四川盆地東南部雜交中稻開花期高溫傷害的風險預測

徐富賢 袁馳 王學春 韓冬 廖爽 張志勇 陳琨 曾世清 謝戎 周興兵 曾正明 張林 楊波 蔣鵬

（1四川省農業科學院水稻高粱研究所/農業農村部西南水稻生物學與遺傳育種重點實驗室/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，四川 德陽618000；2四川省內江市農業科學院，四川 內江641000；3西南科技大學，四川 綿陽621010；4宜賓市農業科學院，四川 宜賓644000；5綿陽市農業科學研究院，四川 綿陽621023;6四川省農業科學院生物核技術研究所，成都610066；7四川省農業科學院土壤肥料研究所，成都610066；8四川省富順縣農技站，四川 富順643200）

四川盆地東南部現有稻田167萬hm2左右，年種一季雜交中稻（或再生稻）的利用模式占95%以上，其生育期特別是營養生長期，隨著水稻生長季節氣溫升高而縮短，產量明顯下降[1]。在全球氣候變暖背景下，水稻生長期間高溫脅迫天氣發生更加頻繁[2]。高溫脅迫導致水稻蛋白質生物合成機制損傷[3]、穎花退化率高[4-5]、花粉活力降低與花藥充實不良[6-7]、籽粒充實度和結實率差[5]而大幅度減產[8-10]。因水稻開花期受高溫脅迫機率最大、損失最重[11]，前人就水稻開花期耐高溫品種[12-14]與調節劑[15]篩選、播種期調整[1]、水肥管理[13，16-17]等緩解技術開展了較多研究。由于高溫發生具有明顯的區域性和時期分布特征，生產上出現了較多實施開花期緩解技術后又未出現極端高溫脅迫天氣情況，結果不僅比傳統高產技術有所減產，還增加了生產成本。因此，先期利用各氣象臺站的長期氣象資料，分別對江西[18]、湖北[19]、兩湖地區[20]、西南地區[21]、長江中下游地區[22]乃至全國[23]水稻開花期高溫熱害天氣發生的時空分布規律進行了大量研究，為指導大面積生產避（緩）水稻開花期高溫熱害起到了積極作用。然而，在大面積水稻生產實踐中生態環境復雜多樣，就一個縣（區）的小區域而言，有平壩、丘陵甚至山區之分，小到同一村、社的不同田塊因海拔高度差異致水稻開花期相差極大。以上研究形成的大區域高溫熱害天氣發生的時空分布規律，不能解決小區域生態環境的多樣性問題。因此，本文基于地理位置（經度、緯度和海拔）信息建立相應的四川盆地東南部雜交中稻開花期預測模型，進一步開展受極端高溫傷害的風險預測，以期為制定實地避（緩）水稻開花期高溫傷害技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 栽培管理

試驗采用統一方案，于2018年、2019年分別在四川盆地東南部多個生態點的冬水田進行，各試驗點的地理位置見表1。按當地最佳高產播種期于3月5日至15日播種，4月上中旬移栽，插秧規格29.7 cm×19.8 cm，每叢2株。本田施用底肥“一道清”專用肥375 kg/hm2，試驗外的栽培管理同大面積生產。

表1 試驗點地理位置

1.2 試驗設計

1.2.1 不同地理位置對齊穗期和結實率的影響（試驗1）

試驗在7個生態點進行，2018年、2019年均以2個大面積推廣的雜交中秈遲熟新品種蓉18優1015、內6優107為材料。裂區設計，品種為主區、穗粒肥施氮量為副區。穗粒肥施氮量設4個水平：0、60、120、180 kg/hm2，以不施肥為對照。共10個處理，每個處理3次重復，小區面積13.34 m2，小區間走道35 cm，區組間走道45 cm，各施氮量的區組四周用田間肥料試驗專用塑料板隔離或筑埂用地膜包覆。

1.2.2 齊穗期和結實率受地理位置響應的驗證（試驗2）

試驗分別在6個生態點進行，2018年、2019年分別以各不相同的10個大面積推廣的雜交中秈遲熟新品種為材料。其中2018年參試品種為內5優907、花優357、內6優138、宜香優4245、創兩優華占、萬優956、千鄉優418、隆兩優1813、甜香優698和蓉18優609；2019年參試品種為蓉7優523、雙優573、晶兩優1199、瀘優0627、隆兩優1177、宜香優3159、Y兩優143、雅7優2117、簡兩優534和N兩優091。小區面積13.34 m2，3次重復，小區按隨機區組排列。

