水热条件对辣椒生长速率的影响

于 飞, 侯双双, 何建文, 刘宇鹏, 陈 芳

(1.贵州省山地环境气候研究所/贵州省山地气候与资源重点实验室, 贵州 贵阳 550002; 2.贵州大学 生命科学学院, 贵州 贵阳 550025; 3.贵州省辣椒研究所, 贵州 贵阳 550006)

0 引言

【研究意义】全球气候变暖背景下,极端天气气候事件(极端高温、极端降水和干旱等)频发[1],气候变化导致的水热条件变化极大地影响农业生产。辣椒(CapsicumannuumL.)是世界范围内重要的蔬菜和调味品[2],气候变化对辣椒产业的影响引起世界范围内广泛关注[3]。水热条件作为主要气象因子,探明其对辣椒生长发育的影响,能够为合理规划辣椒种植和开展辣椒气象防灾减灾提供决策依据,同时能够为辣椒种植科学应对气候变化提供理论依据。【前人研究进展】目前,气候条件变化对辣椒影响的研究主要集中于2个方面。一是通过调查方式得到气候变化背景下辣椒产量的变化特征[4-5],从宏观上证实气候变化导致辣椒产量下降,提出不同作物间套作等种植策略来应对气候变化。李建珉等[4]对比分析水热条件变化与辣椒产量特征表明,水热条件对辣椒产量的形成发挥重要作用;EVIZAL等[5]调查印度尼西亚辣椒种植农户对气候变化的认识表明,极端天气气候灾害是辣椒减产的重要因素。二是利用人工气候室,通过模拟不同气候变化情景下的CO2浓度和温度,研究气候变化对辣椒的影响[3,6-8]。在人工气候室中创造不同的CO2浓度和温度环境,对比分析不同CO2浓度和温度下辣椒生长特征来反映气候变化对辣椒生长的影响,SANG等[3]以CO2浓度和温度为指标,设置高、低2种水平气候变化条件,对比分析不同气候变化条件下辣椒生长发育特征,结果表明,较强的气候变化导致辣椒产量和品质下降。白瑞等[7]研究不同CO2浓度对辣椒光合作用的影响表明,不同辣椒品种的光合特性对CO2浓度升高的响应特征不同。【研究切入点】由于农田是相互影响、相互协调的生态系统,人工气候室对单一大气环境的模拟不能准确反映大田生态的实际情况。分期播种是传统的农业试验方法,目前仍广泛应用于各类农作物理论研究和生产实践中。分期播种能够在自然状态下创造不同的气候环境,最佳播种日期反映的实质是最优的气候水热条件配置,通过研究不同播种日期对各类农作物的影响,可获得作物的最佳播种日期[9-14]。然而不同播种日期下不同的水热条件对农作物生长的影响被大多数的分期播种试验忽略。【拟解决的关键问题】以贵州主要辣椒品种“辣研1号”为研究对象,通过辣椒分期播种产生不同的气候条件为基础,研究气候变化导致的水热条件变化对辣椒生长速率的影响,为辣椒生产有效应对未来气候变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种为辣研1号,为贵州辣椒主栽品种之一,由贵州省辣椒研究所提供。气象资料(降水量与气温即水热条件)为贵阳清镇暗流气象站观测资料,气象站距离辣椒分期播种试验基地直线距离小于1 km。

1.2 试验设计

2019—2020年在贵阳国家一级农业气象试验站(位于贵阳清镇市暗流镇)进行辣椒分期播种试验。播期为2月25日至4月7日,各播期间隔7 d,共设7个处理(表1)。每个播期3个重复,共21个小区,小区面积20 m2。试验大垄双行单株移栽,垄高10～20 cm,定植株行距分别为35 cm和50 cm。试验土壤条件及栽培方式均与大田种植一致。

表1 辣椒分期播种试验的播种期与移栽期

1.3 分析方法

研究所用数据包括辣椒田间试验数据和气象数据。辣椒田间试验数据的获取依照《农业气象观测规范》,对出苗期、开花期和成熟期3个典型物候期进行观测。农业生态系统中,不考虑土壤养分因素前提下,水热条件是主要的气候条件,其与作物生长的关系大多通过线性回归方式表达[10]。因此,根据辣椒分期播种试验数据,采用线性回归方法,拟合辣椒不同生长阶段生长速率与水热条件的关系。

y=f(x)

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 不同播期处理辣椒典型生育期及水热条件特征

2.1.1 典型生育期特征 作物生育期长短反映作物生长速率。从图1看出,不同分期播种处理下,各生长阶段的天数存在差异。随着播种移栽期的推迟,各阶段生长天数均呈现缩短趋势。播期延迟导致苗期、营养生长期、生殖生长期和全生育期分别缩短6 d、30 d、9 d和34 d。因此,不同播种期导致的水热条件变化主要通过影响营养生长期而影响全生育期天数。

