海南兩系雜交稻制種關(guān)鍵發(fā)育期氣候風(fēng)險區(qū)劃

呂 潤，車秀芬，吳 慧，陳小敏，張亞杰，鄒海平，白 蕤

（1.海南省氣候中心，?？?570203;2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

相比于三系法水稻，兩系雜交稻具有簡化繁殖、雜種優(yōu)勢更明顯、降低種子生產(chǎn)成本等優(yōu)勢[1-2]，但由于兩系雜交水稻制種的育性轉(zhuǎn)換受光溫條件的影響較大，光溫條件的變化容易導(dǎo)致雜交稻不育系自交結(jié)實，從而對制種產(chǎn)量造成嚴(yán)重的影響[3]，海南兩系雜交稻制種對氣候條件有著極為嚴(yán)格的要求[4-6]，氣候條件對制種產(chǎn)量和雜交種子的純度均有一定的制約[7]。開展兩系雜交稻制種氣候風(fēng)險區(qū)劃將為海南島南繁水稻制種布局的優(yōu)化提供重要依據(jù)[8]。國內(nèi)對兩系雜交水稻育種區(qū)劃研究頗多，主要集中在氣候條件、氣象安全和資源利用等方面。殷劍敏等[9]、汪擴軍等[10]、帥細(xì)強等[11]均通過對氣候資料的系統(tǒng)分析，分別制作了江西省、湖南省雜交稻制種氣候風(fēng)險區(qū)劃圖。

海南作為我國重要的南繁制種基地，在雜交水稻種子生產(chǎn)中起著重要的作用。但是影響海南水稻南繁制種的氣象災(zāi)害復(fù)雜[12-13]，制約著南繁制種面積的擴大。目前大多風(fēng)險區(qū)劃研究所使用的氣象站數(shù)據(jù)主要為國家氣象觀測站數(shù)據(jù)，站點較少、氣象資料稀疏，隨著地面區(qū)域自動氣象觀測站在全國的建設(shè)和發(fā)展，海南島全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)均已覆蓋區(qū)域自動氣象觀測站，相比只利用國家氣象站進行插值，區(qū)域氣象站插值具有高精準(zhǔn)、高空間分辨率等優(yōu)勢[14]。因此，本研究使用海南島南部8個市縣的144個區(qū)域自動氣象觀測站點歷史資料，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，利用農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃技術(shù)與方法[15-17]，對海南兩系雜交稻制種關(guān)鍵發(fā)育期進行精細(xì)化氣候風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)研究，旨在為海南兩系雜交稻制種產(chǎn)業(yè)區(qū)域布局提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域海南島南部地區(qū)，包括昌江縣、保亭縣、樂東縣、東方市、五指山市、三亞市、陵水縣和萬寧市。

1.2 氣象資料氣象資料為海南島南部地區(qū)144個區(qū)域自動氣象觀測站2006—2020年逐日降水量資料、最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫；地理信息資料為海拔高度、經(jīng)度和緯度等數(shù)據(jù)。

1.3 地理信息資料1∶25萬海南島地理數(shù)據(jù)由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM）、海南島行政邊界等資料，空間分辨率30 m。

1.4 區(qū)域自動氣象觀測站氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法為篩選檢測區(qū)域自動氣象觀測數(shù)據(jù)中隱藏的錯誤數(shù)據(jù)，從而保證氣象資料的可靠性，采用數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法[18]。（1）內(nèi)部一致性檢查：檢查不同要素之間的物理聯(lián)系是否符合，如是否符合日最大風(fēng)速>日平均風(fēng)速；（2）時間一致性檢查：檢查氣象要素隨時間的變化是否符合一定的規(guī)律；（3）空間一致性檢查：檢查氣象參數(shù)在空間上的分布特點是否滿足一定的相關(guān)性，本研究采用Madsen-Allerupt方法、空間極值比較法和空間平均值比較法；（4）界限值檢查：包括區(qū)域界限值、氣候?qū)W界限值及臺站界限值檢查。

