湖北省秈、粳型水稻生長(zhǎng)模擬及其應(yīng)用

陳琳琳，年飛翔，江洋

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070

水稻(OryzasativaL.)是世界主要農(nóng)作物之一，也是我國(guó)主要的糧食作物。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，稻米的消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，人們對(duì)稻米品質(zhì)有了更高的要求，粳米的消費(fèi)需求逐年增加[1]。秈稻和粳稻都是栽培稻亞種，其中秈稻是從野生稻進(jìn)化而來(lái)的基本型，適應(yīng)于低海拔、低緯度的地區(qū)，耐寒性較差；而粳稻是由秈稻在人工選擇下演化而來(lái)，適應(yīng)于高緯度、高海拔地區(qū)，耐寒性較強(qiáng)，稻米的口感較秈稻好[2-4]。隨著農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)的提高，粳稻種植地區(qū)不斷擴(kuò)大，近年來(lái)江蘇省“秈改粳”工程的成功落實(shí)，為其他同緯度地區(qū)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。粳稻良好的稻米品質(zhì)使得其市場(chǎng)需求增加。湖北省光溫資源豐富，基本滿足粳稻種植需求，“秈改粳”工程已納入政府規(guī)劃中，并已在播期和種植模式上進(jìn)行了逐步探索[5-6]。然而，目前在探索適宜湖北省種植的粳稻品種及其栽培模式上仍然進(jìn)度緩慢。

水稻的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程受到光照、溫度等自然氣候以及栽培環(huán)境等多種因素的綜合影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻生長(zhǎng)的模擬也主要從氣象、栽培以及水肥等方面對(duì)水稻植株生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬[7-11]，但不同的模型各有優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的需求采用相應(yīng)模型。水稻生長(zhǎng)模型最早起始于20世紀(jì)70年代，多年來(lái)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員的發(fā)展和優(yōu)化，目前CERES-Rice、ORYZA2000、RCSODS等模型較為成熟。其中，CERSE-Rice用于模擬水稻水分、肥料以及水稻生長(zhǎng)，囊括了水肥資源和生長(zhǎng)環(huán)境等重要指標(biāo)[9]；ORYZA2000對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、旱稻生長(zhǎng)的水分平衡等能夠較好模擬[10]。RCSODS模型結(jié)合了水稻的生長(zhǎng)特性，通過(guò)感溫性、感光性和臨界日長(zhǎng)等對(duì)干物質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行模擬[11]。結(jié)合上述模型的優(yōu)勢(shì)，本研究采用湖北省武穴市和棗陽(yáng)市的氣象數(shù)據(jù)，以及秈稻和粳稻對(duì)光溫響應(yīng)的遺傳特性，模擬了不同品種水稻的生育期、光合產(chǎn)量和呼吸消耗、生物量積累及分配等子模型，并將各個(gè)子模型進(jìn)行耦合，最終模擬了湖北省不同播期下的產(chǎn)量。本研究通過(guò)湖北省各試點(diǎn)的光溫資源對(duì)不同播期下的產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并初步預(yù)測(cè)各試點(diǎn)下獲得高產(chǎn)的適宜播期，旨在為湖北省“秈改粳”工程提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心和湖北省氣象局。水稻試驗(yàn)數(shù)據(jù)源于湖北省黃岡市武穴市和湖北省襄陽(yáng)市棗陽(yáng)市田間試驗(yàn)，包括：生育期、光合作用速率、生物量、葉傾角及產(chǎn)量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)品種為秈型雜交稻揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)(YLY6)、常規(guī)秈稻黃華占(HHZ)、常規(guī)粳稻南粳9108(NG9108)、秈粳雜交稻甬優(yōu)4949(YY4949)。試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，其中播期為主區(qū)，品種為副區(qū)，小區(qū)面積為20 m2，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，秧苗在4.5葉秧齡進(jìn)行移栽。水稻田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)田。

1.2 模型模擬

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際大田種植經(jīng)驗(yàn)，確定了模擬時(shí)初始值或初始范圍，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在C#程序中用Levenberg-Marquardt算法[12]對(duì)模型的初始參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將模擬值和實(shí)測(cè)值的殘差平方和降至最低，從而得到相應(yīng)的模擬值。采用均方根誤差(root mean squared error，RMSE)以及相對(duì)均方根誤差(RRMSE)對(duì)模擬值與觀測(cè)值之間的符合度進(jìn)行分析，并采用1∶1關(guān)系圖對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值之間的擬合度進(jìn)行比較。其中，RMSE或RRMSE值越小，表明模擬值越能反映實(shí)際情況，擬合結(jié)果越可靠。

1)生育期模擬。生育期模擬在孟亞利等[13]的研究基礎(chǔ)上，對(duì)每日相對(duì)光周期效應(yīng)(relative photoperiodic effectiveness，Pe)進(jìn)行擬合，改進(jìn)后的函數(shù)圖像呈∽形，更能體現(xiàn)水稻作為短日照作物對(duì)光照長(zhǎng)度的感應(yīng)。改進(jìn)函數(shù)式如下：

(1)