图1 不同播期辣椒典型生长期的天数特征

2.1.2 典型生育期的水热条件特征 从图2看出,播期推迟明显改变辣椒典型生育期的水热条件即日平均气温及降水量。

图2 不同播期辣椒各生育阶段的日均气温与降水量

1) 日平均气温。随着播期推迟,除生殖生长期外,日平均气温在苗期、营养生长期和全生育期均表现出明显上升趋势,T7日均温最高,T1日均温最低;播期延迟导致的温度升高在苗期、营养生长期和全生育期分别为42%、25%和10%,因此播期延迟可有效提升辣椒生长热量条件;而对于生殖生长期,播期改变对该生长期热量特征影响相对不明显,平均温度最高值为24.1 ℃,出现于T3和T5处理,平均温度最低值为23.6 ℃,出现于T2处理,二者相差仅0.5 ℃;T1和T2播期下,生殖生长期平均温度<24 ℃,而T3～T7播期处理的生殖生长期平均气温均≥24 ℃,对比图1生长期天数特征有高度的吻合,表现为T1和T2播期的生长期天数≥46 d,而T3～T7播期的生长期天数≤42 d。

2) 降水量。播期延迟产生的降水量变化程度在苗期、营养生长期、生殖生长期和全生育期分别为187%、10%、28%和4%。播期推迟对营养生长期和全生育期降水量的影响较小,但明显改变苗期和生殖生长期水分特征,总体表现为以T3播期为界限分为2种类型:T3以前播期,苗期降水较少而生殖生长期降水较多;T3以后播期,苗期降水相对较多而生殖生长期则相对较少。主要原因是对于苗期而言,播期较早的T1和T2处理,春季温度较低,雨季未到,随着播期推迟(T3～T5),热量条件改善,降水随之增加;而对于生殖生长阶段而言,播期较早的T1和T2处理对应的降水量略多于播期推迟的T3～T5,生殖生长阶段的降水过多不利于辣椒成熟。

2.2 辣椒生长速率与气象因子的相关性

从表2看出,气温对辣椒任一生长阶段的生长速率起到关键作用,气温与辣椒各阶段的生长速度相关性达极显著水平;降水量和大气干燥程度与辣椒各生长阶段的生长速率表现出不同程度的相关性。气温与降水量间相关性不显著,即水热气象因子间无显著相关性。全生育期:生长速率与日平均气温呈极显著正相关(P<0.01),与降水量和大气干燥程度(水热条件的综合反映指标)相关性不显著,由于气温与降水量的相关性不显著,因此在辣椒全生长期气温是其生长的主要限制性气象因子。苗期:辣椒生长速率与日平均气温和降水量分别呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)正相关,与大气干燥程度相关性不显著,表明苗期气温是影响生长速率的关键因素。营养生长阶段:生长速率与日平均气温和大气干燥程度均呈极显著正相关(P<0.01),与降水量呈显著正相关(P<0.05),表明气温和降水同时影响辣椒营养生长阶段的生长。生殖生长阶段:生长速率与日平均气温和大气干燥程度均呈极显著正相关(P<0.01),与降水量呈极显著负相关(P<0.01),表明气温升高可提高生殖生长阶段的生长速率,而降水量增加则减缓该阶段的生长速率。

表2 辣椒不同生长阶段气象因子间及其与生长速率间的相关系数

总体看,日平均气温是辣椒各生育阶段生长速率的主要影响因子,生长期间平均气温越高,各阶段生长速率越大,其阶段经历的时间越短。降水量与苗期和营养生长阶段生长速率呈显著正相关,说明生长期内降水量大,苗期和营养生长阶段的生长速率则大,其阶段经历的时间越短;而与生殖生长阶段呈极显著负相关,说明生殖生长期内降水量越大,阶段生长速率越小,其阶段经历的时间越长。

2.3 不同环境温度下辣椒苗期和全生育期的生长速率

温度是影响辣椒苗期和全生育期生长速率的关键气候因子。从图3看出,辣椒苗期平均气温上升1 ℃,苗期生长速率提高0.11%,苗期历期缩短1.1 d。辣椒全生育期内平均气温上升1 ℃,生长速率提高0.05%,全生育期缩短10.9 d。表明,辣椒生长期内气温升高有利于提高其生长速率,缩短苗期和全生育期所需天数。

