甘蔗生理發(fā)育時(shí)間及生育期預(yù)測(cè)

鐘 楚 ，周 臣 ，徐夢(mèng)瑩

（1.云南省氣候中心，昆明 650034；2.云南省耿馬縣氣象局，耿馬 677500）

云南省是我國(guó)第二大甘蔗生產(chǎn)省份，蔗糖產(chǎn)業(yè)在云南省的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。對(duì)云南主要蔗區(qū)甘蔗生長(zhǎng)期氣候條件和甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育變化的分析結(jié)果表明[1]，近20多年甘蔗生長(zhǎng)期氣候發(fā)生了較明顯的變化，受氣候變化的影響，甘蔗的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程也發(fā)生了較大的變化。進(jìn)一步對(duì)甘蔗生育期進(jìn)行模擬研究，對(duì)于更好地預(yù)測(cè)、鑒定氣候變化條件下甘蔗生長(zhǎng)期的變化，模擬甘蔗生育期對(duì)氣候變化的響應(yīng)，科學(xué)地管理甘蔗生產(chǎn)等方面都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

模擬作物生育期的模型主要有生長(zhǎng)度日法（有效積溫法）[2]、水熱因子模型[3]、“水稻種”模型[4]、WOFSOT模型[5]等。由于這些模型存在著模擬精度低，或者參數(shù)多、獲取較麻煩等原因，模型在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)用受到很大限制。張立禎等[6]近年提出了以生理發(fā)育時(shí)間為尺度預(yù)測(cè)作物發(fā)育進(jìn)程的方法，并在大田作物方面實(shí)現(xiàn)了有效的預(yù)測(cè)。該方法在番茄[7]、茄子[8]、大麥[9]、棉花[10]等作物上的運(yùn)用也取得了很好的效果，但目前關(guān)于甘蔗生育期的預(yù)測(cè)還未見報(bào)道。本文對(duì)甘蔗各生育期的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間進(jìn)行了推算，并以此進(jìn)行甘蔗的生育期預(yù)測(cè)，也為這方面進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

研究地點(diǎn)為云南省耿馬縣（東經(jīng) 98°48′～99°54′，北緯 23°20′～24°02′），該縣為云南省甘蔗種植面積大縣之一，是云南最重要的蔗糖基地，也是2008~2015年國(guó)家甘蔗優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃重點(diǎn)縣。觀測(cè)地為丘陵地段，土壤類型為紅壤土，微酸性，土壤肥力中等，產(chǎn)量水平中等。觀測(cè)地段距離大氣觀測(cè)場(chǎng) （東經(jīng) 99°24′， 北緯 23°33′，海拔1104.9m）2～3 km，海拔高度與大氣觀測(cè)場(chǎng)相差小于100 m，因此大氣觀測(cè)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)基本可以代表觀測(cè)地的狀況。

甘蔗生育期資料從耿馬縣氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站獲取，觀測(cè)的甘蔗均為當(dāng)年新植蔗，品種為粵糖8388，直播條栽，常規(guī)管理。根據(jù)文獻(xiàn)［11］的要求，選4個(gè)小區(qū)，每小區(qū)10株進(jìn)行觀測(cè)。甘蔗各生育期劃分及其形態(tài)特征見表3，2007-2009年甘蔗各生育期到達(dá)日期及生育期累計(jì)天數(shù)見表1和表2。

2 模型描述

2.1 生育期劃分

觀測(cè)記錄的甘蔗生育期有5個(gè)時(shí)期：播種、發(fā)芽、分蘗、莖伸長(zhǎng)和工藝成熟。但由于農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)記錄的生育期是普遍期的日期（即50%的植株達(dá)到某一生育期的形態(tài)特征），因此，實(shí)際的生育期劃分應(yīng)該為：發(fā)芽期（播種—發(fā)芽）、幼苗期（發(fā)芽—分蘗）、分蘗期（分蘗—莖伸長(zhǎng)）、莖伸長(zhǎng)期（莖伸長(zhǎng)—工藝成熟）和工藝成熟期（工藝成熟—收獲）5個(gè)時(shí)期。但由于甘蔗的收獲期受工業(yè)生產(chǎn)安排進(jìn)度的影響，即使達(dá)到收獲標(biāo)準(zhǔn)也不一定能及時(shí)收獲，因此，本研究中不考慮工藝成熟期。莖伸長(zhǎng)停止期一般不記錄，因此采用旬測(cè)時(shí)莖長(zhǎng)不再增長(zhǎng)時(shí)最后一旬的日期作為莖伸長(zhǎng)停止期。

2.2 相對(duì)熱效應(yīng)