式(1)中，D1為實(shí)際光照時(shí)間，數(shù)值用天文可照時(shí)數(shù)代替，可由地面氣象觀測(cè)規(guī)范中氣象輻射觀測(cè)公式計(jì)算得出[14]；D2最適光照長(zhǎng)度，Ps為品種的光周期敏感性，反映水稻對(duì)日照長(zhǎng)度的敏感程度。

每日相對(duì)熱效應(yīng)(relative thermal effectiveness，Te)和每日生理效應(yīng)(daily physiological effectiveness，Dp)的計(jì)算參考孟亞利等[13]方法。

2)光合作用和干物質(zhì)積累模擬。光合產(chǎn)物積累模擬是通過(guò)研究植物的光合特性，通過(guò)模擬水稻光合速率及其對(duì)光合有效輻射的利用效率，計(jì)算水稻的光合產(chǎn)物積累[15]。結(jié)合水稻呼吸作用消耗，最終得出干物質(zhì)積累量。

水稻光合作用、呼吸作用及干物質(zhì)積累參考前人的計(jì)算方法[16]，其中，水稻冠層的光合作用采用高斯積分法[17-18]模擬得出。水稻從播種至成熟時(shí)的每日生物量積累量(daily biomass accumulation)總和，即為水稻的干物質(zhì)積累總量。

3)干物質(zhì)分配和產(chǎn)量模擬。

①干物質(zhì)分配模擬。本研究側(cè)重于水稻產(chǎn)量的干物質(zhì)分配，需先計(jì)算出稻穗干物質(zhì)分配量。擬用分配指數(shù)法模擬。

②穗干物質(zhì)分配指數(shù)(partition index of panicle，Pi)隨生理發(fā)育時(shí)間(physiological development time，Pd)的變化公式如下：

(2)

式(2)中，Hi表示水稻穗干物質(zhì)占總生物量的比例，稱為潛在分配指數(shù)；p1、p2為模型參數(shù)；13為水稻幼穗分化始期的Pd，57則為成熟期的Pd。

③產(chǎn)量模擬。在理想情況下，水稻成熟期產(chǎn)量的模擬通過(guò)水稻穗部干物質(zhì)分配、水稻干物質(zhì)積累等模型耦合得出，因此，產(chǎn)量計(jì)算公式如下：

(3)

其中，Ym為稻谷模擬產(chǎn)量，Wd為成熟時(shí)稻谷干質(zhì)量，其占穗干物質(zhì)質(zhì)量的比例約為0.87[19]；稻谷干質(zhì)量的含水量記為0.14。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)的確定

1)生育期模型。結(jié)合水稻生理特性和相關(guān)文獻(xiàn)，將4個(gè)品種的生育期模型參數(shù)中最低溫度、最適溫度、最高溫度和臨界光長(zhǎng)確定如表1[14,20-22]。利用各品種的遺傳特性參數(shù)，包括溫敏參數(shù)(Ts)、光敏參數(shù)(Ps)、基本早熟參數(shù)(Ie)、基本灌漿參數(shù)(Fp)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究[14,20,23]確定初值，并通過(guò)C#編程的Levenberg-Marquardt法優(yōu)化參數(shù)(表1)。

2)干物質(zhì)分配模型。本研究中，雜交水稻的潛在分配指數(shù)(Hi)均高于常規(guī)水稻品種，表明雜交水稻產(chǎn)量較高的原因之一是其穗部干物質(zhì)占總干物質(zhì)量的比重較高。其中，常規(guī)粳稻南粳9018的Hi遠(yuǎn)低于其他品種，僅為雜交秈稻揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)的70%(表2)。

表1 湖北省秈粳稻生育期模型參數(shù) Table 1 The parameters of growth period of indica rice and japonica rice in Hubei Province

表2 穗干物質(zhì)分配模型參數(shù) Table 2 The parameters of panicle dry matter partition index of model

2.2 模型擬合結(jié)果

1)生育期模擬。利用黃華占品種在湖北省武穴市抽穗期和成熟期的觀測(cè)值對(duì)生育期模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：不同播期的黃華占抽穗期和成熟期的模擬值與觀測(cè)值基本一致(圖1)，且生理發(fā)育期的模擬誤差在2個(gè)生理日以內(nèi)，表明擬合效果較好。

圖1 水稻品種黃華占抽穗期和成熟期的觀測(cè)值與模擬值的比較Fig.1 Compared of the period of heading and maturity of observed and simulated for rice variety of Huanghuazhan

2)干物質(zhì)積累模擬。對(duì)湖北省武穴市和棗陽(yáng)市不同品種各播期下的穗干物質(zhì)量的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，實(shí)測(cè)值和模擬值均在1∶1直線附近(圖2)。另外，各品種擬合的決定系數(shù)R2除甬優(yōu)4949外，均大于0.90，表明模型可以較好地模擬穗干物質(zhì)積累的實(shí)際狀況。

圖2 不同水稻品種穗干物質(zhì)實(shí)測(cè)值和模擬值的比較Fig.2 Compared of panicle dry matter measured and simulatedfor different varieties