图3 辣椒苗期及全生育期的生长速率与日平均气温的线性关系

2.4 不同水热条件下辣椒营养生长和生殖生长阶段的生长速率

气温和降水共同影响营养生长阶段和生殖生长阶段的生长速率。从图4看出,平均气温上升1 ℃,辣椒营养生长阶段和生殖生长阶段生长速率分别提高0.07%和0.28%,生育阶段所需时间分别缩短1.1 d和6.0 d。大气干燥程度表示水分的收支状况,研究表明,大气干燥程度变化对辣椒营养生长和生殖生长阶段生长速率的影响符合线性模型,当大气干燥程度增加时,辣椒营养生长阶段的生长速率下降,下降速率为-0.25%;生殖生长阶段的生长速率随大气干燥程度上升而上升,上升速率为0.16%。因此认为,干旱减缓辣椒营养生长阶段的生长,但适度干旱则可加快辣椒生殖生长阶段的生长速率。

图4 辣椒营养生长及生殖生长阶段的生长速率与水热条件的线性关系

3 讨论

分期播种试验能够在自然状态下产生不同大田气候条件,从而为农业科技工作者广泛应用于各类农作物研究中,以期获得农作物最佳播期。目前针对各类粮食作物[17-20]和经济作物[14,21-22]展开的分期播种试验均表明,气温升高可缩短各类农作物的生育期;同时部分试验结果表明,气温过高影响水分利用率从而不利于作物生殖生长阶段的生长[21]。本研究表明,气温是辣椒苗期和全生育期生长速率的关键因子,而气温和降水共同影响营养生长和生殖生长阶段的生长速率,与已有的农作物分期播种试验结果相吻合。

水热条件的变化影响辣椒不同生长阶段的生长速率。众多分期播种试验研究均表明,气候变化引起的水热条件变化影响作物生长速率[10,12-14],但目前已有的研究多限于分期播种产生的气候条件对作物物候期或产量的影响,没有进一步展开两者关系的定量表达。本研究表明,气温升高有利于提高辣椒生长速率,缩短辣椒各生长阶段所需天数,具体表现为缩短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、营养生长阶段1.1 d/℃及生殖生长阶段6.0 d/℃。营养生长和生殖生长阶段,除气温对生长速率的影响外,降水的作用也不能忽视。气温和降水共同表现为大气水分收支情况,反映大气的干燥程度,随着大气干燥程度增加,营养生长速率下降(-0.25%),而生殖生长速率增加(0.16%)。已有的辣椒分期播种研究表明,在辣椒开花以后,特别是成熟阶段,降水较少有利于辣椒采收,本研究结果与前人一致[22]。气候变化导致的水热条件变化主要表现为干暖化和极端天气气候事件频发,依据气候变化导致的水热条件变化对辣椒生长的影响,在充分掌握当地气候变化特征的前提下,需合理调整辣椒种植方式。贵州年总降水量为1 100～1 300 mm,雨量充沛,气候变暖提高辣椒生长速率,缩短辣椒生育期,所以较晚播期意味着温度升高,则可能缩短苗期过程导致植株羸弱;同时温度升高加大大气干燥程度,影响辣椒营养生长阶段的生长。因此,气候变暖背景下,辣椒播期适度提前更有利于其生产。此外,由于夏旱、冰雹、高温等极端天气气候事件风险增大,采用合理的间套作和管理方式能够营造有利的农田小气候[23-24],对积极应对辣椒生长过程中的高温、冰雹、干旱等气象灾害有重要作用,但须在充分的农业经济效益论证下设计合理的种植模式,以获得土地和气候资源利用效率最大化。

4 结论

在贵阳国家一级农业气象站开展为期2年的辣椒分期播种试验,通过分期播种创造不同的气候条件,定量研究水热条件变化对辣椒生长速率的影响。结果表明,水热条件变化对辣椒生长速率的影响显著。温度是辣椒各生长阶段生长速率的主要影响因子,气温升高有利于提高辣椒生长速率,缩短辣椒各生长阶段所需天数,分别表现为缩短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、营养生长阶段1.1 d/℃及生殖生长阶段6.0 d/℃;营养生长和生殖生长阶段,除气温对生长速率的影响外,降水的作用也不能忽视。气温和降水共同表现为大气水分收支情况,反映大气干燥程度,随着大气干燥程度增加,辣椒营养生长速率下降0.25%,而生殖生长速率增加0.16%。在掌握水热条件与辣椒各生长阶段生长速率定量关系基础上,结合贵州气候变化引发的水热条件变化特征与当年春季气候预测,合理调整辣椒播期和大田移栽期,是贵州辣椒种植应对未来气候变化的有效措施。