冬小麦晚霜冻害冠层气象因素相关关系研究

程婉莹, 王春艳, 马娇丽

(1.贵州农业职业学院, 贵阳 551400; 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081)

霜冻害指较温暖时期因冷空气突然入侵或地表骤然辐射冷却使植株体温降至0 ℃以下,使正在生长发育的作物受到冻害导致减产、品质下降或绝收的灾害[1]。霜冻害按发生的时间分为早霜冻和晚霜冻。晚霜冻害对我国小麦生产有很大的影响,黄淮海平原地区是我国主要的冬小麦种植区,也是晚霜冻害多发区[2]。小麦晚霜冻害主要危害北方冬麦区幼穗分化进入药隔形成期和四分体时期的小麦。

目前对冬小麦晚霜冻害的研究主要有以下六个方面[3]:冬小麦晚霜冻害的影响及危害(包括产量及产量构成要素[4-5]、植物学特征[6]、生理生化反应[7])、冬小麦晚霜冻害致灾成因(包括气象环境要素[8-9]、人为因素[10]、小麦抗霜冻能力[11-13])、冬小麦晚霜冻害灾害指标(包括形态学指标[14-16]、气象学指标[17-18]、综合指数指标[19-21])、冬小麦晚霜冻害时空分布特征[2,17-18]、冬小麦晚霜冻害的监测预警[4,19,21]及冬小麦晚霜冻害防控措施[11-12,22]。

庞锡富等[23]研究得出,冬小麦晚霜冻害于药隔期形成,主要是气候因素与冠层遮挡、主茎及分蘖生长发育、高度有关。王夏[8]通过试验得出冬小麦霜冻害对低温敏感的时期是雌雄蕊末期到药隔初期。冯玉香等[24]研究得出,冬小麦叶片冻结后是否受到伤害是由最低叶温来决定的,幼穗是否受伤与最低叶温的关系相当密切。刘红杰等[12,25]通过分析气温、地温、相对湿度、风速与草面温度,发现各气象因子与草面温度呈极显著相关关系,对霜冻害的发生及轻重程度起关键作用;通过分析农田最低气温与小气候中其他气象因子的关系,分析其相关性,利用这些因子模拟晚霜冻害易发时段冬小麦冠层内最低气温估算模型。孟雷等[9]通过设置不同土壤表层湿度,探究冬小麦晚霜冻害冠层光谱特征,分析不同土壤表层湿度下冬小麦晚霜冻害对产量的影响,结果表明,冬小麦产量随土壤表层湿度降低而呈减少趋势。可见,霜冻害发生是多种气象因子相互影响,最终作用于冬小麦幼穗的结果。

目前,很多学者包括气象部门已研究出预测霜冻害的规范和标准,但在农业生产实际中发现,这些规范和标准往往以所在地区的百叶箱日最低气温来对冬小麦晚霜冻害灾害等级进行划分,这与冬小麦是否受害以及受害程度存在一定的差距。利用传统的农业灾害监测手段难以做到及时、准确、高效地预防冬小麦晚霜冻害及鉴定受灾程度。而对冬小麦晚霜冻害进行快速、准确的监测,对灾害进行高效率的预报预警,可为政府部门、一线冬小麦生产单位指导生产提供科学依据,从而将晚霜冻害对冬小麦产量的损失减少到最低。本研究对黄淮地区冬小麦晚霜冻害易发时段农田小气候的各气象因子进行监测,分析不同高度上空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度变化规律,研究农田小气候的各气象要素对叶温、气温变化的影响。从而为冬小麦晚霜冻害提供一些科学依据。为冬小麦晚霜冻害的预防预警提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究地域概况

本试验以豫麦18号为材料,在河南省商丘市农林科学研究院(34.4°N,115.7°E)试验田进行。

河南省商丘市农林科学院地处黄淮麦区。黄淮麦区冬小麦播种面积占全国小麦总播种面积的 35%～40% 。商丘市年平均日照时数1 944 h,年平均气温14.2 ℃,年平均降水量623 mm,光温资源丰富,但降水分布不均,南北差异大,气象灾害发生频繁,特别是小麦受晚霜冻的危害较严重,严重时可造成30%～50%的减产,给当地冬小麦的高产和稳产带来较大的影响。