3)產(chǎn)量模擬。圖3為湖北省武穴市2015年的實(shí)際產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量的1∶1關(guān)系圖，不同品種在各播期下的實(shí)際產(chǎn)量與模擬產(chǎn)量的相對(duì)均方根誤差(RRMSE)為11.4%，模擬結(jié)果具有一定的可信度。但由于在生育期等子模型中，均未考慮農(nóng)田管理操作及水分、肥料及病蟲害對(duì)不同品種產(chǎn)量的最終影響，模型對(duì)黃華占、甬優(yōu)4949的擬合效果較好，對(duì)南粳9108和揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)的擬合效果較差。

2.3 模型應(yīng)用

為確保各品種在湖北全省范圍內(nèi)能夠安全齊穗，本研究從3月26日至7月14日，設(shè)置了12個(gè)播期，并模擬了4個(gè)品種在不同播期的產(chǎn)量。圖4為湖北省荊州市不同品種的產(chǎn)量模擬，結(jié)果顯示，黃華占和揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)的產(chǎn)量變化規(guī)律相似，而南粳9108和甬優(yōu)4949的產(chǎn)量變化規(guī)律相似；作為常規(guī)品種，黃華占和南粳9108的產(chǎn)量在不同播期間的變化差異較小，產(chǎn)量也較低；而揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)和甬優(yōu)4949的產(chǎn)量及播期間產(chǎn)量差異均較大。

圖3 水稻不同品種實(shí)際產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量的比較Fig.3 Compared of measured yield and simulated yield in different varieties

將不同品種的產(chǎn)量結(jié)合其對(duì)溫度、光照的敏感性分析可知，黃華占、揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)的溫度敏感參數(shù)均大于0.8，在5月5日至5月25日的播期下，在抽穗揚(yáng)花期易受到高溫影響，產(chǎn)量會(huì)下降，而南粳9108的溫敏參數(shù)僅為0.11，光敏參數(shù)較高，在本研究所設(shè)置的播期下，模擬產(chǎn)量的變化趨勢(shì)為先上升后下降，受生育期影響較大。因此，對(duì)試驗(yàn)水稻品種在各個(gè)播期下的產(chǎn)量模擬可知，光敏性強(qiáng)的品種在湖北省各地推廣時(shí)，需要考慮其生育期隨光照縮短的變化，確保其獲得高產(chǎn)；而對(duì)于溫敏性強(qiáng)的水稻品種，在選擇播期時(shí)需要避開重要生育期的高溫影響，從而提高產(chǎn)量。結(jié)合湖北各試點(diǎn)生產(chǎn)實(shí)際本研究初步確定了湖北省各試點(diǎn)水稻的適宜播期(表3)。

圖4 湖北省荊州市不同播期的產(chǎn)量模擬Fig.4 Simulated yield in different sowing periods in Jingzhou City,Hubei Province

表3 湖北省各試點(diǎn)的水稻適宜播期 Table 3 Suitable sowing date of different varieties rice in different pilot site in Hubei Province

3 討 論

本研究以生理發(fā)育時(shí)間恒定原理對(duì)4個(gè)典型秈稻、粳稻品種的生理特性及光照、溫度敏感性、基本早熟性、基本灌漿因子等參數(shù)進(jìn)行擬合，并對(duì)水稻抽穗期及成熟期的生理發(fā)育日期進(jìn)行模擬，誤差在2個(gè)生理發(fā)育日內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)研究，確定了水稻穗部干物質(zhì)分配模型參數(shù),各品種的擬合決定系數(shù)R2除甬優(yōu)4949外，均大于0.90。并利用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)算法，將各個(gè)子模型進(jìn)行耦合，對(duì)水稻產(chǎn)量進(jìn)行模擬，實(shí)際產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量的總RRMSE為11.4%，模擬結(jié)果較理想。此外，本研究采用“∽型”函數(shù)擬合每日光周期效應(yīng)，反映水稻對(duì)短日照的響應(yīng)。

本研究以國(guó)內(nèi)外成熟水稻模型為參考，在前人研究[7-11]的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖北省當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，對(duì)湖北省各試點(diǎn)的秈稻和粳稻在不同播期的產(chǎn)量進(jìn)行模擬，并在考慮當(dāng)?shù)胤N植特點(diǎn)及水稻安全成熟的前提下，為湖北省各試點(diǎn)提供了粳稻獲得高產(chǎn)的適宜播期。從本研究模型模擬的產(chǎn)量結(jié)果來(lái)看，粳稻品種在湖北省有較好的適應(yīng)性，尤其是秈粳雜交稻品種具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，且湖北省大部分生態(tài)區(qū)域內(nèi)光溫資源均可以滿足粳稻的生長(zhǎng)需求，因此，本研究也進(jìn)一步證實(shí)了湖北省內(nèi)進(jìn)行“秈改粳”的可行性。水稻在田間生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，本研究?jī)H考慮光照和溫度及水稻品種特性對(duì)產(chǎn)量的影響。因此，模型預(yù)測(cè)結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)受到突發(fā)氣象災(zāi)害和病蟲害及種植管理模式等因素的干擾，可相應(yīng)增加該模塊，使產(chǎn)量的模擬更加接近于實(shí)際情況。