基于模型的長江中下游一季稻安全齊穗期推算

徐莎莎+楊沈斌+石春林+陳德+于庚康+高蘋

摘要：長江中下游稻區(qū)一季稻在抽穗開花期時常遭受低溫冷害，因此確定一季稻安全齊穗期對于優(yōu)化農(nóng)事活動安排和降低災害影響具有重要意義。在已有水稻安全齊穗期指標的研究基礎上，擬結合水稻障礙型冷害損失評估模型，以長江中下游一季稻為例，通過模擬推算1981—2014年逐年水稻空殼率，并以多年80%保證率下超過生理空殼率的起始日期作為水稻安全齊穗期的確立依據(jù)，獲得4種不同耐寒性水稻安全齊穗期的空間分布。結果顯示，耐寒性最弱的秈稻安全齊穗期平均在8月30日，耐寒性較弱的粳稻為9月10日，耐寒性較強的粳稻為9月12日，耐寒性強的粳稻則為9月20日。模型推算的安全齊穗期普遍早于傳統(tǒng)安全齊穗期指標的推算結果，平均約為14 d；相差最小的是耐寒性強的粳稻，模型推算約提前7 d，相差最大的是耐寒性最弱的秈稻，模型推算約提前23 d。由結果可見，從溫度、空殼率2個方面約束水稻安全齊穗期，比僅從溫度角度確定的安全齊穗期更有利于降低抽穗開花期遭遇障礙型冷害的風險，為研究區(qū)一季稻安全生產(chǎn)和農(nóng)事活動安排提供了重要的參考。

關鍵詞：水稻；障礙型冷害；農(nóng)業(yè)氣象災害；農(nóng)事活動；耐寒性品種；安全齊穗期；推算

中圖分類號： S11+4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0047-05

水稻是我國第一大糧食作物，其安全生產(chǎn)關系到國計民生的穩(wěn)定[1]。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》公布的數(shù)據(jù)，2014年我國水稻種植面積3 031萬hm2，占糧食種植總面積的26.9%，總產(chǎn)量20 650.7萬t，約占全國糧食總產(chǎn)量的34%。長江中下游稻區(qū)是我國主要的水稻種植區(qū)之一，該稻區(qū)河網(wǎng)縱橫、土壤肥沃，以一季稻種植為主，主要分布在長江流域北部、江淮之間的平原和丘陵地區(qū)。盡管該稻區(qū)水稻生長季光溫水條件富足，但在水稻抽穗開花期間（8月中旬至9月中旬），時常發(fā)生低溫冷害、連陰雨等不利氣象災害，嚴重影響了水稻的安全生產(chǎn)，并導致一定范圍的減產(chǎn)[2-5]。因此，研究水稻安全齊穗期對于改善農(nóng)事活動安排、趨利避害、降低低溫等不利溫度環(huán)境的影響具有重要意義。

水稻安全齊穗期對指導水稻農(nóng)事活動具有重要的作用，但與其相關的研究有限。1961年，丁穎以開花期連續(xù)數(shù)天日平均氣溫低于20 ℃、日最高溫度低于23 ℃作為花粉受精率降低的依據(jù)，計算出一些代表性地區(qū)的水稻安全齊穗期：徐州市9月5—10日（粳），南京市9月10—15日（粳），蘇州市9月10—15日（秈），杭州市9月15—20日（粳），武漢市9月15—20日（秈）等[6]。隨后，莫惠棟根據(jù)溫度和授粉受精的關系，提出了江蘇省水稻安全齊穗期的下限溫度指標，但認為該指標因品種耐低溫能力的不同有一定差別[7]。高亮之等則提出了耐寒力較弱的粳稻品種、耐寒力較強的粳稻品種安全齊穗期的溫度指標和日期的劃定，并在長江中下游稻區(qū)得到了推廣和廣泛的應用[8]。近年來，段斌等研究了河南南部地區(qū)1951—2010年8—9月的日平均氣溫，以連續(xù)3 d日平均氣溫不低于20 ℃作為豫南粳稻安全齊穗期的指標，并確定了在80%保證率下的安全齊穗期為9月6日[9]。張祖建等則根據(jù)高亮之等提出的溫度指標[8]，研究了1958—2007年江蘇省由北至南不同地區(qū)近50年來耐寒性較強、較弱的2類粳稻的安全齊穗期及其變化趨勢，確定在50%、80%、90%保證率下的安全齊穗日期，并發(fā)現(xiàn)后25年較前25年的安全齊穗期普遍推遲3～4 d，且后25年各地的齊穗期的變異明顯增大[10]。類似研究還見于李世峰等的報道[11]。