1.2 实验仪器安排及数据获取

试验于2014年10月14日播种,一周后出苗,出苗整齐,出苗后采用与附近大田相同的田间管理。拔节期后在大田中随机选取三个地点,每个点安装一套田间监视器,拔节后监测各项气象要素。监测项目及安装情况见表1、表2。

表1 田间监视器传感器信息

表2 监测项目及安装情况

通过端子和STC把所有传感器串联,再通过RTU把数据传回服务器,编程把所获取的数字变成测定的温湿度、风速。

大田小麦3月12日—15日开始拔节,3月31日株高为45～50 cm ,幼穗高度为20～25 cm。5月1日开花,株高达75 cm,穗高也达75 cm(抽穗期)。2015年6月15日进行收获测产。晚霜冻害发生的时期为4月上中旬,受冻影响最大部位为幼穗,因为农田气温变化的复杂性,故设立田间监视器监测农田中不同高度温度的变化。

晚霜冻害发生在05:00—07:00时阶段。田间监视器每5 min测定一个数据,根据当年获取的气象数据来看,晚霜冻害发生的时间在4月1日—21日之间。

本试验所有数据均采用Excel软件进行数据处理,SAS软件进行统计分析,Excel软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 大田不同高度的日最低温变化规律

为了更真实地反映夜晚降温过程,根据低温出现的时间选择前一天的12:00时到后一天的12:00时日最低温方案,绘出不同层次日最低温变化图。

从图1可看出,这一阶段共有5次升温、降温过程。降温和升温过程都有类似的变化规律。

图1 4月1日—4月21日日最低温变化

2.2 大田不同高度的日最低叶温的变化规律

在3株冬小麦上找到4片(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm处)长势较好的叶片,在叶片背面避开叶脉处,用专业胶水把贴片式叶温传感器粘在叶片上,每5 min测定一次植株的叶温,再运用和空气温度相同的处理方法,得到的日最低叶温变化如图2。

图2 4月1日—4月21日日最低叶温变化

从图2可看出,不同高度的叶温之间的差别不大,只有在降温过程中不同高度的日最低叶温出现稍许差别。从4月1日—21日这个阶段的变化规律来说,和日最低气温的变化规律是一致的,但不同高度上的叶温和气温相比,变化更小,除3个降温过程中不同高度的叶温有差别外,其他时间不同高度上日最低叶温基本相同。这说明植株受外界温度的影响且本身具有一定的调节性。

2.3 大田不同高度的各环境要素的关系分析

2.3.1大田不同高度的风速变化

从5个降温-升温过程可看出,不同高度上的降温过程都是从温度相同降低,温度越高降得越快。不同高度上的温度呈指数分布。升温过程和降温过程正好相反,高度越高温度升得越快。到达顶点时不同高度温度一致。根据其他学者的研究可知,大田不同高度温度的变化受其他小气候因素的影响,所以在大田监视器系统中加入了冠层,0.85 m,2 m,3个层次上的风速监测,考虑到风对晚霜冻害的影响主要发生在夜间,所以截取前一天20:00时到第二天08:00时的风速平均,排除风速对不同高度层之间温度变化的影响。

从表3可看出,5个降温过程的最低温度出现时的风速都很小,只有4月13日2 m处最高风速达3.5 m/s,影响农田小气候的冠层风速和0.85 m处风速都很小,所以本研究中农田不同高度的温度变化不受风速的干扰。

表3 3个不同高度上的夜间平均风速

2.3.2土壤温度变化情况

土壤温度也是一个很重要的环境因素,它影响植株的地下部分,且间接地影响了地上环境,土壤温度的变化及其程度的大小决定于热量收支各项的变化。由于土壤表层与下层土壤进行热量交换,因此下层土壤的温度也有日变化,所以在0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm土壤深度处安装传感器,测定土壤不同层次上的温度变化并进行土壤日最低温的分析。

