四川盆地东南部再生稻开花期受低温冷害的风险预测

徐富贤 袁驰 王学春 韩冬 廖爽 张志勇 陈琨 曾世清 孔晓谦 曾正明 张林 杨波 蒋鹏 周兴兵*

（1 四川省农业科学院水稻高粱研究所/农业农村部西南水稻生物学与遗传育种重点实验室/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 德阳 618000；2 内江市农业科学院，四川 内江 641000；3 西南科技大学，四川 绵阳 621010；4 宜宾市农业科学院，四川 宜宾 644000；5 绵阳市农业科学研究院，四川 绵阳 621023；6 四川省农业科学院生物技术核技术研究所，成都 610066；7 四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都 610066；8 四川省富顺县农业局，四川 富顺 643200；第一作者：xu6501@163.com；*通讯作者：zhouxingbing520@126.com）

在全球气候变化不断加剧背景下，水稻生产正面临越来越严重的极端低温冷害[1-3]。水稻生育前期冷害的发生会使抽穗开花时间延迟[4]，开花期受低温伤害会导致水稻结实率、千粒重降低而显著减产[5]。因此，前人在耐冷品种的QTL 定位[6-8]及其保护性膜的结构与功能[9]，开花期低温下颖花、花药、花粉、细胞壁的生理反应[9-11]、叶片气孔导度等生理活性下降对光合速率的影响[12-13]，以及水稻开花期耐冷性品种的鉴定方法[14]、安全播种期[15-16]、肥水管理[17-18]等缓解低温伤害技术开展了大量研究。由于低温冷害的发生具有明显的区域和时期分布特征，生产上实施水稻低温缓解技术后开花期未出现冷害胁迫天气的情况时有发生。为此，研究人员对东北、四川、江西、长江中下游地区水稻开花期低温冷害天气发生的时空分布规律进行了大量研究[19-26]，为指导大面积生产避（缓）水稻开花期低温冷害起到了重要作用。

但以上研究主要针对单季稻和双季晚稻，对再生稻的研究未见报道，而且研究形成的大尺度下低温冷害天气发生的时空分布规律，多是基于各气象台站的气象资料建模预测，不能解决小区域生态环境的多样性（无气象资料）问题。本文基以获取方便的地理位置（经度、纬度和海拔）信息，建立相应的四川盆地东南部再生稻开花期预测模型，进一步开展受低温冷害的风险预测，以期为实地制定再生稻开花期避（缓）低温冷害技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 栽培管理

试验采用统一方案，于2018、2019年在四川盆地东南部多个生态点的冬水田进行，各试验点的地理位置见表1。头季中稻于3月5日至15日播种（当地最佳高产播种期），4月上中旬移栽，插秧规格30 cm×20 cm，每丛2 株。本田施用“一道清”专用肥375 kg/hm2作底肥，头季稻留桩高度35 cm，试验外的栽培管理同大面积生产。

表1 试验点的地理位置

1.2 试验设计

1.2.1 建模试验（试验1）

试验在7 个生态点进行，2018年、2019年均以杂交中籼迟熟新品种蓉18 优1015、内6 优107 为材料。因粒肥施用量对再生稻抽穗期有较大影响，特设置不同粒芽肥施氮量处理：0、60、120、180 kg/hm2，以不施肥为对照（CK），每个处理3 次重复，小区面积13.34 m2，裂区设计，以品种为主区、粒芽肥施氮量为副区。小区间走道宽35 cm，区组间走道宽45 cm，各施氮量区组四周用田间肥料试验专用塑料板隔离或用地膜包覆田埂。

1.2.2 验证试验（试验2）

试验分别在6 个生态点进行，2018年参试品种为内5 优907、花优357、内6 优138、宜香优4245、创两优华占、万优956、千乡优418、隆两优1813、甜香优698 和蓉18 优609；2019年参试品种为蓉7 优523、双优573、晶两优1199、泸优0627、隆两优1177、宜香优3159、Y 两优143、雅7 优2117、简两优534 和N 两优091。以上品种均为当地大面积推广的中籼迟熟品种，全生育期146～158 d。小区面积13.34 m2，3 次重复，小区按随机区组排列。于头季稻齐穗期施粒芽肥（尿素150 kg/hm2）。

1.3 考查项目

按常规方法每小区调查20 丛再生稻抽穗情况，当抽穗数达总有效茎数的80%确定为齐穗期，成熟期每个小区取样10 丛在室内考查结实率。

2 结果与分析

2.1 模型建立

从表2可见，2018年、2019年同一个试验地点各小区间再生稻齐穗期分别相差3～7 d 和5～7 d；不同地点间平均齐穗期2018年、2019年分别相差29 d 和31 d，在7 个试验点中均是富顺互助最早，分别为8月27日和9月12日，荣县长山最迟，分别为9月25日和10月13日。其中，2018年为正常年景，2019年为低温年景，以致2019年齐穗期比2018年平均推迟14.7 d，但两年结果的趋势基本一致。