上述研究顯示，安全齊穗期的確定均采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)氣象指標形式，即從溫度、不利天氣過程的持續(xù)時間來確定。然而，這類指標未反映不利氣象要素對作物的實際作用。因此，本研究嘗試采用馬樹慶等關于水稻障礙型冷害損失評估模型[12]，從溫度、水稻空殼率2個方面來推算水稻安全齊穗期，并在1981—2014年的模擬結果上，采用80%保證率下的安全齊穗期作為水稻安全齊穗期的確立依據(jù)；同時，本研究還模擬不同耐寒性水稻的安全齊穗期，所得結果將為水稻安全生產(chǎn)和改進農(nóng)事活動安排提供重要的參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

長江中下游稻區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，水網(wǎng)密集，有利于一季稻的種植和生產(chǎn)。該稻區(qū)年平均有效積溫在4 500～6 500 ℃，水稻生長季降水量700～1 300 mm，日照時間1 300～1 500 h。根據(jù)我國水稻種植區(qū)劃[13]，長江中下游稻區(qū)劃分為2類，一類是覆蓋安徽省和江蘇省北部的華北單季稻稻作區(qū)；另一類是覆蓋湖北省、江西省、浙江省和湖南省大部分地區(qū)的華中單雙季稻稻作區(qū)。然而，隨著種植結構的調(diào)整和勞動力轉(zhuǎn)移，近15年來，該稻區(qū)逐步形成了以一季稻為主的種植格局。據(jù)統(tǒng)計，該研究區(qū)一季稻生長季從5月中旬開始至10月下旬，約140～170 d，其中抽穗開花期在8月中旬至9月中旬，時常遭遇障礙型低溫冷害的影響。由于秈稻品種耐寒性較弱，主要種植分布在長江以南的丘陵和平原地區(qū)，而粳稻品種主要分布在江蘇省大部分地區(qū)、安徽省中北部和浙江省北部地區(qū)。

1.2氣象數(shù)據(jù)

從中國氣象局獲取本研究區(qū)1981—2014年逐日氣象觀測資料，包括日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數(shù)、降水量、風速和水汽壓。采用常規(guī)氣候統(tǒng)計方法對氣象數(shù)據(jù)進行缺測訂正和整理。

1.3水稻生育期資料

本研究獲取了江蘇省、安徽省、湖北省和浙江省23個農(nóng)業(yè)氣象試驗站1981—2014年一季稻生育期觀測數(shù)據(jù)，包括播種期、出苗期、移栽期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期。由于缺少江西省、湖南省和上海市一季稻種植和生產(chǎn)觀測數(shù)據(jù)，因此，本研究采用模型推算江蘇省、安徽省、湖北省和浙江省的水稻安全齊穗期，并與這4個省份的觀測資料進行比較和分析。

1.4安全齊穗期的溫度指標

高亮之等提出了適用于研究區(qū)的4種不同耐寒性水稻的安全齊穗期指標，分別為（1）針對耐寒性最弱的秈稻，安全齊穗指標為日平均氣溫穩(wěn)定在22 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)3 d平均氣溫低于22 ℃的天氣；（2）針對耐寒性較弱的粳稻，安全齊穗指標為日平均氣溫穩(wěn)定在20 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)3 d平均氣溫低于20 ℃的天氣；（3）針對耐寒性較強的粳稻，安全齊穗指標為日平均氣溫穩(wěn)定在20 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)4 d平均氣溫低于20 ℃的天氣；（4）針對耐寒性強的粳稻，安全齊穗指標為日平均氣溫穩(wěn)定在20 ℃以上，不連續(xù)出現(xiàn)4 d平均氣溫低于19 ℃的天氣[8]。

1.5水稻障礙型冷害損失評估模型

馬樹慶等根據(jù)東北一季稻區(qū)水稻障礙型冷害的影響，提出了障礙型冷害的損失評估模型。該模型從逐日冷積溫與日空殼率的關系著手，構建了冷積溫對日空殼率的影響方程；同時考慮了研究區(qū)域內(nèi)穗發(fā)育階段對低溫的敏感性及敏感期長，模擬敏感期內(nèi)的逐日空殼率；最后通過累積求和，推算得出障礙型冷害影響下的總空殼率[12]。

