级评价法,可得千粒重变异系数CV为4.48%,为弱变异;水稻千粒重的变化曲线接近“S”形,表明水稻干物质累积符合发育进程,其中2016年千粒重趋势线斜率最小、对应增速最慢,2013年则与之相反。

综合黔中水稻灌浆速度曲线峰值偏向、千粒重增长趋势及灌浆起始时间,可以推断:2013、2017年黔中水稻籽粒在灌浆期内表现强势,2015年籽粒在灌浆期表现出先强后弱的变化特点,2014年籽粒灌浆相对滞后,2016年水稻籽粒虽然起始就达到灌浆峰值,但后期水分供给不足,导致千粒重表现最差,群体质量在研究年限内最低。

2.3 气象因子与黔中水稻灌浆速度、千粒重相关性

图3显示,每个气象因子的箭头长度表示特征向量的长度,可以用来解释气象因子对灌浆速度、千粒重的影响程度;任意两个箭头间的夹角(α)表征二者间的相关性,α介于0°~90°之间表示变量为正相关,α在90°~180°之间表示变量为负相关,α=90°时变量无相关性。衡量解释变量对被解释变量影响的大小,需要综合考虑解释变量的箭头长度、二者的夹角以及解释变量与排序轴之间的相关性[21]。。RDA分析过程中Monte Carlo Test表明,第一排序轴及4个排序轴所反映的气象因子均与灌浆速度、千粒重之间呈显著相关关系,其中第一典范轴P值为0.001,所有典范轴P值为0.012。物种信息(灌浆速度、千粒重)的53.9%能被以上9个气象因子解释,其中第一排序轴解释47.8%的变化信息、第二排序轴解释6.1%的信息变化量,在第一轴上粮食产量与环境变量的相关系数为0.843、第二轴上的相关系数为0.342。由图3可知,代表各气象因子的箭头与灌浆速度箭头之间夹角为锐角、与千粒重箭头方向夹角为钝角,说明气象因子与灌浆速度呈正相关、与千粒重变化呈负相关,即在灌浆-成熟期内随着水稻发育进程的推进,灌浆速度趋于平缓,而干物质的累积量逐步增加,因此物种信息间表现出负相关。气象因子对黔中水稻灌浆速度、千粒重的影响依次为Tmin>W>T>Tmax≈ET0≈Hd>Sd>P>E,说明水稻产量下降的主要原因是由于最低气温的升高所致[22]

图1 2013—2017年黔中水稻灌浆-成熟期潜在蒸散量
Fig. 1 Potential evapotranspiration of rice during grain filling-maturity period in Central Guizhou from 2013 to 2017

图2 2013—2017年黔中水稻灌浆速度、千粒重变化曲线
Fig. 2 Change curves of rice grouting speed and 1000-grain weight in Central Guizhou from 2013 to 2017

2.4 黔中水稻灌浆-成熟期温度适宜度

由RDA分析可知,气象因子中温度(最低温度、平均温度、最高温度)对水稻灌浆速度及千粒重影响最大。为进一步评价黔中水稻灌浆-成熟期对温度的响应,引入水稻生长期温度适宜度计算方法,结果显示,2013—2017年,黔中水稻灌浆-成熟期温度适宜度在0.86~0.98之间,一般来说,当适宜度低于0.5,水稻发育缓慢,接近0时基本停止发育,温度适宜度越高表明热量条件越有利于水稻生长发育。本研究中平均温度适宜度达到0.928,表明黔中区域内≥10℃的活动积温可以满足水稻灌浆成熟热量需求。

3 讨论

通过影响水稻灌浆、千粒重变化造成产量高低的原因没有统一观点,侯雯嘉等[23]认为东北三省水稻灌浆至成熟期气温偏低是主要气象因子,徐富贤等[24]发现长江流域抽穗灌浆期气温偏高导致产量降低,张昭等[25]提出降水量和太阳辐射变异以及温度胁迫造成水稻产量年际波动。大量分析表明,温度、辐射和降水量等气候要素存在自相关性,在探讨影响水稻产量关键气候因素时,应避免单纯的将原因归结为某一个气候要素发挥作用得出错误结论[26]。本研究采用Penman-Monteith模型计算ET0,该方法涉及到气温、风速、相对湿度以及净辐射等,在综合评价气候干湿程度、作物耗水和计算作物生产潜力方面更加全面[27]

研究证实,着生在稻穗中上部早开花的强势粒灌浆快、充实好、粒重高,而着生在稻穗下部迟开花的弱势粒 灌浆慢、充实差、粒重低[28],通过强势粒和弱势粒的灌浆速度曲线同步情况,能够更直观的判断水稻的源库类型,根据发育进程开“源”扩“容”,保障“流”动畅通,为水稻稳产高产奠定基础。本研究中,黔中水稻灌浆速度测定时选取的稻穗样本考虑了整体“同日开花、大小相近”,但未对同一稻穗上部和下部加以区分测定灌浆情况,需在下一步工作中进行完善。

