高溫條件下水稻耐感品種冠層微氣象特征差異

劉業(yè)濤 劉科 王毅 高園 田小海

（長江大學農(nóng)學院/主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北荊州434025；第一作者：2447507095＠qq.com；*通訊作者：xiaohait＠sina.com）

水稻是我國主要的糧食作物之一。隨著全球生態(tài)環(huán)境的變化，極端高溫熱害天氣發(fā)生更為頻繁，水稻高溫熱害已成為我國水稻主產(chǎn)區(qū)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一[1-4]。自20世紀70年代以來，國內(nèi)外許多學者對水稻高溫熱害的危害機理和氣象指標進行了大量研究。一般認為，水稻對高溫敏感的時期是抽穗揚花期，此時遭遇連續(xù)3～5 d，平均溫度≥30℃或日最高溫度≥35℃的高溫天氣，就會造成花器官發(fā)育障礙、結實率嚴重下降、水稻產(chǎn)量和品質(zhì)嚴重受損[5-10]。這些參數(shù)為如今熱害研究模型的設定和熱害評估提供了強有力的理論基礎[11-13]。但是，田間發(fā)生熱害時，涉及到綜合氣候條件，單一的溫度變量不能囊括所有影響因素。TIAN等[6]研究結果表明，高溫危害發(fā)生時，相對濕度是干擾實際溫度的重要因子。MATSUI等[14-15]研究結果顯示，水稻開花期經(jīng)歷37.5℃的高溫，小穗不育率隨著空氣濕度的提升而降低。因此，我們在研究高溫危害時，應該考慮到除溫度外，如空氣濕度、風速和土壤水分等其他因素。

目前，多數(shù)水稻高溫研究中的氣象指標來源于氣象觀測站在空曠旱地距地面約1.5 m處測得的數(shù)據(jù)，而高溫熱害發(fā)生時，水稻的冠層部位受害最為嚴重，上述氣象站測定的氣象條件能否反映實際受害的冠層部位的氣象條件有待探討，且熱害發(fā)生時冠層處的氣象條件如何變化也不太清楚。姚儀敏等[16]使用MINCER（Micrometeorological Instrument for the Near-Canopy Environment of Rice）測量水稻花期熱害下的冠層微氣象特征，結果顯示，熱害期間冠層內(nèi)部平均溫度比對照點低2.05℃，但其研究中供試品種僅為1個，且耐熱程度尚不清楚，能否真正反映冠層處的微氣象的變化特征還有待進一步研究。近些年來，作物冠層溫度愈來愈受到重視[17-19]，但對于相關感/耐品種在熱害下的微氣象及其日周期內(nèi)的動態(tài)變化還不十分清楚。基于此，本研究利用MINCER對不同耐熱型水稻冠層處的微氣象進行實時監(jiān)測，以期獲得江漢平原水稻發(fā)生熱害時的田間微氣象參數(shù)，為本地區(qū)建立熱害評估模型奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

圖1 2017年湖北荊州試驗地點水稻開花灌漿期間日平均氣溫和日最高氣溫

表1不同水稻的始穗期、開花時間和結實率

供試材料為IR64（感熱品種）和N22（耐熱品種）。試驗于2017在長江大學農(nóng)學院試驗農(nóng)場進行，土壤耕層有機質(zhì)含量18.5 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，速效磷33.25 mg/kg，速效鉀105.11 mg/kg。供試材料于5月5日播種，田間布局采用隨機區(qū)組設計，3次重復。小區(qū)面積為10 m×8 m，株行距為20.0 cm×16.7 cm。大田施氮量 180 kg/hm2，氮肥為尿素，基肥∶蘗肥∶穗肥=4∶2∶4。其中，基肥在移栽前1 d施用，分蘗肥于移栽后7 d施用，穗肥于幼穗分化Ⅳ期施用。氮磷鉀肥用量之比為2∶1∶2（分別以 N、P2O5、K2O 計）；磷肥為過磷酸鈣，作基肥一次性施用；鉀肥為氯化鉀，50%作基肥、50%作穗肥。

1.2MINCER觀測

稻株開花稍前將MINCER放入觀測區(qū)。每小區(qū)內(nèi)放置1個MINCER于冠層內(nèi)部，依據(jù)稻株的生長情況對進氣口的高度進行調(diào)整，使其與穗的平均高度處于同一水平位置。