1.3 考查項目

按常規方法每小區調查20叢抽穗情況，當抽穗數達總有效莖數的80%確定為齊穗期，成熟期每區取樣5叢在室內考查結實率。

2 結果與分析

2.1 雜交中稻齊穗期與地理位置關系模型的建立

從表2可見，同一個試驗地點各小區間齊穗期相差5～7 d，不同地點間也有明顯差異，7個地點齊穗期2018年、2019年平均最早均為富順互助，分別為6月27日、7月2日，最遲均是榮縣長山，分別為7月29日和8月5日。其中2018年為正常年景，2019年為低溫年景，以致2019年齊穗期比2018年平均推遲了5 d，但兩年表現趨勢基本一致。

表2 不同地理位置下雜交中稻5個穗粒肥施肥量齊穗期與齊穗后第5天日序

根據先期研究結果,開花期是水稻受極端高溫傷害的敏感期[11-13]，開花當時及之后3 h為敏感時點[12]，而水稻齊穗至全部抽完需要3～5 d，因此齊穗后第5 d以后發生的高溫對結實率影響不大。為了探索各試驗地點齊穗期后第5天日序與地理位置間的定量關系，進而明確不同地理位置水稻開花期的極端高溫對籽粒結實率的影響機率，以反映地理位置的經度（x1）、緯度（x2）和海拔（x3）為自變量，各點齊穗后第5天日序（1月1日為1，2月1日為32，…，6月30日為181，以此類推）平均值為因變量，進行相關分析。結果表明，雜交中稻齊穗后第5天日序與經度呈顯著負相關，與海拔呈極顯著正相關，與緯度的相關性不顯著（可能與7個試驗點間緯度差異較小有關）（表3）。因此，進一步建立了基于經度（x1）和海拔（x3）預測水稻齊穗后第5天日序的回歸模型（表4），該模型經檢驗F值13.25**～13.56**，達極顯著水平，決定系數高達0.8688～0.8715。利用試驗測定數據與預測值之間的均方根差（RMSE）對模型進行檢驗[24]，2018年、2019年RMSE分別為1.262%和1.375%，表明該預測模型的擬合度較好。從理論上講，利用該模型根據不同地點的經度和海拔高度變異值，預測雜交中稻在種植區域的抽穗期是可行的。

表3 雜交中稻齊穗后第5天日序與地理位置的相關系數

表4 雜交中稻齊穗后第5天日序（y）與地理位置(x)的回歸分析

2.2 雜交中稻齊穗期與地理位置關系模型的驗證

為了驗證雜交中稻齊穗期與地理位置關系模型的準確性，分別將2018年、2019年各不相同的10個雜交中稻品種在6個生態點種植實測的齊穗后第5天日序（表5），與按表4的模型基于6個試驗點的地理位置的預測值進行比較。由表6可見，2018年平均齊穗后第5天日序。實測值比預測值提早2.74 d，相對值0.9856；2019年因水稻生長中前期低溫導致生育期延遲5 d以上，平均齊穗后第5天日序實測值比預測值推遲1.78 d，相對值1.0091。

表5 不同地理位置下多個雜交中稻品種齊穗期及齊穗后第5天日序

再從實測值與預測值1∶1回歸模型可見，預測值與實測值的決定系數高達0.8362～0.8641，實測值與預測值之間的均方根差（RMSE）[24]表示模型的預測精度，該值為0.83%～1.18%（表7），表明預測值與實測值之間具有較好的一致性。因此，在誤差允許范圍內，利用經度和海拔變異值，能對雜交中稻品種在不同區域種植齊穗期作出預測。

2.3 雜交中稻齊穗期與地理位置關系模型的應用

為了探索不同水稻種植區域開花期受極端高溫傷害的機率，首先應用陳超等[21]建立的基于地理位置（緯度：x2、海拔：x3）預測≥35℃最早發生期預測模型（80%保證率：y=156.723+1.855x2；85%保證率：y=150.706+2.146x2；90%保證率：y=147.282+2.306x2；95%保證率：y=149.670+2.446x2-0.006x3），預測出各區域水稻開花期受極端高溫傷害的最早發生期；再利用本研究建立的齊穗期與地理位置關系模型，預測雜交中稻品種齊穗期，并進行極端高溫傷害的最早發生期與齊穗期對比，則可明確其受極端高溫傷害的可能程度。

例如，本研究相同品種在7個生態點中，榮縣長山點2019年抽穗期與極端高溫發生最早日期的重疊度較高，其結實率受到一定影響，僅為75.16%。2年中其余各點因齊穗后第5天出現日期比極端高溫最早發生預測期提早了6～34 d，完全錯開了高溫發生期，因此，其結實率高達86.84%～92.44%（表8），基本沒有受到極端高溫傷害。表明本模型預測結果與最終結實率實際情況相符。