从图3可看出,日最低土壤温度的变化规律和日最低空气温度的变化规律一致,但不同层次上的温度变化差异明显,土层深度越小则变化越明显。这是因为地表与下层土壤进行热量交换,因此下层土壤与地表温度变化相比较,土壤表面温度日较差最大,深度越深,温度日较差越小,日最低土壤温度跟日最低气温变化规律的相关性越强(即日最低气温降幅越大,日最低气温降幅越大)。地下30 cm和40 cm处的土壤温度变化基本不受日最低气温的影响,且这两层的土壤温度差异不大,基本维持在11～13 ℃之间。土壤温度即使是地表温度在空气温度最低点时土壤地表温度都在5 ℃以上,相对气温来说都要高很多。

图3 4月1日—4月21日不同层次日最低温变化

2.3.3土壤水分变化情况

土壤水分和空气湿度的联系非常密切,水分的作用虽然不如温度对冬小麦的影响,也是作物整个生育期很重要的影响因素,尤其是需水关键期。土壤水分是农田小气候很重要的组成气候因素,所以在5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm土壤层安装土壤水分传感器,测定土壤不同层次上的水分变化。

从图4可看出,4月份商丘地区有两次强降雨天气,土壤容积含水量迅速变化,使得地表层成为含水量最大的一层,土壤越深,含水量越低,呈现由上到下逐层递减的形势,随着时间推移,水分的下渗和蒸发过程,使得上层水分不断减少,而30 cm、40 cm层的水分减少量较少,使得在4月8—9日各层的水分相同,最后再变成地表层最低,土壤中水分随深度的增加而降低。

2.3.4空气湿度变化情况

空气中的湿度受土壤水分、温度等的影响,而在晚霜冻害降温过程中,湿度的大小影响农作物内部降温的趋势,所以作为农业小气候中一个重要的因素来说,湿度的变化也是研究冬小麦晚霜冻害一个重要的方面。由于空气湿度本身日变化幅度比较大,而在冬小麦晚霜冻害发生时的空气湿度才真正影响冬小麦内部降温趋势,所以在4月1—21日期间每日低温出现时间段的空气湿度平均,如表4。

图4 4月1日—4月21日土壤水分含量变化图

表4 4月1日到4月21日时间段内平均空气湿度情况

从表4可看出,除了4月6,7,16日有稍许下降之外,4月1日到4月21日这段时间内空气湿度都很大,基本都在90%以上,且不同高度上空气湿度变化不明显,结合前面土壤水分可知,在4月1日到4月21日这段时间内有两次强降雨天气,期间还有小量降雨过程,且这一阶段商丘一直为阴雨天气,土壤水分充足,所以空气湿度都维持在较高水平,降温过程中释放潜热,使得内部层次的降温变得缓慢,从而温度的降低幅度减小。

2.4 不同高度的叶—气温差分析

根据前人研究可知,叶温是反映晚霜冻害最有效的数据,叶温相对来说较难测到,叶温与植株地上部分其他器官的温度有着密切的相关性,所以用叶温做霜冻指标比较理想。因叶温与气温有很大的相关性,但具有一定差距,所以进行叶—气温差分析。

从图5可看出,叶气温差基本在0～1 ℃范围内,其中最高的时间段为4月1日—4月3日,这段时间商丘地区有强降雨,由叶气温差变化可知,降雨能使叶气温差增加,单位时间降水越大,叶气温差越大,即叶温比气温大,且这种趋势随单位时间降雨量增大而增大。从升温、降温点可以看出共同的规律:升温时叶气温差降低,降温时叶气温差升高。

图5 4月1日—21日叶气温差变化

2.5 空气温度,叶温及叶气温差和各气象要素的显著性分析

大田之中不同高度上的空气温度、叶温及叶气温差的变化受农田小气候的影响,所以对这三个要素和各气象要素进行线性相关性分析。各气象要素存在交互作用,为了得出影响这些要素的显著要素,再进行多元线性回归找出主要的影响显著要素。