1.3 試驗點附近標準化氣象觀測

標準化氣象觀測來自國家一級農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站湖北省荊州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站（距大田試地約500 m）記錄的數(shù)據(jù)，以下簡稱“對照點數(shù)據(jù)”。試驗前將MINCER搬至該試驗站觀測場進行了對比測定，確定該儀器測量的氣象數(shù)據(jù)精準度與荊州氣象試驗站一致，因此二者測定所得數(shù)據(jù)具有同質(zhì)性。

1.4 考察項目與受害判定標準

記錄不同品種的始穗期、開花時間（開始、盛期、結束）等。各品種抽穗20 d以后，于每小區(qū)中央隨機選取3叢稻穗樣品帶回實驗室。分穗計數(shù)空粒和實粒數(shù)，計算結實率。結實率（%）=實粒數(shù)/總粒數(shù)×100%。以結實率＜75%作為水稻受害指標。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和繪圖。用SAS 9.2軟件進行統(tǒng)計分析，用Duncun新復極差法進行處理間差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 熱害發(fā)生

由圖1可以看出，2017年發(fā)生熱害時段主要集中在7月18—28日和8月3—7日。7月18—28日，日平均氣溫31.9℃、日最高氣溫36.9℃，8月3—7日日平均氣溫31.5℃、日最高氣溫37.1℃。

2.2 不同品種始穗期、開花時間和結實率比較

由表1可以看出，N22始穗期早于IR64，N22開始開花和結束時間均晚于IR64。由此可見，這2個品種均在抽穗前經(jīng)歷了8月3—7日期間的熱害天氣。這2個品種每天開花和閉花時間大致相同，IR64比N22稍早開始且稍早結束。這2個品種開花期間均經(jīng)歷了較高的高溫時段，結果N22結實率顯著高于IR64。

2.3 不同品種冠層間溫度差異

由圖2中可以看出，熱害發(fā)生時，N22冠層內(nèi)最高溫度（32.7℃）與IR64冠層最高溫度（32.9℃）出現(xiàn)在12∶00—13∶00，N22 冠層內(nèi)最低溫度（26.0℃）出現(xiàn)在 1∶00，IR64冠層內(nèi)最低溫度（25.7℃）出現(xiàn)在23∶00。對照點最高溫（34.6℃）出現(xiàn)在 14∶00—15∶00，最低溫度（26.3℃）出現(xiàn)在4∶00。2個品種都出現(xiàn)了短期內(nèi)冠層內(nèi)的溫度高于對照點的情況，且都出現(xiàn)在8∶00—9∶00這個時間段。

2.4 不同水稻品種冠層間濕度差異

由圖3可以看出，熱害發(fā)生時，N22冠層內(nèi)相對濕度最大值（98.0%）出現(xiàn)在 4∶00—6∶00，最低相對濕度（82.0%）出現(xiàn)在 13∶00；IR64的最大值（98.3%）出現(xiàn)在2∶00—3∶00，最小值（87.0%）出現(xiàn)在 12∶00。而對照點最高相對濕度（99.0%）出現(xiàn)在5∶00，最低相對濕度（58.0%）出現(xiàn)在 15∶00。

2.5 不同品種開花期受害當天的平均溫濕度對比

圖2 2017年水稻冠層內(nèi)和對照點溫度比較

圖3 2017年水稻冠層內(nèi)和對照點濕度比較

表2不同水稻開花期遭遇高溫當天不同時段的平均溫度與平均濕度

由表2可以看出，開花期間N22白天比夜間平均溫度高出4.0℃，平均相對濕度低11.7個百分點；相較于對照點，白天冠層內(nèi)平均溫度低1.6℃，平均相對濕度高12.4個百分點，晚上冠層平均相對濕度與對照點差異較小，僅相差1.8個百分點，冠層平均溫度低于對照點0.6℃。IR64白天比夜間平均溫度高出4.2℃，平均相對濕度低8.4個百分點，相較于對照點，白天冠層內(nèi)平均溫度低1.6℃，平均相對濕度高16.2個百分點，晚上冠層平均相對濕度與對照點差異較小，僅相差2.3個百分點，冠層平均溫度比對照點低0.8℃。

