花生冠層溫度日變化及其與地表溫度和光照度的關系

任學敏，朱 雅，王小立，王長發(fā)

(1 南陽師范學院 a 生命科學與技術(shù)學院，b 圖書館，河南 南陽 473061；2 西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西 楊凌 712100)

花生冠層溫度日變化及其與地表溫度和光照度的關系

任學敏1a，朱 雅1b，王小立1a，王長發(fā)2

(1 南陽師范學院 a 生命科學與技術(shù)學院，b 圖書館，河南 南陽 473061；2 西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 探索花生冠層溫度日變化特征及其與地表溫度和光照度的關系，以揭示不同基因型花生品種冠層溫度差異機理。【方法】 于花生結(jié)莢期和飽果期，分別應用紅外測溫儀和照度計對花生冠層溫度、地表溫度日變化和冠層、1/2株高層、0.02 m株高層光照度日變化(06:00-18:00，每隔2 h觀測1次)進行了觀測。【結(jié)果】 不同基因型花生品種冠層溫度存在明顯分異，冠層溫度偏高的品種(暖型花生)持續(xù)偏高，冠層溫度偏低的品種(冷型花生)持續(xù)偏低，且越是到生育后期，差異越明顯。結(jié)莢期和飽果期不同溫度型花生冠層溫度、地表溫度日變化均能用三次多項式很好地擬合，各層光照度日變化均能用二次多項式很好地擬合。冠層溫度日變化與地表溫度和各層光照度呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關，但不同生育時期各因子的作用大小不同，結(jié)莢期：地表溫度>1/2株高層光照度>0.02 m株高層光照度>冠層光照度；飽果期：地表溫度>冠層光照度>1/2株高層光照度>0.02 m株高層光照度?！窘Y(jié)論】 花生冠層溫度日變化與地表溫度密切相關，到生育后期，冠層光照度也對其起重要作用。

花生；冠層溫度；地表溫度；光照度；日變化

作物冠層溫度是指農(nóng)田作物層不同高度葉和莖表面溫度的平均值[1]，對其的研究可追溯到1963年Tanner[2]首次用紅外測溫儀對植物溫度的測定，隨后的幾十年來，作物冠層溫度逐漸成為研究的熱點。目前，有關作物冠層溫度的研究主要集中于2個方面，即同一基因型作物品種不同環(huán)境條件下(如干旱、高溫、肥力等)冠層溫度的差異，以及同種作物不同基因型相同環(huán)境條件下冠層溫度的差異。對于前者的研究可為農(nóng)田水、肥等管理提供有效的指導[3-6]；對于后者的研究能夠幫助育種學家方便快捷地進行耐熱基因型作物篩選[7]、抗旱基因型作物篩選[8]、作物高產(chǎn)品種選育[9-10]和作物優(yōu)良品質(zhì)品種選育[11]等。

有關同種作物不同基因型在相同環(huán)境條件下冠層溫度的差異，目前已在小麥[12]、棉花[13]、大豆[14]、水稻[15]、谷子[16]、豌豆[17]、花生[18]等多種作物上發(fā)現(xiàn)。這些研究中，冠層溫度的測定往往只在一天中的某一段特定時間進行(一般為13:00-15:00)，而很少有研究關注冠層溫度的日變化特征。作物冠層溫度的差異，主要由內(nèi)因、外因以及二者的相互作用所決定[19]。對于內(nèi)因，主要是作物自身生物學特性的影響，尤其是蒸騰作用[14,20]；對于外因，主要涉及到外部環(huán)境條件，如第一熱源(太陽輻射)和第二熱源(地面輻射)[19,21]，近來的研究也涉及到了肥料[5]和CO2濃度[22]等。本研究以北方大花生為材料，探索了不同基因型品種冠層溫度日變化特征，并分析了其與地表溫度和光照度的關系，旨在為揭示不同基因型花生品種冠層溫度差異機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試花生品種4個，均為大花生，其中開農(nóng)41、標花2號和豫花153引自河南，魯花11號(CK，北方大花生生產(chǎn)區(qū)常用對照之一)引自山東。

