基于水稻障碍型冷害推算水稻安全齐穗期

刘逸群 刘存

[摘 要] 本文以长江中下游地区为研究对象，假设水稻空壳率仅受低温灾害影响，则空壳率成为确定安全齐穗期的重要因子，基于此建立水稻障碍型冷害损失及预测动态模型，推算水稻的安全齐穗期。考虑不同水稻品种的低温耐寒性差异，设置四类水稻模拟组合，分别为耐寒性最弱的籼稻、耐寒性较弱的粳稻、耐寒性较强的粳稻、耐寒性强的粳稻。研究结果可得四类水稻安全齐穗期主要呈现随纬度提前的变化态势，四类不同耐寒性水稻安全齐穗期的空间差异不明显。但是，在推算安全齐穗期上，本研究假设水稻空壳率的增加只因为低温冷害的作用，因此，利用水稻障碍型冷害损失及预测动态模型反推空壳率等于生理空壳率（5%）时的水稻出穗期，并以此日期作为安全齐穗期确立的依据。

[关键词] 水稻;安全齐穗期;空壳率;长江中下游

[中图分类号] S435.11 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2020）23-96-3

1 研究背景

水稻是僅次于小麦的世界第二大粮食作物，世界上有50%以上的人口以稻米为主食。水稻是我国重要的粮食作物之一，在国民经济中占有非常重要的地位，单位面积产量和总产量均居我国粮食作物的前列，水稻种植面积占粮食作物总面积的30%，总产量则占粮食作物总产量的40%。水稻生产直接关系着我国经济社会的稳定和人们的生活水平，水稻生产是农业工作的重中之重。而洪涝、干旱、低温冷害是影响水稻生产的主要气象灾害，环境温度过低会导致障碍型冷害的发生，及时准确地监测水稻冷害及预报冷害造成水稻减产数量，对于水稻生产全预警及农业可持续发展具有非常重要的意义。

国内外许多学者主要专注于研究水稻障碍型冷害生理变化[1，2]，如日本学者基本确定冷害导致水稻雄蕊花粉不充实，导致颖花不育。王连敏等认为减数分裂期的15 ℃低温处理可使水稻不育率提高50%～80%，低温造成的花粉不育和花粉粒发育畸形与淀粉粒积累较少有关[3]。孟昭河等认为开花期遇到低温，花粉发芽能力丧失，会产生不实粒;在水稻幼穗形成期，遭受低温冷害多发生颖花畸形，颖花不能形成正常的籽粒，产生不实粒[4]。Pessarakli认为低温可使花药绒毡层细胞膨大，影响药壁向花粉的营养供给，进而影响花药开裂，使其开裂不良或无法开裂，最终导致颖花不育[5]。

2 材料与方法

2.1 长江中下游水稻安全齐穗期

由于长江中下游一季稻生长季内气候条件存在地域差异，因此，确定研究区一季稻安全齐穗期成为合理安排水稻播栽期的重要依据。当前，水稻安全齐穗期是根据水稻减数分蘖期和抽穗开花期的低温指标来确定的，通常指水稻必须在秋季某个期限以前齐穗或齐花，有80%以上的年份可以避开低温影响的日期。

2.1.1 资料来源。气象资料为对应台站的气象常规观测资料，从中国气象科学数据共享服务网获取。水稻资料来源从中国气象局资料中心取得研究区域1981—2010年各个农业气象站的水稻田间试验资料，包括水稻品种、生育期、产量和田间管理等。

2.1.2 安全齐穗期的温度指标。耐寒性最弱的籼稻安全齐穗期指标为日平均气温稳定在22 ℃以上，不连续出现3 d平均气温低于22 ℃的天气。根据南京市气象资料分析，其80%保证率的安全齐穗期为9月10日。耐寒性较弱的粳稻安全齐穗指标为日平均气温稳定在20 ℃以上，不连续出现3 d平均气温低于20 ℃的天气。

2.2 水稻障碍型冷害损失及预测动态模型

水稻进入生殖生长低温敏感期后，遇低温天气而使生殖生长过程受阻，雌性不育产生空壳，这是障碍型冷害形成的主要机制，也是建立障碍型冷害损失及预测动态模型的理论依据。因每日温度条件和水稻群体进入敏感期数量比例均不同，因而每天低温对水稻减产的影响程度有很大差别，不能用某一时段的平均值来代替。

2.2.1 安全齐穗期的推算。水稻障碍型冷害损失评估及预测动态模型能模拟水稻生殖生长敏感期低温冷害造成的水稻空壳率。为了推算安全齐穗期，本研究假设水稻空壳率仅受低温灾害影响，则空壳率成为确定安全齐穗期的重要因子。另外，考虑到研究区气候特征的空间差异，安全齐穗期的推算需要结合各地一季稻生长季的气候特征来实现。