在本模型中采用日冷積溫與日空殼率的關系計算每日不育率，其中，第j日內(nèi)冷積溫的公式：

式中：Ti為某時氣溫，℃；i為小時時序；t為時間，h；h1、h2分別為低于臨界氣溫（T0）的起、止時間；T0為水稻生殖生長受到冷害影響的臨界氣溫，與所處時期及品種抗寒性有一定關系。在本研究中，T0選擇20、22 ℃，分別代表粳稻、秈稻品種。

由于日冷積溫的計算需要逐小時溫度數(shù)據(jù)，因此結合每日最高溫度和最低溫度觀測數(shù)據(jù)，運用如下公式推算小時氣溫：

式中：Tmin、Tmax分別為某日最低溫度、最高溫度，℃；Ti為第i小時的溫度，℃。

模型中日內(nèi)空殼率與日內(nèi)冷積溫的關系：

式中：a、b為方程系數(shù)，分別取1.35、0.010 2；Xj為j日內(nèi)產(chǎn)生的空殼數(shù)占該日處于低溫敏感期的稻穎應形成的總粒數(shù)的比例，%。當Wj=0時，Xj=5%，即為默認的研究區(qū)一季稻生理空殼率為5%。

由于氣象環(huán)境、田間管理和水稻品種存在空間差異，因此，水稻的生長和發(fā)育情況具有明顯的局地性?？紤]到區(qū)域內(nèi)水稻進入關鍵生長期的時間存在差別，因此，每天處于生殖生長敏感期的水稻數(shù)量是不同的，當同時遭受低溫災害時，區(qū)域內(nèi)各稻田水稻生長的反應也不同。在生殖生長期內(nèi)，假定每天進入低溫敏感期的稻穎占總數(shù)的比例（Pj）隨時間的變化呈現(xiàn)開始低、中期高、末期低的變化規(guī)律，其中高峰期略有偏前，呈現(xiàn)準正態(tài)分布特性。為此，引入敏感期長度n、高峰系數(shù)d 2個參數(shù)，采用式（4）、式（5）模擬進入敏感期稻穎數(shù)量的累積概率Fj，計算公式如下：

式中：j為水稻進入敏感期的日序；n代表敏感期長度，在一般情況下，從孕穗初期到揚花期，鄉(xiāng)級n為15～20 d，縣級為 20～25 d，地區(qū)級為25～30 d，在本研究中，n取20 d；d為敏感高峰期系數(shù)，即高峰期日序與n的比值，一般d取0.4[12]；Z為中間變量。因此，區(qū)域的Fj值除取決于日序j外，還因n、d而有所變化，能有效地反映實際低溫影響的情況。

在此情況下，某日水稻處于敏感期的稻穎數(shù)量占總體的比例Pj計算公式：

）

則每日空殼數(shù)占總空殼數(shù)的比例Hj計算公式：

式中：Qj=Xj-X0，為由低溫導致的逐日空殼率。

最后，由敏感期內(nèi)低溫造成的空殼率Sr計算公式：

1.6安全齊穗期推算方法

假設水稻穗發(fā)育階段僅受障礙型冷害的作用，因此，空殼率的大小能夠從側(cè)面反映冷害過程的影響?？紤]到研究區(qū)氣候特征的空間差異，須要根據(jù)每個農(nóng)業(yè)氣象站觀測的多年水稻抽穗期，以多年平均抽穗時間向前30 d、向后50 d，即共 80 d 作為研究時段，模擬每年研究時段內(nèi)任何1 d作為敏感期起始時間下的水稻空殼率。然后從每年模擬的80個水稻空殼率序列中找出達到生理空殼率的日期。由于5%的空殼率被認為是生理空殼率，因此確定達到5%的日期為該年安全齊穗期。最后，依次計算1981—2014年各站水稻安全齊穗期，并以80%保證率的安全齊穗期作為各站的安全齊穗期。

考慮到水稻品種低溫耐寒性的差異，對模型中的臨界溫度T0、敏感期長度n和敏感高峰期系數(shù)d進行調(diào)整，形成4類水稻的模擬參數(shù)組合，如表1所示。對于耐寒性強的粳稻，T0設定為18 ℃；敏感期長度n越長則表明水稻生殖生長階段對低溫越敏感；d則用于反映敏感高峰期偏前的程度，該值越小，表示相同低溫環(huán)境下，敏感階段前期受低溫影響越大。