从表5可知,不同高度上空气温度的变化受5 cm处空气湿度的影响。土壤温度和土壤水分对空气温度的变化没有影响。

表5 空气温度和农田中其他气象要素间的关系

从表6可看出,不同高度上的叶温和5 cm、10 cm处空气温度、5 cm处空气湿度显著相关,但因为空气温度和空气湿度之间的显著相关性,所以做多元线性回归分析。

从多元线性回归分析结果可知:叶温和空气湿度的变化没有显著相关性,叶温主要受5 cm、10 cm层温度的影响,在10 cm以上则受所在层的空气温度的影响。

从表5可以看出,叶气温差受很多气象要素的影响。结合表6、表7、表8可知,叶温、气温受少量气象要素的影响,而叶气温差是植株抗逆性大小的体现,也是植株在降温过程中是否受冻害的指标,叶气温差大则说明降温时,植株的调节能力强,植株的体温下降速度更缓慢,那么植株受害的几率将大大降低。总体来看,所有层次的叶气温差受到0～10 cm空气温度、0～10 cm深的土壤温度、20 cm层空气湿度以及20 cm、40 cm层土壤水分的影响。就单一层次而言,10 cm以下的植株受到空气温度、土壤温度、20 cm层空气湿度以及20 cm、40 cm层土壤水分的影响。而10 cm以上也会受0～10 cm空气温度、0～10 cm深的土壤温度、20 cm层空气湿度以及20 cm、40 cm层土壤水分的影响,同时还受所在层次的空气温度的影响。

表7 影响叶温的显著要素

表8 叶气温差和农田中其他气象要素间的关系

为了更加清楚地得出各单一气象要素对叶气温差的影响以及影响的效应,故做多元线性回归分析,剔除各气象要素间的交互作用。

去除气象因素间交互作用后,可知叶气温差主要受土壤上下10 cm以内的空气温度,土壤温度的影响,所在高度处的空气温度以及20 cm以下水分的影响。空气温度下降受20 cm处空气湿度的影响,这说明在晚霜冻害发生时土壤温度以及土壤水分对植株是否受害有显著的保护作用。

3 结 论

1) 降温过程中日最低气温不同高度的温度呈对数递减趋势,日最低叶温不同高度的温度呈线性递减规律。

不同高度上日最低气温呈对数递减趋势,而日最低叶温呈线性递减趋势,不同高度的叶温之间的差别不大,只有在降温过程中不同高度的日最低叶温出现稍许差别。这说明植株受外界温度的影响且本身具有一定的调节性。

2) 不同高度上日最低气温变化受5 cm处空气湿度的影响。

不同高度上的日最低气温受5 cm处空气湿度的影响,而土壤温度和土壤水分对空气温度的变化没有影响。因此在冬小麦晚霜冻害预防中可以增加近地面的空气湿度来减缓农田中温度的下降速度。

表9 影响叶气温差的显著要素

3) 不同高度上的日最低叶温受5 cm、10 cm处空气温度和所在高度的日最低温影响。

日最低叶温的变化规律与5 cm、10 cm处日最低气温及所在层次的变化规律显著相关,但不同高度上的叶温和气温相比,变化更小。

4) 叶气温差受0～10 cm日最低气温、0～10 cm土壤温度、20 cm以下深度土壤水分以及所在层次的日最低气温的综合影响。

叶气温差主要受土壤上下10 cm以内的空气温度、土壤温度的影响,所在高度处的空气温度以及20 cm以下水分的影响。空气温度下降只受20 cm处空气湿度的影响,这说明在晚霜冻害发生时土壤温度以及土壤水分对植株有显著的保护作用。这是因为土壤温度高、土壤水分含量增高,降温时与地表之上进行热量交换,减缓地表之上的温度下降速度。所以总体来看,植株叶气温差的变化不仅受空气温度变化的影响,还受农田小气候的其他气象因素的影响,且影响不可忽视。

本研究通过揭示大田温度各气象要素在不同高度的关系和变化规律,给冬小麦晚霜冻害的预防预警和监测提供一些依据,旨在结合冬小麦发育时期,幼穗的生长情况,找出更好反映晚霜冻害受害程度的因素。