將溫度對(duì)甘蔗發(fā)育速率的影響效應(yīng)的大小用相對(duì)熱效應(yīng)（Relative thermal effect，RTE）來(lái)衡量。根據(jù)甘蔗各生育期適宜溫度的分布特征，本模型采用三段線性函數(shù)計(jì)算每日相對(duì)熱效應(yīng)。在發(fā)育下限溫度與最適下限溫度之間，熱效應(yīng)隨著溫度的升高呈線性增加，在最適下限溫度與最適上限溫度之間，熱效應(yīng)保持最大值1，在最適上限溫度與發(fā)育上限溫度之間，熱效應(yīng)隨著溫度的升高呈線性下降，在發(fā)育下限溫度以下或發(fā)育上限溫度以上，熱效應(yīng)為0，即每日相對(duì)熱效應(yīng)RTE的值在0～1之間變化（圖1）。每日相對(duì)熱效應(yīng)RTE與溫度（T）的關(guān)系可用公式（1）表示。

式中，Tb、Tob、Tou、Tm分別為甘蔗發(fā)育下限溫度、最適下限溫度、最適上限溫度和上限溫度，T為日平均溫度，RTE是每日相對(duì)熱效應(yīng)。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料[12]，確定甘蔗各生育期的三基點(diǎn)溫度（表4）。

2.3 生理發(fā)育時(shí)間

2.5 模型檢驗(yàn)

采用常用的根均方差法（Root mean square error，RMSE）和相對(duì)誤差（Relative error，RE）對(duì)模擬值與觀測(cè)值之間的符合度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，檢驗(yàn)?zāi)M函數(shù)的擬合度和可靠性。

3 結(jié)果分析

3.1 甘蔗完成各生育期的生理發(fā)育時(shí)間

采用2007—2009年甘蔗生育期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)生理發(fā)育時(shí)間恒定的原理，甘蔗在各年份完成某一生育期的生理發(fā)育時(shí)間相等，采用公式（1）計(jì)算出甘蔗達(dá)到各生育期所需的生理發(fā)育時(shí)間。甘蔗發(fā)芽期、幼苗期、分蘗期和莖伸長(zhǎng)期分別需要36.2、32.8、26.4和62.9個(gè)生理發(fā)育日。

3.2 模擬結(jié)果及檢驗(yàn)

根據(jù)2010年耿馬縣氣象站逐日氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用3.1計(jì)算的甘蔗各生育期生理發(fā)育時(shí)間，對(duì)2010年甘蔗進(jìn)入各生育期的時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)（表5，圖2）。結(jié)果表明，各生育期預(yù)測(cè)的絕對(duì)誤差為3～15d，分蘗期最小，而莖伸長(zhǎng)停止期最大。分蘗期預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差為6.8%，其余時(shí)期相對(duì)誤差12.3%～16.7%，整個(gè)生育期預(yù)測(cè)的根均方差百分率為14.2%，結(jié)果說(shuō)明，采用生理發(fā)育時(shí)間對(duì)甘蔗生育期的預(yù)測(cè)結(jié)果較好。

4 結(jié)論

（1）甘蔗各生育期的生理發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)短為莖伸長(zhǎng)期＞發(fā)芽期＞幼苗期＞分蘗期，分別為62.9 d、36.2 d、32.8 d和26.4 d，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的平均狀況一致。

（2）生理發(fā)育時(shí)間法預(yù)測(cè)的甘蔗各生育期相對(duì)誤差均小于20%，RMSE也在15%以內(nèi)，說(shuō)明該方法對(duì)預(yù)測(cè)甘蔗生育期的效果較好，有一定的實(shí)用性。但本研究中，預(yù)測(cè)的RMSE較該方法在其它作物（或水果）[7-10，13]上預(yù)測(cè)的RMSE值明顯偏大，一方面可能與本研究資料的獲取方法有關(guān)，因?yàn)榍o伸長(zhǎng)期以前，生育期的觀測(cè)是兩天1次巡視觀測(cè)，進(jìn)入伸長(zhǎng)期以后則是旬測(cè)，因此會(huì)造成一定的觀測(cè)誤差。另一方面，隨著氣候變化加劇，對(duì)甘蔗的發(fā)育進(jìn)程有一定影響[1]，這也許是造成預(yù)測(cè)誤差較大的原因之一。

本研究結(jié)果已證明，生理發(fā)育時(shí)間法是預(yù)測(cè)甘蔗生育期較好的方法，而要提高該方法的預(yù)測(cè)精度，還需進(jìn)行更加細(xì)致和精密的試驗(yàn)。另外，還需深入研究溫度變化對(duì)甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育的影響機(jī)理，進(jìn)一步增強(qiáng)模型的機(jī)理性。

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