2結果與分析

2.1基于溫度指標的安全齊穗期

利用上述4類不同低溫耐寒性水稻的安全齊穗期指標，計算研究區(qū)所有氣象站1981—2014年逐年安全齊穗期和80%保證率下的安全齊穗期。從圖1可以看出，4類水稻安全齊穗期主要呈現(xiàn)隨緯度增加而提前的變化態(tài)勢，研究區(qū)安全齊穗期出現(xiàn)在235至295 d，空間上差異最大在60 d左右。其中，在江蘇省中北部、江西省鄱陽湖區(qū)域、湖南省中東部以及湖北省西部有明顯的提前，這與局地氣候有密切關系，如湖北省西部、湖南省中東部區(qū)域為海拔較高的地方，一季稻抽穗期間熱量水平較周邊要低，因此，這些地區(qū)的安全齊穗期大多早于270 d，約在9月中上旬。4類不同耐寒性水稻安全齊穗期的空間差異不明顯，如江蘇省耐寒性最弱的秈稻的平均安全齊穗期在9月24日，耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期在9月28日；安徽省耐寒性最弱的秈稻的平均安全齊穗期在9月26日，耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期在9月29日；浙江省耐寒性最弱的秈稻的平均安全齊穗期在10月6日，耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期在10月11日；湖北省耐寒性最弱的秈稻的平均安全齊穗期在9月21日，耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期在9月27日；湖南省耐寒性最弱的秈稻的平均安全齊穗期在9月29日，耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期在10月4日（圖1）。可見耐寒性最弱秈稻與耐寒性強的粳稻的平均安全齊穗期最大相差7 d，這表明現(xiàn)有指標在區(qū)分不同耐寒性水稻安全齊穗期上的差異不夠明顯。

隨著近30年氣溫逐年升高，4類不同耐寒性水稻安全齊穗期均呈現(xiàn)出推后的變化趨勢（圖2）。隨著研究區(qū)氣溫的逐年升高，一季稻抽穗開花期低溫冷害的強度在減弱，使得安全齊穗期呈現(xiàn)不同程度的推后；根據(jù)統(tǒng)計，興化、壽縣站點每10年安全齊穗期向后推遲約2.7 d，湖州站點每10年向后推遲7.5 d，荊州站點每10年向后推遲3.9 d。由此可以看出，為了確定一季稻的適宜播期，安全齊穗期的決策作用在逐步降低。

2.2基于模型推算的安全齊穗期

由于缺乏江西省、湖南省、上海市的一季稻抽穗期觀測數(shù)據(jù)，本研究僅模擬和分析了江蘇省、安徽省、湖北省和浙江省4省的一季稻安全齊穗期。從圖3可以看出，模型推算的80%保證率下的安全齊穗期在空間上總體呈現(xiàn)南北向的變化態(tài)勢，隨著緯度增加，安全齊穗期提前；然而，在湖北省海拔較高的山區(qū)，安全齊穗期較平原和沿海大部分地區(qū)要提前，這主要是由于熱量條件在海拔上和緯度上的差異造成的；從耐寒性最弱的秈稻看，安全齊穗期變化在225～260 d，平均為 242 d，即8月14日至9月18日之間，其中最早進入安全齊穗期的主要在湖北省西部山區(qū)，多集中在8月中下旬；對于耐寒性較弱的粳稻，安全齊穗期變化在231～264 d，平均為 253 d，即8月20日至9月22日之間，最晚進入安全齊穗期的主要在湖北省中南部和蘇皖南部及浙江全??；耐寒性較強的粳稻進入安全齊穗期的時間與耐寒性較弱的粳稻大體相似，差異在2 d左右；對于耐寒性強的粳稻，安全齊穗期變化在234～276 d，平均為263 d，即在8月23日至10月4日，平均在9月20日。

從圖4可以看出，4個站點推算的水稻安全齊穗期只有興化站點表現(xiàn)出隨年份增加而逐漸推遲的趨勢。根據(jù)推算，興化站點水稻安全齊穗期平均每10年推后約1.8 d，而壽縣站點平均每10年提前0.2 d，幾乎保持不變，荊州站點平均每10年提前3.2 d，湖州站點平均每10年提前3.1 d。綜合比較可見，安全齊穗期年際波動較大，如安徽省壽縣站點的年際波動平均達到10 d，表明安全齊穗期隨各年的熱量條件差異變化明顯。

