高温条件下水稻耐感品种冠层微气象特征差异

刘业涛 刘科 王毅 高园 田小海

（长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北荆州434025；第一作者：2447507095＠qq.com；*通讯作者：xiaohait＠sina.com）

水稻是我国主要的粮食作物之一。随着全球生态环境的变化，极端高温热害天气发生更为频繁，水稻高温热害已成为我国水稻主产区的主要农业气象灾害之一[1-4]。自20世纪70年代以来，国内外许多学者对水稻高温热害的危害机理和气象指标进行了大量研究。一般认为，水稻对高温敏感的时期是抽穗扬花期，此时遭遇连续3～5 d，平均温度≥30℃或日最高温度≥35℃的高温天气，就会造成花器官发育障碍、结实率严重下降、水稻产量和品质严重受损[5-10]。这些参数为如今热害研究模型的设定和热害评估提供了强有力的理论基础[11-13]。但是，田间发生热害时，涉及到综合气候条件，单一的温度变量不能囊括所有影响因素。TIAN等[6]研究结果表明，高温危害发生时，相对湿度是干扰实际温度的重要因子。MATSUI等[14-15]研究结果显示，水稻开花期经历37.5℃的高温，小穗不育率随着空气湿度的提升而降低。因此，我们在研究高温危害时，应该考虑到除温度外，如空气湿度、风速和土壤水分等其他因素。

目前，多数水稻高温研究中的气象指标来源于气象观测站在空旷旱地距地面约1.5 m处测得的数据，而高温热害发生时，水稻的冠层部位受害最为严重，上述气象站测定的气象条件能否反映实际受害的冠层部位的气象条件有待探讨，且热害发生时冠层处的气象条件如何变化也不太清楚。姚仪敏等[16]使用MINCER（Micrometeorological Instrument for the Near-Canopy Environment of Rice）测量水稻花期热害下的冠层微气象特征，结果显示，热害期间冠层内部平均温度比对照点低2.05℃，但其研究中供试品种仅为1个，且耐热程度尚不清楚，能否真正反映冠层处的微气象的变化特征还有待进一步研究。近些年来，作物冠层温度愈来愈受到重视[17-19]，但对于相关感/耐品种在热害下的微气象及其日周期内的动态变化还不十分清楚。基于此，本研究利用MINCER对不同耐热型水稻冠层处的微气象进行实时监测，以期获得江汉平原水稻发生热害时的田间微气象参数，为本地区建立热害评估模型奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

图1 2017年湖北荆州试验地点水稻开花灌浆期间日平均气温和日最高气温

表1不同水稻的始穗期、开花时间和结实率

供试材料为IR64（感热品种）和N22（耐热品种）。试验于2017在长江大学农学院试验农场进行，土壤耕层有机质含量18.5 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，速效磷33.25 mg/kg，速效钾105.11 mg/kg。供试材料于5月5日播种，田间布局采用随机区组设计，3次重复。小区面积为10 m×8 m，株行距为20.0 cm×16.7 cm。大田施氮量 180 kg/hm2，氮肥为尿素，基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶2∶4。其中，基肥在移栽前1 d施用，分蘖肥于移栽后7 d施用，穗肥于幼穗分化Ⅳ期施用。氮磷钾肥用量之比为2∶1∶2（分别以 N、P2O5、K2O 计）；磷肥为过磷酸钙，作基肥一次性施用；钾肥为氯化钾，50%作基肥、50%作穗肥。

1.2MINCER观测

稻株开花稍前将MINCER放入观测区。每小区内放置1个MINCER于冠层内部，依据稻株的生长情况对进气口的高度进行调整，使其与穗的平均高度处于同一水平位置。

1.3 试验点附近标准化气象观测

标准化气象观测来自国家一级农业生态试验站湖北省荆州市农业气象试验站（距大田试地约500 m）记录的数据，以下简称“对照点数据”。试验前将MINCER搬至该试验站观测场进行了对比测定，确定该仪器测量的气象数据精准度与荆州气象试验站一致，因此二者测定所得数据具有同质性。

1.4 考察项目与受害判定标准

记录不同品种的始穗期、开花时间（开始、盛期、结束）等。各品种抽穗20 d以后，于每小区中央随机选取3丛稻穗样品带回实验室。分穗计数空粒和实粒数，计算结实率。结实率（%）=实粒数/总粒数×100%。以结实率＜75%作为水稻受害指标。

1.5 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2016进行数据整理和绘图。用SAS 9.2软件进行统计分析，用Duncun新复极差法进行处理间差异性检验。

2 结果与分析

2.1 热害发生

由图1可以看出，2017年发生热害时段主要集中在7月18—28日和8月3—7日。7月18—28日，日平均气温31.9℃、日最高气温36.9℃，8月3—7日日平均气温31.5℃、日最高气温37.1℃。

2.2 不同品种始穗期、开花时间和结实率比较

由表1可以看出，N22始穗期早于IR64，N22开始开花和结束时间均晚于IR64。由此可见，这2个品种均在抽穗前经历了8月3—7日期间的热害天气。这2个品种每天开花和闭花时间大致相同，IR64比N22稍早开始且稍早结束。这2个品种开花期间均经历了较高的高温时段，结果N22结实率显著高于IR64。