表2 不同地理位置下再生稻5 个粒芽肥施肥量的齐穗期及其齐穗后第5日日序

开花期是水稻结实率受低温伤害的敏感期，籼稻开花期低于22 ℃不能正常结实[27-28]，而再生稻齐穗至全部抽完需要5 d 左右，因此齐穗后第5日以后发生的低温对结实率影响极小。为探索各试验地点齐穗期后第5日日序与地理位置间的定量关系，进而明确不同地理位置再生稻开花期的低温对籽粒结实率的影响机率，以反映地理位置的经度（x1）、纬度（x2）和海拔（x3）为自变量，各点齐穗后第5日日序（1月1日为1，2月1日为32，…，8月30日为243，以此类推）平均值为因变量，进行相关分析，结果表明，再生稻齐穗后第5日日序与经度呈显著负相关，与海拔高度呈极显著正相关，与纬度相关不显著（可能与7 个试验点间纬度差异较小有关）（表3）。因此，进一步建立了基于经度（x1）和海拔（x3）预测再生稻齐穗后第5日日序的回归模型（表4），该模型经检验F 值为22.88**～65.11**，达极显著水平，决定系数高达0.9196～0.9702，利用试验测定数据与预测值之间的均方根差（RMSE）对模型进行检验[29]，2018年、2019年RMSE 分别为0.973%和0.605%，表明其预测精度较高。理论而言，根据不同地点的经度和海拔高度变异值，利用该模型预测再生稻种植所在区域的抽穗期是可行的。

表3 再生稻齐穗后第5日日序与地理位置的相关系数

2.2 模型验证

为了验证再生稻齐穗期与地理位置关系模型的准确性，分别将2018年、2019年各不相同的10 个杂交中稻品种在6 个生态点种植，实测齐穗后第5日日序（表5），与按表4模型基于6 个试验点的地理位置（表1）预测的平均值进行比较。由表6可见，2018年平均齐穗后第5日日序，实测值比预测值推迟1.22 d，相对值1.005；2019年因水稻生长中前期低温导致生育期明显延迟14.7 d，平均齐穗后第5日日序实测值比预测值提早1.38 d，相对值0.995。

表4 再生稻齐穗后第5日日序（y）与地理位置(x)的回归分析

表5 不同地理位置下多个品种再生稻的齐穗期及其齐穗后第5日日序

表6 6 个生态点多品种再生稻齐穗后第5日日序的实测值与预测值比较

再从实测值与预测值1∶1 回归模型可见，其预测值与实测值关系的决定系数高达0.8391～0.8638，实测值与预测值之间的均方根差（RMSE）表示回归模型的预测精度[29]，该值为0.93%～1.21%（表7），表明预测值与实测值之间具有较好的一致性。因此，在误差允许范围内，利用经度和海拔变异值能对再生稻品种在不同区域种植齐穗期作出预测。

表7 再生稻齐穗后第5日日序的实测值(x)与预测值(y)的关系及预测精度

2.3 模型应用

为了探索不同再生稻种植区域开花期受低温危害的机率，首先应用陈超等[30]建立的基于地理位置（经度x1、纬度:x2、海拔:x3）预测≤22 ℃最早发生期保证率95%的预测模型（y=3.914x1-1.283x2-0.044x3+281.367），预测出各区域再生稻开花期受低温伤害的最早发生期；再利用本研究建立的再生稻齐穗期与地理位置关系模型（表4），预测再生稻多个品种齐穗期，并进行低温冷害的最早发生期与齐穗期对比，则可明确其受低温冷害的可能程度。

从表8可见，2018年、2019年泸县得胜点的再生稻齐穗后第5日预测值最早，分别比≤22℃最早发生期预测值提早9 d 和推迟5 d，其结实率最高，分别为78.55%、70.10%；荣县长山点的再生稻齐穗后第5日预测值最迟，分别比≤22 ℃最早发生期预测值推后25 d和31 d，其结实率受低温影响严重，分别仅为33.44%和22.21%。2018年、2019年齐穗后第5日预测值与≤22 ℃最早发生期预测值的差值分别与结实率呈极显著负相关，r 分别为-0.9685**和-0.9743**，表明齐穗后第5日预测值比≤22 ℃最早发生期预测值（简称5S 比22P，后同）提早越多，再生稻开花期受低温影响越小。2018年结实率在70.00%～78.55%的6 个试验点，5S 比22P 提早9 d 至推后4 d；2019年结实率70.00%以上的仅有泸县得胜点，5S 比22P 推后5 d，其余6 个点结实率为22.21%～65.56%，5S 比22P 推后10～31 d。表明本模型预测结果与最终再生稻结实率实际情况相符。

表8 基于地理位置的再生稻受低温胁迫程度预测

综合两年试验结果，5S 比22P 最多推后5 d，即齐穗期与≤22 ℃最早发生期预测值相近或提早，方可保证再生稻结实率在70.00%以上。7 个试验点中，正常年景（2018年）除荣县长山外的6 个点均可正常收获再生稻，而低温年景（2019年）仅有泸县得胜、富顺互助、泸县福集3 个点可获得较好的再生稻产量，而隆昌云顶、南溪大观、泸县大田3 个点为再生稻次适宜区，荣县长山则确定为再生稻不适宜区。