2.3安全齊穗期的比較

將基于溫度指標獲得的一季稻安全齊穗期與模型推算得出的結果進行比較，從圖5可以看出，兩者存在一定的差異。盡管安全齊穗期的空間變化大體一致，且相關性較好，但安全齊穗期之間差別為-36～8 d。從圖6可以看出，誤差最小的為耐寒性強粳稻的安全齊穗期，平均誤差在7 d，模型推算的結果較現(xiàn)有指標計算的結果提前約1周。誤差最大的為耐寒性最弱秈稻，模型推算的結果較現(xiàn)有指標計算的結果提前較多，平均誤差達到23 d，表明模型推算的安全齊穗期普遍早于現(xiàn)有指標所得結果。根據(jù)分析可知，現(xiàn)有指標是根據(jù)水稻抽穗開花的溫度要求去約束安全齊穗期的，而模型是從溫度、空殼率2個方面共同去約束安全齊穗期的，因此，在安全齊穗期的確定上，模型推算的結果更能夠保障水稻的安全出穗和安全生產(chǎn)。

3討論

用水稻障礙型冷害損失評估模型推算水稻空殼率，其準確性不但依賴于與溫度有關的參數(shù)和方程，還與影響穗發(fā)育的敏感期長度、特征系數(shù)有關。針對粳稻和秈稻耐寒性的差別，本研究分別設立了各耐寒性水稻品種的臨界溫度（T0），所選的閾值參考了高亮之等的研究結果[14-16]，適用于研究區(qū)水稻品種抗寒性的普遍特征。對于敏感期長度，該參數(shù)值的確定須要依據(jù)研究區(qū)水稻生產(chǎn)的實際情況，包括品種特性、氣候差異和栽培方式等，由于研究區(qū)一季稻生長季集中在8月中旬到9月中旬，因此，選擇n=20 d可能是造成部分區(qū)域安全齊穗期推算結果與實際普遍抽穗期差異較大的原因，即高估了冷害的不利作用，導致設定的敏感期偏長。

另外，多個研究顯示，近20年的安全齊穗期較20世紀90年代之前有推遲的趨勢[17-19]，這與本研究結果一致，表明在氣候變暖的背景下，水稻安全齊穗期將發(fā)生一定的變化。然而，隨著水稻品種改良和逐步適應新氣候環(huán)境，傳統(tǒng)的基于溫度的安全齊穗期指標亟待調(diào)整和修訂，以適應水稻品種的變化和農(nóng)事管理措施的優(yōu)化。因此，結合模型的方法，采用優(yōu)化算法對模型中涉及到的溫度指標進行優(yōu)化和調(diào)整，使模型能夠更好地適用于氣候變化下的水稻生產(chǎn)。

值得提出的是，本研究假設水稻穗發(fā)育期僅受到低溫冷害的作用，但在實際生產(chǎn)過程中，該階段高溫熱害和連陰雨等不利氣象條件同樣會提高水稻空殼率。因此，本研究提出的安全齊穗期推算方法，在實際應用中還須要結合各地區(qū)的冷害發(fā)生規(guī)律，即對低溫冷害的頻率、影響程度和相對其他災害的影響范圍進行分析，以確定該模型在各地區(qū)的適用性。

4結論

與傳統(tǒng)的水稻安全齊穗期指標不同，基于水稻障礙型冷害損失評估模型推算的研究區(qū)水稻安全齊穗期，從溫度、空殼率2個方面約束安全齊穗期，不但體現(xiàn)了環(huán)境溫度的作用，還反映了不利低溫環(huán)境對產(chǎn)量要素的影響，獲得的推算結果對指導農(nóng)事活動具有重要意義。從研究結果可以看出，在80%保證率下，研究區(qū)水稻品種安全齊穗期集中在8月中旬到9月中下旬，與實際觀測的抽穗期時間分布大體一致，其中耐寒性較強和強的水稻品種的安全齊穗期推算結果好于耐寒性較弱或弱的水稻品種。由此可見，盡管研究區(qū)光溫水條件富足，但為了保障水稻安全生產(chǎn)，種植耐寒性較強和強的水稻品種有利于最大程度地降低障礙型冷害的影響。

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