1.5 精細(xì)化氣候風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)與方法海南島南部地區(qū)光照充足，兩系雜交稻制種的氣象限制性因素主要為溫度和降水，參考雜交稻制種國家標(biāo)準(zhǔn)[19]，如雷東陽等[20]、汪擴軍等[21]、左欽月等[22]提出的兩系雜交水稻制種氣候適宜性判斷標(biāo)準(zhǔn)，并通過咨詢海南當(dāng)?shù)貎上惦s交稻制種專家[23]，結(jié)合海南島的氣象條件和生產(chǎn)實際，將兩系雜交稻南繁分為育性敏感期和揚花授粉期2個關(guān)鍵時期，育性敏感期大部分在4月上旬至4月中旬，揚花授粉期大部分在4月下旬至5月上旬，制定安全性與適宜性判斷標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 兩系法雜交稻南繁育性敏感期和揚花授粉期氣候風(fēng)險等級

育性轉(zhuǎn)換氣候風(fēng)險由不育系育性敏感期間出現(xiàn)超過臨界溫度指標(biāo)氣象事件的概率確定。

式中，P為育性敏感期期間出現(xiàn)超過不育臨界溫度氣象事件的概率；N為育性敏感期期間出現(xiàn)超過不育臨界溫度氣象事件的天數(shù)；L為氣候資料總天數(shù)。

揚花授粉期氣候風(fēng)險由氣候風(fēng)險指數(shù)確定。

式中，H為揚花授粉期氣候風(fēng)險指數(shù)；L為氣象資料總天數(shù)；i為第i個年份（i=1,2,…L）；M為氣象災(zāi)害種類的數(shù)量；j為第j種氣象災(zāi)害（j=1,2,…M）；Hij為第i年第j種氣象災(zāi)害的強度。在揚花授粉期內(nèi)，第i年第j種災(zāi)害的持續(xù)時間不足3 d時，認(rèn)為災(zāi)害沒有發(fā)生，記Hij=0；當(dāng)持續(xù)時間等于3 d時，記Hij=1；當(dāng)持續(xù)時間大于3 d時，每超過1 d則Hij加上1；如果多個災(zāi)害同時發(fā)生，則先分別用上述方法計算各自的強度值，再累加求得Hij值。本研究為揚花授粉期，主要氣象災(zāi)害指標(biāo)為連續(xù)3 d日平均氣溫≤24℃、3 d日最高氣溫≥35℃和連續(xù)3 d陰雨天。

兩系雜交稻制種綜合氣候風(fēng)險等級由育性敏感期氣候風(fēng)險等級和揚花授粉期氣候風(fēng)險等級共同決定，當(dāng)?shù)燃壊灰恢聲r，取最低氣候風(fēng)險等級。等級指標(biāo)如表2所示。

表2 兩系法雜交稻南繁制種氣候風(fēng)險等級

利用ArcGIS以反距離權(quán)重法（Inverse Distance Weighting，IDW）將氣候風(fēng)險指數(shù)進行空間插值計算，從實際情況考慮，由于海拔較高的山區(qū)不適宜大面積制種，故將海拔在200～400 m之間地區(qū)的氣候風(fēng)險值增加一倍，海拔大于400 m的地區(qū)則劃為高風(fēng)險區(qū)。最終得到兩系雜交稻制種關(guān)鍵發(fā)育期氣候風(fēng)險區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 育性轉(zhuǎn)換安全期氣候風(fēng)險區(qū)劃當(dāng)不育臨界溫度22℃時，除部分高海拔地區(qū)，絕大部分地區(qū)均為較低風(fēng)險區(qū)或極低風(fēng)險區(qū)。其中極低風(fēng)險區(qū)主要在東方市西南部地區(qū)，樂東縣西部、南部、東北部，三亞市西部、南部、東部地區(qū)，保亭縣東部、中部、南部地區(qū)，陵水縣中部、南部地區(qū)。較低風(fēng)險區(qū)主要在昌江縣西部、中部、北部地區(qū)，東方市北部、東部地區(qū)，樂東縣東部地區(qū)，三亞市北部地區(qū)，保亭縣北部地區(qū)，萬寧市絕大部分地區(qū)。中高風(fēng)險區(qū)主要分布在海拔較高的山區(qū)，如五指山市、昌江縣東南部、樂東縣北部、三亞市北部、保亭縣西部、陵水縣北部和萬寧市西部部分地區(qū)。不育臨界溫度23℃時，極低風(fēng)險區(qū)主要在樂東縣西南部、三亞市南部和東部、陵水縣南部，較低風(fēng)險區(qū)主要在東方市西部和南部、樂東縣西北部和東部、三亞市西部、保亭縣中部和東部、陵水縣中部、萬寧市東南部。中高風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣、東方市東北部、萬寧市中北部和海拔較高的山區(qū)。當(dāng)不育臨界溫度23.5℃時，僅有樂東縣和三亞市小部分地區(qū)為極低風(fēng)險區(qū)，較低風(fēng)險區(qū)主要在東方市西南部、樂東縣西部和南部、三亞市南部和東部、陵水縣中部和南部地區(qū)。昌江縣、五指山市、保亭縣、萬寧市以及東方市、樂東縣、三亞市、陵水縣的高海拔山區(qū)為中高風(fēng)險區(qū)。當(dāng)不育臨界溫度24℃時，僅有樂東縣西部、三亞南部和東部、陵水南部為較低風(fēng)險區(qū)，其余地區(qū)均為中高風(fēng)險地區(qū)，因此對臨界溫度為24℃的不育系制種，須慎重考慮，盡量選擇在樂東、三亞、陵水海拔較低的地區(qū)。