3 讨论与结论

3.1 我国水稻开花期低温冷害的风险评估

有关水稻开花期受自然低温冷害的风险评估国内已有较多研究。陈德等[19]建立了东北无障碍型冷害终日模型（NSCI），应用NSCI 模型推算的前后30 d 及实际抽穗期前后30 d 低温冷害发生次数和强度的对比分析安排水稻生产，可以有效减轻水稻孕穗至灌浆结实期低温冷害的影响。胡春丽等[20]指出，东北大部水稻障碍型低温冷害事件区域性分布较明显，表现为吉林大部在水稻孕穗期、辽宁局部在抽穗期低温冷害呈增加趋势。李雨鸿等[21]认为，辽宁水稻低温冷害综合危险性指数为0.33～0.91，高危险区主要分布在辽宁东北部及营口大石桥稻区，低危险区主要分布在辽宁中部稻区。张利平等[22]预估了2021—2050 未来30年低温发生趋势，与近30年比较，四川盆地北部山地水稻安全齐穗期平均提前5～6 d；海拔500 m 以下、500～700 m、700～900 m、900～1200 m 分别为无风险区、低风险区、中风险区和高风险区，1200 m 以上为不适宜区。刘文英等[23]研究显示，江西省“寒露风”约十年九遇，赣中的发生频率要高于赣北和赣南，“寒露风”有提前出现的趋势，“寒露风”日数每增加1 d，空壳率增加0.4%～3.0%。徐莎莎等[24]建模推算了长江中下游一季稻安全齐穗期平均比传统安全齐穗期早14 d，并从温度、空壳率2 个方面约束水稻安全齐穗期，比仅从温度角度确定的安全齐穗期更有利于降低抽穗开花期遭遇障碍型冷害的风险。彭莉莉等[25]综合“寒露风”安全齐穗期80%的保证率和逐日频率分析，指出湘北、湘中双季晚稻齐穗期可在原定日期基础上适当后延3～5 d。张祖建等[25]分析了江苏4 个代表性地点粳稻前、后25年两类粳稻保证率分别为50%、80%和90%的安全齐穗日期，发现后25年各地的安全齐穗日期较前25年普遍延迟3～4 d。这些研究为指导当地因地制宜进行不同生育期品种类型布局和适时播种提供了科学依据。

而在生产实际中各地生态条件十分复杂，尤其是丘陵与山地稻区，同一个镇不同村的海拔差异都较大，以致水稻生育期有明显不同。因此，按上述研究通过多年多点气象资料分析的预测模型只能反映大区域的一个趋势，具体到某一个特定地点则准确性不高。因此，陈超等[30]基于纬度、经度和海拔高度，建立了西南地区水稻开花期≤22 ℃的保证率95%起始期预测模型，可精确预测到某一块田，但未与开花期结合而不能预测水稻开花期。本研究则进一步在常温和偏冷两种年景下，建立了四川盆地东南部再生稻开花期与地理位置（经度、纬度和海拔）的关系模型，利用该模型可预测具体到某一块田再生稻的开花期，进而判断受低温冷害的风险程度，为当地用户制定再生稻或双季晚稻避灾减损栽培措施提供了科学依据，并具有较强的生产实用性。

3.2 四川盆地再生稻开花期避（耐）低温冷害的关键措施

四川盆地东南部利用杂交中稻可发展再生稻面积40 万hm2左右，由于目前杂交中稻品种生育期有所延长，再生稻开花期受≤22 ℃低温伤害的风险加大。因此，如何将开花期提早到低温发生之前，是避低温冷害的重要途径之一。前人虽然从宏观上开展了不同区域水稻开花期发生低温冷害的风险评估[18-25]，但没有考虑到各小区域温光条件差异对开花期影响，仍不能实现因地准确预测。因此，利用本研究建立的再生稻开花期与地理位置（经度、纬度和海拔）的关系模型，结合陈超等[30]建立的开花期≤22 ℃起始期预测模型，再根据预测低温发生期与预测再生稻开花期的差异，确定品种布局与播期调节使开花期错开低温发生期。据此，对四川盆地再生稻开花期避低温冷害提出以下措施，供大面积生产参考。

根据本研究结果，按建立的再生稻齐穗期第5日日序预测模型的预测值与≤22 ℃最早发生期日序预测值提早或推迟5 d 以内，方可保证再生稻结实率在70%以上，多为9月5日以前齐穗[27]、海拔380 m 以下地区[31]。这些区域可定性为再生稻适宜区，在品种选择上不需选开花期耐低温品种，但为应对特殊年份低温发生期推迟的情况，应作好抽穗期叶面喷施0.3%磷酸二氢钾[17]和灌深水[18]的物质准备。反之，预测的齐穗后第5日日序比预测的≤22 ℃最早发生期日序推迟6～10 d 以内的区域，定性为再生稻次适宜区[28]，要选择生育期比迟熟杂交中稻短7 d 以上、且开花期耐低温的中熟品种[14]，采用可提早齐穗期3～5 d 的旱地育秧方式[32]，可促进再生稻安全抽穗开花。