表8 基于地理位置的雜交中稻受高溫脅迫程度預測

3 討論與結論

3.1 我國水稻開花期高溫熱害的風險評估

關于水稻開花期受自然高溫傷害的風險評估國內已有較多研究。楊炳玉等[18]以日平均氣溫、日最高氣溫和日平均相對濕度資料,探究了江西省水稻高溫熱害的發生規律，認為水稻高溫熱害集中于7月中、下旬和8月上旬，其中7月13日至24日為高溫熱害發生概率最大的時段；高溫熱害發生頻次的高值區分布于江西東北部、贛州北部、吉泰盆地和贛撫平原，并向周邊山區遞減。萬素琴等[19-20]分析了湖北省和兩湖地區早稻、中稻不同年代抽穗開花期高溫熱害的發生頻次。沙修竹等[22]根據長江中下游地區各年不同強度高溫熱害的發生頻次，研究了一季稻高溫熱害風險分布，指出高溫熱害分布面積最大省份為湖北省，災損率高值區為江蘇中西部、浙江中部、安徽東南部、湖南西南部，風險高值區為湖北中南部及東北部、安徽中西部、湖南中北部。SUN等[23]研究結果顯示，我國過去30年中稻孕穗期和花期的白天高溫時數和高溫強度指數在各亞區均顯著升高，特別是華中地區高溫事件較華東地區和西南地區更為嚴重。這些研究均從大尺度和定性角度研究了南方稻區水稻開花期高溫熱害的時空分布特點，但都難以實現具體到某一小區域受影響情況的實際生產需要。為此，陳超等[21]基于緯度、經度和海拔高度，建立了西南地區水稻開花期≥35℃起始期預測模型，可進一步預測到某一塊田。但該模型未與開花期結合。本研究則進一步探明了在常溫和偏冷年景下，四川盆地東南部雜交中稻開花期與地理位置（經度、緯度和海拔）的線性關系，利用該關系模型，可預測某一塊田雜交中稻的開花期，進而判斷受極端高溫傷害的風險程度，為種植戶制定避災減損栽培措施提供了科學依據，并具有較強的生產實用性。

3.2 四川盆地雜交中稻開花期避（耐）高溫傷害的關鍵措施

水稻開花期受35℃以上的高溫危害導致結實率顯著下降是高溫影響產量的重要原因[6，11-13]；灌漿結實期高溫僅對千粒重有一定影響，產量損失相對較小[5，10]。因此，如何將開花期提早到高溫發生之前，是避高溫傷害的重要途徑之一。先期雖然研究了不同區域水稻開花期發生高溫熱害的風險[18-20，22-23]，但沒有與不同地區水稻具體開花期結合，仍不能實現準確預測。因此，利用本研究建立的雜交中稻開花期與地理位置（經度、緯度和海拔）的關系模型，結合陳超等[21]建立的開花期≥35℃起始期預測模型，再根據預測高溫發生期與雜交中稻預測開花期的差異，確定品種布局與播期調節，使開花期避開高溫發生期。本研究結果表明，水稻實際齊穗期比預測高溫發生最早期提早10 d以上、預測齊穗后第5天日序比預測高溫發生期最早高溫發生期提早5 d以上，其開花期受高溫傷害的機率低于5%（表8）。據此，對四川盆地雜交中稻開花期避高溫傷害提出以下措施，供大面積生產參考。

在實際生產應用中，以2019年前期溫度偏低的模型（表7）更保險。由于本研究采用的是人工插秧的方式，其齊穗期比機插方式要早2～7 d[25]。因此，生產上雜交中稻手插和機插預測的齊穗后第5天日序，應分別比預測的最早高溫發生期提早5 d、10 d以上才安全。對于滿足此條件的地區，在品種選擇上不需選開花期耐高溫品種，但為應對特殊年份高溫發生期推遲的情況，應作好抽穗期噴施高溫緩解劑[15]和灌深水[16]的準備。反之，預測的齊穗后第5天日序與預測的最早高溫發生期相近的區域，要選擇生育期比遲熟雜交中稻短7 d以上且開花期耐高溫的中熟品種[12-14]，采用可提早齊穗期3～5 d的旱地育秧方式[26]，并提高開花期葉片含氮量，雖然不能緩解夜間高溫對源庫相互作用的負面影響[27]，但可以緩解開花期高溫造成的產量損失[13，17]。