考虑到水稻品种对低温耐寒性的差异，对模型中的临界温度T0、敏感期长度n和敏感高峰期系数d进行调整，形成四类水稻的模拟参数组合，如表1所示。对于耐寒性强的粳稻，T0设定为本研究修订的指标阈值。敏感期长度越长，则表明水稻生殖生长阶段对低温越敏感。d则用于反映敏感高峰期偏前的程度，该值越小表示相同低温环境下敏感阶段前期受低温影响越大。

2.2.2 安全齐穗期指标的修订。首先利用现有指标计算1981—2014年研究区各站逐年安全齐穗期，然后计算80%保证率下的安全齐穗期，将该结果与模型推算的各站80%保证率下的安全齐穗期进行比较，为了减少两者的差异，对现有指标中的温度阈值、连续天数进行调整，再利用调整后的指标重新计算所有站80%保证率下的安全齐穗期，直至与模型推算的80%保证率下的安全齐穗期误差最小。记录此时的温度阈值和连续天数，并以此对现有指标进行修订。

3 结果与分析

利用上述四类不同低温耐寒性水稻的安全齐穗期指标，计算了1981—2014年研究区所有气象站逐年安全齐穗期和80%保证率下的安全齐穗期。四类水稻安全齐穗期主要呈现随纬度提前的变化态势，空间上差异最大在60 d左右。其中，在江苏中北部、鄱阳湖区域、湖南中东部及湖北西部明显提前，这与局地气候有密切关系，这些地区的安全齐穗期大多早于270 d。

就耐寒性最弱的籼稻来看，整个研究区安全齐穗期在225～260 d，平均为242 d。其中，最早进入安全齐穗期的主要在湖北省西部山区。对于耐寒性较弱的粳稻，安全齐穗期在231～264 d，平均为253 d。耐寒性较强的粳稻进入安全齐穗期的时间与耐寒性较弱的粳稻大体相似，差异在2 d左右。对于耐寒性强的粳稻，安全齐穗期在234～276 d，平均为263 d。

图1顯示了由模型推算的部分站点耐寒性较弱粳稻的安全齐穗期的年变化。4个站点推算的水稻安全齐穗期只有兴化站点表现出随年份增加而逐渐推迟的趋势。据推算，兴化水稻安全齐穗期平均每10 a推后约1.8 d，而寿县为平均每10 a提前0.2 d，几乎保持不变，荆州为平均每10 a提前3.2 d，湖州为平均每10 a提前3.1 d。年之间的波动较大，如安徽寿县的变化波动平均达到10 d，表明安全齐穗期随各年的热量条件差异变化明显。

由模型推算出的结果与现有指标计算的安全齐穗期有一定的差异，如图2所示。尽管安全齐穗期的空间变化大体一致，且相关性较好，但安全齐穗期之间差别-36～8 d。图3显示了各站模型推算的安全齐穗期与现有指标推算的安全齐穗期的差异，其中误差最小的为耐寒性强粳稻的安全齐穗期，平均误差在7 d，模型推算的较现有指标计算的结果提取约7 d。误差最大的为耐寒性最弱籼稻，模型推算的较现有指标计算的结果提前较多，平均误差达到23 d。这表明模型推算的安全齐穗期普遍早于现有指标结果。据分析，现有指标是根据水稻抽穗开花的温度要求约束安全齐穗期的，而模型是从温度和空壳率2个方面共同约束安全齐穗期，因此，在安全齐穗期的确定上，模型推算的结果更能保障水稻安全出穗和安全生产。

4 讨论

模型推算的安全齐穗期更贴近水稻生产实际，并从温度和空壳率两方面约束水稻安全齐穗期较现有指标仅从温度上约束水稻安全齐穗期更可靠。因为现有安全齐穗期指标是以常年的特定的气候保证率（一般为80%）条件下日平均气温降至20、22 ℃的稳定出现的终日为温度条件指标分别确定不同地区粳稻与籼稻的安全齐穗期。但生产实践上常常出现一些生育期偏长的水稻品种因生育期内有效积温不足造成不安全成熟而减产的情况，因此水稻安全抽穗期的确定除依据水稻抽穗开花的温度及生理指标外，还应兼顾不同类型水稻品种生育期对温光条件反应的敏感程度，才能有效确保不同类型水稻品种获得安全的生育成熟。

参考文献

[1]宋广树，孙忠富，孙蕾，等.东北中部地区水稻不同生育时期低温处理下生理变化及耐冷性比较[J].生态学报，2011（13）：3788-3795.

[2]Tokita H，Sasaki J，Itou O. Relation between sterility due to cool-summer damage and standing crop of rice [Oryza sativa] plant in 1993 [Japan][J].Tohoku Journal of Crop ence，1995（38）：13-14.

[3]王连敏，于智深.水稻障碍型冷害机理的研究：Ⅰ花粉不育原因初探[J].黑龙江农业科学，1989（1）：23-27.

[4]孟昭河，王玉菊，孙中胜，等.水稻障碍型冷害机理的研究[J].中国农学通报，2005（6）：197-201.

[5]Pessarakli M. Handbbook of Plantand Crop Stress[M].2nded. NewYork：Marcel Dekker Press，1999.