大田生产上非气象因素对水稻生育期的影响可能大于气象因素[29],本研究没有采用人工气候室进行对照,但自然状态下取得的成果在保证水稻产量稳定方面可行性更强[30]。试验通过统一管理措施及种植方式,尽可能减少非气象因子扰动,充分考量气象因子对水稻灌浆速度及千粒重影响。然而,由于研究年限较短,没有对影响水稻灌浆-成熟期生理生化反应进行跟进,影响了分析的深度,今后应注意从作物、气候,“内”“外”两方面展开研究以获得更加全面的结论。

4 结论

本研究Monte Carlo Test结果表明,黔中水稻的53.9%物种信息(灌浆速度、千粒重)能被潜在蒸散量等9个因子解释,第一排序轴及4个排序轴所反映的气象因子与灌浆速度呈显著正相关,与千粒重呈负相关。黔中水稻灌浆速度、千粒重受气象因子影响的大小依次为Tmin>W>T>Tmax≈ET0≈Hd>Sd>P>E,其中温度(最低温度、平均温度、最高温度)作为影响水稻灌浆-成熟的最主要因子,其适宜度在0.86~0.98之间,热量丰富,可以满足水稻灌浆成熟需求。

图3 灌浆速度、千粒重与气象因子RDA排序
Fig. 3 RDA Ranking of grouting speed, 1000-grain weight and meteorological factors

TWK:千粒重;Gs:灌浆速度;Hd:相对湿度;W:风速;P:降水量;E:蒸发量;ET0:潜在蒸散量;Sd:日照时数;T:平均气温;Tmax:最高气温;Tmin:最低气温
TWK: 1000-grain weight; Gs: grouting speed; Hd: relative humidity;
W: wind speed; P: precipitation; E: evaporation; ET0: potential evapotranspiration; Sd: sunshine hours; T: average temperature;Tmax: maximum temperature; Tmin: minimum temperature

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Analysis on Correlation between Meteorological Factors and Rice Filling Speed and 1000-grain Weight in Central Guizhou

ZHANG Hao1,2, WENG Ling3, LIU Yupeng4 , WU Dan5, JIN Zhaogui1, WANG Lujing1, YANG Tao3
(1. Meteorological Bureau of Qingzhen, Qingzhen 551400, China;2. Country-First Level Agrometeorological Test Station in Guiyang, Qingzhen 551400, China;3. Meteorological Bureau of Guiyang, Guiyang 550022, China;4. Guizhou Institute of Mountainous Climate, Guiyang 550002, China;5. Meteorological Bureau of Huaxi District, Guiyang 550025, China)

Abstract:【Objective】 The study was to analyze the correlation between meteorological factors and rice grain filling speed and 1000-grain weight in central Guizhou Province.【Method】Based on the daily meteorological data (wind speed,precipitation, temperature, sunshine duration, relative humidity and evaporation), grouting speed and 1000-grain weight in rice grouting maturity period from 2013 to 2017, the variation characteristics of potential evapotranspiration, grouting speed and 1000-grain weight were analyzed through the trend change rate. With the help of RDA, the correlation between meteorological factors and yield factors was discussed to further obtain the temperature suitability of rice during grain filling-maturity period.【Result】The results showed that only in 2016, the average daily potential evapotranspiration showed an increasing trend during the rice grain filling-maturity period. The rice grouting speed curve was single“peak”type in 2013, 2014 and 2017, double“peak”type in 2015, and flat casting type in 2016. From 2013 to 2017, the 1000-grain weight of rice showed weak variation.【Conclusion】Monte Carlo Test showed that meteorological factors were positively correlated with grouting speed, and negatively correlated with the change of 1000-grain weight. The lowest temperature was the key factor affecting the grain filling-maturity yield of rice. From 2013 to 2017, the optimum temperature for rice during grout to maturity period was between 0.86-0.98, which required abundant heat for growth and development.

Key words: meteorological factors; grouting speed; 1000-grain weight; redundancy analysis (RDA); temperature suitability

中图分类号:S511;S162.5+3

文献标志码:A

文章编号:1004-874X(2019)12-0001-08

张皓,翁玲,刘宇鹏,吴丹,金昭贵,王禄静,杨涛.气象因子与黔中水稻灌浆速度及千粒重相关性分析[J].广东农业科学,2019,46(12):1-8.

收稿日期:2019-10-22

基金项目:国家科技支撑计划项目(2012BAD20B06);贵州省气象局开放基金(黔气科登〔2018〕05-06号);贵阳市气象局科技基金(筑气科合KF〔2018〕08号)

作者简介:张皓(1988—),男,硕士,工程师,研究方向为农业气象观测与服务,E-mail:hao.0210@163.com

通信作者:翁玲(1984—),女,高级工程师,研究方向为气象服务与应用气象研究,E-mail:31788411@qq.com

(责任编辑 邹移光)