1.2 試驗設計

試驗地位于陜西關中平原中部渭河谷地頭道塬的西北農(nóng)林科技大學農(nóng)作一站，屬北方大花生生產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域處于暖溫帶，屬大陸性季風氣候，年均降水量500～800 mm，其中6-9月份約占60%。年均溫9.0～13.2 ℃，極端高溫41.2 ℃，極端低溫 -18.6 ℃。試驗于2007年進行，試驗地前茬空茬，隨機區(qū)組排列，4次重復，采用起壟地膜覆蓋種植法，壟距0.8 m，壟高0.1 m，壟面寬0.55 m，畦溝寬 0.26 m。04-24人工開溝帶尺點播。每小區(qū)3壟6行，行長2.4 m，行距 0.35 m，株距0.16 m，每穴播種2粒，播深3～5 cm。播種前以尿素200 kg/hm2、二銨300 kg/hm2的標準施底肥。參照北方大花生生產(chǎn)區(qū)的管理方法進行管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 冠層溫度的觀測 自花生結(jié)莢開始至收獲，采用BAU-I 型紅外測溫儀于晴天午后(13:00-15:00)對冠層溫度進行連續(xù)觀測。觀測時，感應頭距花生冠層約20 cm，探棒傾角約30°，選擇各品種群體生長均勻一致且有代表性的部位作為測點，避免紅外線照射裸露地面。對每個品種的4次重復進行往返觀測，其平均值作為該次的冠層溫度值。

1.3.2 冠層溫度、地表溫度和光照度日變化的觀測 于結(jié)莢期(07-23)和飽果期(08-31)對花生冠層溫度、地表溫度和光照度日變化分別各進行了1次觀測。觀測從06:00開始，到18:00結(jié)束，每隔2 h觀測1次。所有觀測均選擇花生群體生長均勻一致且有代表性的地方作為測點。冠層溫度和地表溫度觀測所用儀器為BAU-I型紅外測溫儀，前者觀測方法同1.3.1中所述；后者觀測方法是將探棒感應頭懸垂于距地面高約1 cm處進行觀測；光照度觀測分為3個層次：冠層(花生群體冠層上方1 cm)、1/2 株高層和距地面0.02 m株高層，所用儀器為ZDS-10照度計(上海精密儀器儀表有限公司)。對每個品種的 4 次重復進行往返觀測，以其平均值作為觀測值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

多項式回歸分析(二次或三次)用于探索花生冠層溫度、地表溫度和光照度日變化的變化趨勢；相關分析和通徑分析用于分析冠層溫度日變化與地表溫度和光照度的關系。所有統(tǒng)計分析均由SPSS17.0統(tǒng)計軟件完成。用Origin7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型花生品種冠層溫度的差異

以日序(觀測日的順序)為橫坐標，各花生品種與對照品種(魯花11號)冠層溫度差值為縱坐標作圖，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，不同基因型花生品種冠層溫度存在明顯差異，開農(nóng)41和標花2號與對照品種冠層溫度差值除少數(shù)幾個點位于或低于零刻度線以外，其余均在零刻度線以上，而豫花153除1個點位于零刻度線上外，其余點均在零刻度線以下。說明開農(nóng)41和標花2號冠層溫度持續(xù)偏高，而豫花153冠層溫度持續(xù)偏低，到生育后期，這種差異更大，最大溫差達2.1 ℃。參照張嵩午[19]對暖型、冷型小麥的定義，可將開農(nóng)41和標花2號視為暖型花生，豫花153和魯花11號視為冷型花生。

2.2 不同溫度型花生品種冠層溫度的日變化

由圖2可以看出，不論結(jié)莢期還是飽果期，4個花生品種的冠層溫度均從06:00開始緩慢上升，隨后上升速度加快，達最大值后下降?；ㄉ趯訙囟仍谝惶熘须S時間的這種變化趨勢符合三次方程，以冠層溫度為因變量，觀測時間為自變量進行多項式回歸，保留t檢驗顯著(P<0.05)的各次項回歸系數(shù)，得各花生品種回歸方程(圖2)，所有方程的決定系數(shù)R2均大于0.9，F(xiàn)檢驗表明，回歸方程均達到極顯著水平(P<0.01)，說明回歸關系真實存在。通過這些方程計算可知，在結(jié)莢期，暖型和冷型花生最高冠層溫度值在一天中均出現(xiàn)于15:07-15:16；在飽果期，暖型花生最高冠層溫度值在一天中出現(xiàn)于15:16-15:25，而冷型花生出現(xiàn)于15:43，有一定程度推遲。結(jié)莢期暖型花生與冷型花生冠層溫度最大差值為0.38～0.49 ℃，飽果期為1.36～2.31 ℃，2個生育時期出現(xiàn)最大差值時間(除結(jié)莢期開農(nóng)41與豫花153最大差值出現(xiàn)于11:21外)均在13:40-14:41。因此可以認為，一天中13:00-15:00花生冠層溫度差異最明顯，且越到生育后期，差異越大。這說明在13:00-15:00進行冠層溫度觀測較為合理。