2.2 揚花授粉期氣候風(fēng)險區(qū)劃連續(xù)3 d日平均氣溫≤24℃結(jié)果表明，絕大部分地區(qū)為極低風(fēng)險區(qū)，中高風(fēng)險區(qū)最要集中在五指山市、昌江縣東南部、東方市南部、樂東縣西北部和三亞市北部的高海拔山區(qū)。連續(xù) 3 d日最高氣溫≥35℃結(jié)果表明，極低風(fēng)險區(qū)主要分布在樂東縣南部、保亭縣中部、三亞市大部、陵水縣大部和萬寧市大部，較低風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣西部、東方市西部和東部、樂東縣東北部，中高風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣大部、東方市大部、樂東縣北部、五指山市、保亭縣西部和海拔較高的山區(qū)。連續(xù)3 d陰雨天結(jié)果表明，極低風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣西部、東方市西部、樂東縣西部和南部、三亞市大部、陵水縣南部，較低風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣中部、東方市東部、樂東縣東北部、保亭縣東部、陵水縣北部、萬寧市大部，中高風(fēng)險區(qū)主要分布在五指山市、昌江縣東部、東方市東部和南部、樂東縣北部和東部、三亞市北部、保亭縣西部和北部、陵水縣北部和海拔較高的山區(qū)。綜合所得區(qū)劃的結(jié)果表明，極低風(fēng)險區(qū)主要分布在樂東縣南部、三亞市南部和東部、陵水縣南部，較低風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣西部、東方市西北部、樂東縣西北部和東北部、保亭縣東部、陵水縣北部、萬寧市部分地區(qū)，中高風(fēng)險區(qū)主要分布在五指山市、昌江縣中部和東部、東方市大部、樂東縣北部和東部、三亞市北部、保亭縣西部、陵水縣北部、萬寧市北部和中部。

2.3 兩系雜交稻制種綜合氣候風(fēng)險區(qū)劃當(dāng)不育臨界溫度22℃時，極低風(fēng)險區(qū)主要在樂東縣大部、三亞市大部、保亭縣大部和陵水縣中南部地區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的26%。較低風(fēng)險區(qū)主要在昌江縣大部、東方市大部、樂東縣東部、三亞市北部、保亭縣北部和萬寧市絕大部分地區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的39%。中高風(fēng)險區(qū)主要分布在海拔較高的山區(qū)，如五指山市、昌江縣東南部、樂東縣北部、三亞市北部、保亭縣西部、陵水縣北部和萬寧市西部部分地區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的35%。不育臨界溫度23℃時，極低風(fēng)險區(qū)主要在樂東縣西南部、三亞市東南部部、陵水縣南部，面積約為區(qū)劃區(qū)域的9%，較低風(fēng)險區(qū)主要在東方市西南部、樂東縣西北部和東部、三亞市西部、保亭縣中東部、陵水縣中部、萬寧市東南部，面積約為區(qū)劃區(qū)域的33%。中高風(fēng)險區(qū)主要分布在昌江縣、東方市東北部、萬寧市中北部和海拔較高的山區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的58%。當(dāng)不育臨界溫度23.5℃時，僅有樂東縣、三亞市小部分地區(qū)為極低風(fēng)險區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的2%，較低風(fēng)險區(qū)主要在東方市西南部、樂東縣西南部、三亞市東南部、陵水縣中南部地區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的24%。昌江縣、五指山市、保亭縣、萬寧市及東方市、樂東縣、三亞市、陵水縣的高海拔山區(qū)為中高風(fēng)險區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的74%。當(dāng)不育臨界溫度24℃時，僅有樂東縣西部、三亞東南部、陵水南部為較低風(fēng)險區(qū)，面積約為區(qū)劃區(qū)域的14%，其余地區(qū)均為中高風(fēng)險地區(qū)。