2.3 不同品种冠层间温度差异

由图2中可以看出，热害发生时，N22冠层内最高温度（32.7℃）与IR64冠层最高温度（32.9℃）出现在12∶00—13∶00，N22 冠层内最低温度（26.0℃）出现在 1∶00，IR64冠层内最低温度（25.7℃）出现在23∶00。对照点最高温（34.6℃）出现在 14∶00—15∶00，最低温度（26.3℃）出现在4∶00。2个品种都出现了短期内冠层内的温度高于对照点的情况，且都出现在8∶00—9∶00这个时间段。

2.4 不同水稻品种冠层间湿度差异

由图3可以看出，热害发生时，N22冠层内相对湿度最大值（98.0%）出现在 4∶00—6∶00，最低相对湿度（82.0%）出现在 13∶00；IR64的最大值（98.3%）出现在2∶00—3∶00，最小值（87.0%）出现在 12∶00。而对照点最高相对湿度（99.0%）出现在5∶00，最低相对湿度（58.0%）出现在 15∶00。

2.5 不同品种开花期受害当天的平均温湿度对比

图2 2017年水稻冠层内和对照点温度比较

图3 2017年水稻冠层内和对照点湿度比较

表2不同水稻开花期遭遇高温当天不同时段的平均温度与平均湿度

由表2可以看出，开花期间N22白天比夜间平均温度高出4.0℃，平均相对湿度低11.7个百分点；相较于对照点，白天冠层内平均温度低1.6℃，平均相对湿度高12.4个百分点，晚上冠层平均相对湿度与对照点差异较小，仅相差1.8个百分点，冠层平均温度低于对照点0.6℃。IR64白天比夜间平均温度高出4.2℃，平均相对湿度低8.4个百分点，相较于对照点，白天冠层内平均温度低1.6℃，平均相对湿度高16.2个百分点，晚上冠层平均相对湿度与对照点差异较小，仅相差2.3个百分点，冠层平均温度比对照点低0.8℃。

3 讨论与小结

光照、温度、大气湿度等外界环境因子是影响植株温度变化的重要原因。水稻冠层的温度高低能够合理地反映出土壤水分变化、作物水分亏缺和受热害胁迫程度[20-22]。姚仪敏等[16]研究表明，热害期间冠层内部平均温度比对照点低2.1℃。但在本研究结果中，热害期间冠层内部平均温度仅比对照点低1.6℃，其存在差异的原因可能与参试品种不同有关，耐热水稻品种的冠层蒸腾冷却能力强，热害发生时，能够迅速通过冠层蒸腾作用降温，因此冠层内与大气温度差值较大，对于某些耐热性较差的品种，冠层蒸腾能力较弱，降温能力有限，因此二者差值小。

目前众多在人工气候室进行的水稻高温试验中，在分析水稻热害时，多数仅考虑了温度单个因素，而诸如空气湿度、风速和土壤水分等易被忽视，因此，其结论在应用于大田时，往往出现较大差异，这并不是其试验存在问题，而是在田间条件下，高温胁迫对水稻的影响受综合因素影响大，如湿度，风速和土壤水分等[24-27]。TIAN等[6]对江汉平原水稻热害发生气象条件进行了总结，热害发生时，稻田相对湿度会在常温天气基础上下降15%～20%。但在本研究结果中，热害发生时，大气相对湿度有所下降，但冠层内相对湿度会上升，平均高达92.1%，这是过去没有揭示的重要结果。另外，本研究中还出现较为异常的现象，如高温发生时白天和夜间某些时段水稻冠层内部温度会异常升高，甚至高于对照点温度。造成这种现象的原因可能主要与植株冠层高度和风速有关，水稻冠层较矮会影响群体通风性，热害发生当时，由于风速过小不能将植株通过蒸腾散发的热量带走，导致内部大量热量聚集。

通过总结现有模型预测研究发现，同一模型预测的结果依然存在较大差异，且预测的结果与实际受害损失之间的差异也比较大。基于本研究结果，对造成这种差异的原因进行总结，主要包括3点：第一，利用模型预测时，很多研究者仅考虑了温度，而忽视了其他气象因素（相对湿度、二氧化碳浓度、风速等）。本研究已证实，水稻受热害胁迫时，冠层温度与相对湿度均会产生变化。第二，用于拟合模型的参数主要来自于气象站或田边微型气象站，而这种宏观的气象条件与稻田热害发生时水稻冠层的微气象存在很大差异，一定程度也会影响模型预测结果的准确性。第三，用于拟合热害模型的温度时间段界限不明显，本研究证实，热害发生时，白天和夜间水稻冠层处与对照点的温湿度均会产生变化。因此，在具体模拟时，不能简单使用日平均气温，这二者应有所区分。此外，我国气象部门已有长时间水稻热害或高温发生阶段的标准气象数据的记录，如果我们得到一定程度的典型热害下或高温下水稻冠层微气象数据后，有望找出二者的密切关系，在有关模型中“直接”使用标准气象数据替代冠层微气象数据。

本研究的相关结果对未来利用模型模拟水稻热害具有重要的导向意义。高温发生时，水稻白天与夜间所处的气象条件具有较大差异，本研究通过比较水稻冠层处数据和参比数据差异认为，未来在进行高温模拟分析时，应主要以冠层处的气象条件为参考标准，对提高模型精确性、设定水稻热害鉴定条件、模拟水稻热害受害过程均有一定意义。