2.3 不同溫度型花生品種地表溫度的日變化

由圖3可以看出，結(jié)莢期和飽果期不同類型花生地表溫度的日變化趨勢與冠層溫度日變化基本相同，符合三次方程，通過進行多項式回歸，保留t檢驗顯著(P<0.05)的各次項回歸系數(shù)，得回歸方程(圖3)，所有方程的決定系數(shù)R2在0.948～0.980，F(xiàn)檢驗證明回歸關系真實存在(P<0.01)。由這些方程計算可知，暖型和冷型花生地表溫度在一天中達最大的時間，結(jié)莢期均為15:16-15:25，飽果期暖型花生為15:16-15:25，而冷型花生為15:43-16:00。這與一天中冠層溫度最高值出現(xiàn)的時間基本一致。暖型花生與冷型花生地表溫度最大差異，結(jié)莢期為0.38～0.90 ℃，飽果期為1.90～4.74 ℃，2個生育期出現(xiàn)的時間(除結(jié)莢期標花2號與魯花11號最大差值出現(xiàn)于17:11外)均在13:58-14:50。這與冠層溫度日變化類似，但比冠層溫度最大差異出現(xiàn)時間稍微滯后。

2.4 不同溫度型花生品種光照度的日變化

不同花生品種結(jié)莢期和飽果期各層光照度日變化均呈單峰曲線(圖4)，這種變化可以用二次多項式來擬合。多項式回歸所得方程的各次項系數(shù)t檢驗均達顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平，高的決定系數(shù)R2(0.783～0.959)和F檢驗的高顯著性(P<0.05或0.01)證明了回歸關系的真實性。通過這些方程計算可知，結(jié)莢期和飽果期花生各層光照度分別在11:56-12:22和12:13-12:22達最高值。不同溫度型花生間冠層光照度無明顯差異，但1/2株高層和0.02 m株高層隨層位和生育期的不同差異明顯。結(jié)莢期，隨層位的降低不同花生品種光照度差異變大，但冷型和暖型之間的表現(xiàn)較為混亂，而在飽果期則表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，即隨層位下降，暖型花生株間光照度明顯高于冷型花生，且越往下層越明顯(暖型花生與冷型花生1/2株高層光照度最大差異為1.34～2.75 klx，0.02 m株高層最大差異為1.09～3.28 klx)。

2.5 花生冠層溫度日變化與地表溫度和光照度的相關分析

花生冠層溫度日變化與地表溫度和各層光照度的相關系數(shù)見表1。由表1可知，在結(jié)莢期，冠層溫度日變化與地表溫度和各層光照度存在強烈正相關關系，其中與地表溫度和0.02 m株高層光照度的相關達極顯著水平(P<0.01)，與冠層和1/2株高層光照度的相關達顯著水平(P<0.05)；在飽果期，冠層溫度日變化與地表溫度和各層光照度均存在極顯著(P<0.01)正相關關系。此外，地表溫度以及各層光照度相互間也存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的正相關關系。

2.6 花生冠層溫度日變化與地表溫度和光照度的通徑分析

花生地表溫度以及各層光照度之間存在顯著或極顯著的相關關系(表1)，這可能使得一些指標對冠層溫度的作用通過另一些指標來實現(xiàn)。因此，簡單相關分析中的相關系數(shù)僅僅反映了各指標對冠層溫度日變化的總作用。為了確定各指標對冠層溫度日變化的直接作用和間接作用，進而確定各指標的相對重要性，采用通徑分析對簡單相關中的相關系數(shù)進行了剖析。 花生地表溫度和各層光照度與冠層溫度日變化的通徑分析結(jié)果見表2。

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平顯著。n=28。

Note:* and ** indicate significances at 0.05 and 0.01 levels,respectively.n=28.