3 討論與小結

光照、溫度、大氣濕度等外界環(huán)境因子是影響植株溫度變化的重要原因。水稻冠層的溫度高低能夠合理地反映出土壤水分變化、作物水分虧缺和受熱害脅迫程度[20-22]。姚儀敏等[16]研究表明，熱害期間冠層內(nèi)部平均溫度比對照點低2.1℃。但在本研究結果中，熱害期間冠層內(nèi)部平均溫度僅比對照點低1.6℃，其存在差異的原因可能與參試品種不同有關，耐熱水稻品種的冠層蒸騰冷卻能力強，熱害發(fā)生時，能夠迅速通過冠層蒸騰作用降溫，因此冠層內(nèi)與大氣溫度差值較大，對于某些耐熱性較差的品種，冠層蒸騰能力較弱，降溫能力有限，因此二者差值小。

目前眾多在人工氣候室進行的水稻高溫試驗中，在分析水稻熱害時，多數(shù)僅考慮了溫度單個因素，而諸如空氣濕度、風速和土壤水分等易被忽視，因此，其結論在應用于大田時，往往出現(xiàn)較大差異，這并不是其試驗存在問題，而是在田間條件下，高溫脅迫對水稻的影響受綜合因素影響大，如濕度，風速和土壤水分等[24-27]。TIAN等[6]對江漢平原水稻熱害發(fā)生氣象條件進行了總結，熱害發(fā)生時，稻田相對濕度會在常溫天氣基礎上下降15%～20%。但在本研究結果中，熱害發(fā)生時，大氣相對濕度有所下降，但冠層內(nèi)相對濕度會上升，平均高達92.1%，這是過去沒有揭示的重要結果。另外，本研究中還出現(xiàn)較為異常的現(xiàn)象，如高溫發(fā)生時白天和夜間某些時段水稻冠層內(nèi)部溫度會異常升高，甚至高于對照點溫度。造成這種現(xiàn)象的原因可能主要與植株冠層高度和風速有關，水稻冠層較矮會影響群體通風性，熱害發(fā)生當時，由于風速過小不能將植株通過蒸騰散發(fā)的熱量帶走，導致內(nèi)部大量熱量聚集。

通過總結現(xiàn)有模型預測研究發(fā)現(xiàn)，同一模型預測的結果依然存在較大差異，且預測的結果與實際受害損失之間的差異也比較大。基于本研究結果，對造成這種差異的原因進行總結，主要包括3點：第一，利用模型預測時，很多研究者僅考慮了溫度，而忽視了其他氣象因素（相對濕度、二氧化碳濃度、風速等）。本研究已證實，水稻受熱害脅迫時，冠層溫度與相對濕度均會產(chǎn)生變化。第二，用于擬合模型的參數(shù)主要來自于氣象站或田邊微型氣象站，而這種宏觀的氣象條件與稻田熱害發(fā)生時水稻冠層的微氣象存在很大差異，一定程度也會影響模型預測結果的準確性。第三，用于擬合熱害模型的溫度時間段界限不明顯，本研究證實，熱害發(fā)生時，白天和夜間水稻冠層處與對照點的溫濕度均會產(chǎn)生變化。因此，在具體模擬時，不能簡單使用日平均氣溫，這二者應有所區(qū)分。此外，我國氣象部門已有長時間水稻熱害或高溫發(fā)生階段的標準氣象數(shù)據(jù)的記錄，如果我們得到一定程度的典型熱害下或高溫下水稻冠層微氣象數(shù)據(jù)后，有望找出二者的密切關系，在有關模型中“直接”使用標準氣象數(shù)據(jù)替代冠層微氣象數(shù)據(jù)。

本研究的相關結果對未來利用模型模擬水稻熱害具有重要的導向意義。高溫發(fā)生時，水稻白天與夜間所處的氣象條件具有較大差異，本研究通過比較水稻冠層處數(shù)據(jù)和參比數(shù)據(jù)差異認為，未來在進行高溫模擬分析時，應主要以冠層處的氣象條件為參考標準，對提高模型精確性、設定水稻熱害鑒定條件、模擬水稻熱害受害過程均有一定意義。