3 討 論

根據(jù)兩系雜交稻制種關(guān)鍵發(fā)育期對氣象條件的要求，采用海南島南部地區(qū)區(qū)域自動氣象觀測站的觀測資料，開展兩系雜交稻制種關(guān)鍵發(fā)育期氣候風(fēng)險區(qū)劃，結(jié)果表明，兩系雜交稻制種綜合氣候風(fēng)險隨不育臨界溫度的升高而增加。不育臨界溫度22℃時，兩系雜交稻制種綜合氣候低風(fēng)險區(qū)分布于昌江、東方、樂東、三亞、保亭、陵水和萬寧；不育臨界溫度23℃時，兩系雜交稻制種綜合氣候低風(fēng)險區(qū)分布于東方、樂東、三亞、保亭和陵水大部分地區(qū)；不育臨界溫度23.5℃時，兩系雜交稻制種綜合氣候低風(fēng)險區(qū)分布于樂東、三亞和陵水大部分地區(qū)；不育臨界溫度24℃時，兩系雜交稻制種綜合氣候低風(fēng)險區(qū)分布于樂東、三亞和陵水沿海地區(qū)。目前，在雜交稻制種上廣泛使用的兩系不育系中起點溫度大多數(shù)在23.5℃左右，不育起點溫度低于23℃的較少。從上述分析結(jié)果可知，海南兩系雜交水稻制種育性轉(zhuǎn)換安全期的最適宜地區(qū)主要在東方市西部、樂東縣西部南部東北部、三亞市西南部東部、陵水縣南部中部地區(qū)。據(jù)資料[24-25]顯示，目前海南南繁制種水稻主要分布于三亞、陵水、樂東和東方地區(qū)，李東秀等[26]通過在三亞、樂東、昌江、臨高進行試制試驗，結(jié)果表明三亞、樂東的產(chǎn)量較高，由此可見，本區(qū)劃結(jié)果與實際水稻制種情況較吻合。

本研究采用訂正后的區(qū)域自動氣象觀測站觀測資料開展區(qū)劃工作，克服了因觀測站點稀疏，采用插值方法開展精細(xì)化區(qū)劃工作存在準(zhǔn)確性差、精度低等問題。海南島三亞市、陵水縣和樂東縣是全國最大的南繁育種研究試驗基地和制種生產(chǎn)基地，從區(qū)劃結(jié)果來看，與目前海南島雜交稻制種的情況基本吻合，且南繁為海南自由貿(mào)易港建設(shè)的重點工作之一，本區(qū)劃將為海南兩系雜交稻制種種植規(guī)劃提供及時科學(xué)的技術(shù)支撐。本研究雜交稻制種的關(guān)鍵期時段和氣候風(fēng)險指標(biāo)的選擇主要參考前人研究及專家經(jīng)驗，未經(jīng)過大田對比試驗及田間觀測的驗證，且未考慮種植技術(shù)、土地利用率、土壤等因素。特別是海南水稻制種多在冬季，而海南冬季易發(fā)生干旱[27]，因此在實際水稻制種地選擇過程中需要關(guān)注灌溉用水保障。今后的研究應(yīng)通過田間試驗更新完善制種區(qū)劃指標(biāo)，充分考慮上述因子對海南兩系雜交稻制種的綜合影響開展氣候風(fēng)險區(qū)劃。