由表2可以看出，由直接通徑系數(shù)的絕對值大小可知，結(jié)莢期各指標對冠層溫度日變化的作用大小為：地表溫度>1/2株高層光照度>0.02 m株高層光照度 > 冠層光照度；飽果期地表溫度、冠層光照度、1/2株高層光照度和0.02 m株高層光照度的作用依次減弱。

由間接通徑系數(shù)可知，各指標通過其他指標不同程度地影響冠層溫度日變化(表2)。在結(jié)莢期，地表溫度主要通過其自身對冠層溫度日變化起作用(直接通徑系數(shù)較大)，而各層光照度主要通過其他指標對冠層溫度日變化起作用(冠層、1/2株高層和0.02 m株高層光照度通過其他指標的間接通徑系數(shù)之和分別為0.258，0.749和0.276，均大于直接通徑系數(shù)的絕對值)，其中1/2株高層光照度通過其他指標的間接作用使得其對冠層溫度日變化的總作用方向相反。與結(jié)莢期相似，飽果期地表溫度依然是決定冠層溫度日變化的最主要因素，其通過各層光照度雖然有較大的間接作用，但方向有正有負，基本上能夠相互抵消；冠層溫度日變化通過1/2株高層和 0.02 m株高層光照度的間接作用與其自身方向相反，但與地表溫度的間接作用方向相同，相互抵消后冠層光照度的總效應依然較大(0.509)，說明冠層光照度主要通過自身對冠層溫度日變化起作用，且作用較大。1/2株高層和0.02 m株高層光照度對冠層溫度日變化的直接通徑系數(shù)分別為-0.414和-0.311，而其通過其他指標的間接作用均大于直接作用(其他指標的間接通徑系數(shù)之和分別為0.992和0.839)，且使得作用的方向相反，尤其是通過地表溫度的冠層光照度的間接作用很大，這進一步說明地表溫度和冠層光照度對于冠層溫度日變化的重要作用。

注：表中粗體數(shù)據(jù)為直接通徑系數(shù)，其他為間接通徑系數(shù)。n=28。

Note:Bold figures are direct path coefficients,and others are indirect path coefficients.n=28.

3 討 論

本研究結(jié)果表明，不論是連續(xù)觀測還是結(jié)莢期或飽果期的冠層溫度日變化觀測，不同基因型花生品種冠層溫度都存在明顯差異，冠層溫度偏高的花生品種(暖型花生)持續(xù)偏高，冠層溫度偏低的花生品種(冷型花生)持續(xù)偏低，且越是到生育后期，2種溫度型花生品種的差異越明顯。這種現(xiàn)象與其他研究者在其他多種作物上的發(fā)現(xiàn)類似[12-16]。說明同種作物不同基因型的冠層溫度差異是一種客觀存在，是基因型決定的自身固有生物學特性與外界環(huán)境條件相結(jié)合的產(chǎn)物[23]。

無論結(jié)莢期還是飽果期，不同溫度型花生冠層溫度日變化均表現(xiàn)為開始時緩慢上升，隨后上升速度加快，達最大值后下降。但不同生育時期、不同溫度型花生品種冠層溫度在一天中達最大值的時間不同，總體上，飽果期比結(jié)莢期有一定程度推后，飽果期冷型花生達到最高溫度的時間比暖型花生晚。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因可能是：花生生育后期，不可避免地存在一定程度的衰老，導致光截獲減少，漏射光增多，對地表的加熱作用增大，而地面輻射(第二熱源)與冠層溫度密切相關[21]，其反過來加熱花生冠層。本研究中飽果期地表溫度在一天中出現(xiàn)最大值的時間比結(jié)莢期明顯滯后，與冠層溫度存在相同的變化趨勢，這可能導致了飽果期冠層溫度比結(jié)莢期的推后。隨著生育期的推進，暖型花生比冷型花生衰老更為嚴重[18]，漏射光更多(暖型花生1/2株高層和0.02 m株高層光照度比冷型花生分別高1.34～2.75 klx和 1.09～3.28 klx)，地表溫度升高更快，從而導致最大冠層溫度值較早地出現(xiàn)。

本研究結(jié)果表明，無論結(jié)莢期還是飽果期，一天中不同溫度型花生冠層溫度最大差異出現(xiàn)的時間(13:40-14:41)與冠層溫度最高值出現(xiàn)的時間(15:07-15: 43)并不一致，前者比后者明顯偏早；地表溫度與冠層溫度相似(最大差異出現(xiàn)時間為13:58-14:50，最高溫度出現(xiàn)時間為15:16-16:00)。這可能是由于在冠層溫度和地表溫度日變化過程中，暖型花生的冠層溫度和地表溫度比冷型花生上升更快，尤其是在生育后期表現(xiàn)更為明顯，當暖型花生達到最大值時，冷型花生依然處于上升階段，這導致了冠層溫度和地表溫度達到最大值之前2種溫度型花生的差異達到最大。

前人研究表明，小麥第二熱源對冠層溫度具有重要影響，是決定冠層溫度的最主要的外在因素[19,21,23]。本研究結(jié)果顯示，花生結(jié)莢期和飽果期冠層溫度與地表溫度均存在極顯著(P<0.01)的正相關關系，進一步的通徑分析表明，地表溫度對花生冠層溫度日變化的直接作用最大，說明地表溫度確實是影響冠層溫度日變化的主要因素。本研究還發(fā)現(xiàn)，各冠層光照度對冠層溫度日變化存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的影響，尤其是冠層光照度在飽果期對冠層溫度日變化的影響很大(較大的直接或間接通徑系數(shù))，而1/2株高層和0.02 m株高層光照度對冠層溫度日變化的直接影響較小，二者通過地表溫度和冠層光照度的間接作用遠遠大于直接作用，并使得總作用的方向與直接作用相反，這些進一步說明了地表溫度對冠層溫度日變化影響的重要性，而到了飽果期，冠層光照度的變化和地表溫度一樣，對冠層溫度日變化十分重要。

影響作物冠層溫度的因素是復雜的，包括外在和內(nèi)在的多個方面以及各方面的相互作用。到目前為止，即便是研究最為廣泛和深入的小麥，冠層溫度的影響因素依然沒有完全清楚。本研究僅以花生一種作物為試驗材料，從冠層溫度日變化的角度，探索了地表溫度以及各層光照度對冠層溫度的影響，所得結(jié)果不可避免地具有一定的局限性和片面性。對于花生來說，其冠層溫度成因的研究才僅僅是個開始，還有眾多因素如生理性狀、農(nóng)藝性狀、管理措施、環(huán)境脅迫等，均需要進一步研究。

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Relationships between diurnal changes of peanut canopy temperature and surface temperature and illuminance

REN Xue-min1a,ZHU Ya1b,WANG Xiao-li1a,WANG Chang-fa2

(1 aSchoolofLifeScienceandTechnology,bLibrary,NanyangNormalUniversity,Nanyang,Henan473061,China；2CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study aimed to reveal the mechanism of canopy temperature differences in different genotype peanut varieties by investigating the characteristics of diurnal changes in peanut canopy temperature and the relationships with surface temperature and illuminance.【Method】 Diurnal changes (06:00-18:00,every 2 h) in peanut canopy temperature and surface temperature were determined with an infrared radiation thermometer,and canopy illuminance,illuminance of 1/2 plant height layer,and illuminance of 0.02 m plant height layer were measured by an illuminometer at both pod setting stage and filling stage.【Result】 Significant differences in canopy temperatures of different peanut genotypes were found.Temperatures of warm-type peanut varieties with high canopy temperature were continuously high,those of cold-type peanut varieties with low canopy temperature were continuously low,and the differences were larger at late growth stage.Diurnal changes of canopy temperature and surface temperature of different temperature-type peanuts were well fitted by cubic polynomials,and diurnal changes of various layers were well fitted with quadratic polynomials.There were significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) positive relationships between diurnal changes of peanut canopy temperature and surface temperature and illuminance of each layer.However,at different growth stages,the effects of various factors on diurnal changes of canopy temperature were different:At pod setting stage,surface temperature>illuminance at 1/2 plant height layer>illuminance at 0.02 m plant height layer>canopy illuminance,while at pod filling stage,surface temperature>canopy illuninance>illuminance at 1/2 plant height layer>illuminance at 0.02 m plant height layer.【Conclusion】 Diurnal changes of peanut canopy temperature were closely associated with surface temperature,and canopy illuminance also played an important role at late growth stage.

peanut;canopy temperature;surface temperature;illuminance;diurnal change

2013-09-06

河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(14A210014)；南陽師范學院博士科研啟動項目；南陽師范學院大學生實踐教學活動創(chuàng)新項目(ZB-2013-220)；國家自然科學基金項目(30370859)

任學敏(1982-)，男，河南周口人，講師，博士，主要從事作物栽培生理研究。E-mail:renxuemin2520@126.com

時間:2014-12-12 09:30

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.003

S565.201

A

1671-9387(2015)01-0077-08

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.003.html