水熱條件對辣椒生長速率的影響

于 飛, 侯雙雙, 何建文, 劉宇鵬, 陳 芳

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所/貴州省山地氣候與資源重點實驗室, 貴州 貴陽 550002; 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 3.貴州省辣椒研究所, 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】全球氣候變暖背景下,極端天氣氣候事件(極端高溫、極端降水和干旱等)頻發(fā)[1],氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化極大地影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。辣椒(CapsicumannuumL.)是世界范圍內(nèi)重要的蔬菜和調(diào)味品[2],氣候變化對辣椒產(chǎn)業(yè)的影響引起世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注[3]。水熱條件作為主要氣象因子,探明其對辣椒生長發(fā)育的影響,能夠為合理規(guī)劃辣椒種植和開展辣椒氣象防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù),同時能夠為辣椒種植科學(xué)應(yīng)對氣候變化提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】目前,氣候條件變化對辣椒影響的研究主要集中于2個方面。一是通過調(diào)查方式得到氣候變化背景下辣椒產(chǎn)量的變化特征[4-5],從宏觀上證實氣候變化導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量下降,提出不同作物間套作等種植策略來應(yīng)對氣候變化。李建珉等[4]對比分析水熱條件變化與辣椒產(chǎn)量特征表明,水熱條件對辣椒產(chǎn)量的形成發(fā)揮重要作用;EVIZAL等[5]調(diào)查印度尼西亞辣椒種植農(nóng)戶對氣候變化的認識表明,極端天氣氣候災(zāi)害是辣椒減產(chǎn)的重要因素。二是利用人工氣候室,通過模擬不同氣候變化情景下的CO2濃度和溫度,研究氣候變化對辣椒的影響[3,6-8]。在人工氣候室中創(chuàng)造不同的CO2濃度和溫度環(huán)境,對比分析不同CO2濃度和溫度下辣椒生長特征來反映氣候變化對辣椒生長的影響,SANG等[3]以CO2濃度和溫度為指標(biāo),設(shè)置高、低2種水平氣候變化條件,對比分析不同氣候變化條件下辣椒生長發(fā)育特征,結(jié)果表明,較強的氣候變化導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)下降。白瑞等[7]研究不同CO2濃度對辣椒光合作用的影響表明,不同辣椒品種的光合特性對CO2濃度升高的響應(yīng)特征不同。【研究切入點】由于農(nóng)田是相互影響、相互協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng),人工氣候室對單一大氣環(huán)境的模擬不能準(zhǔn)確反映大田生態(tài)的實際情況。分期播種是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)試驗方法,目前仍廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)作物理論研究和生產(chǎn)實踐中。分期播種能夠在自然狀態(tài)下創(chuàng)造不同的氣候環(huán)境,最佳播種日期反映的實質(zhì)是最優(yōu)的氣候水熱條件配置,通過研究不同播種日期對各類農(nóng)作物的影響,可獲得作物的最佳播種日期[9-14]。然而不同播種日期下不同的水熱條件對農(nóng)作物生長的影響被大多數(shù)的分期播種試驗忽略?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以貴州主要辣椒品種“辣研1號”為研究對象,通過辣椒分期播種產(chǎn)生不同的氣候條件為基礎(chǔ),研究氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化對辣椒生長速率的影響,為辣椒生產(chǎn)有效應(yīng)對未來氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗品種為辣研1號,為貴州辣椒主栽品種之一,由貴州省辣椒研究所提供。氣象資料(降水量與氣溫即水熱條件)為貴陽清鎮(zhèn)暗流氣象站觀測資料,氣象站距離辣椒分期播種試驗基地直線距離小于1 km。

1.2 試驗設(shè)計

2019—2020年在貴陽國家一級農(nóng)業(yè)氣象試驗站(位于貴陽清鎮(zhèn)市暗流鎮(zhèn))進行辣椒分期播種試驗。播期為2月25日至4月7日,各播期間隔7 d,共設(shè)7個處理(表1)。每個播期3個重復(fù),共21個小區(qū),小區(qū)面積20 m2。試驗大壟雙行單株移栽,壟高10～20 cm,定植株行距分別為35 cm和50 cm。試驗土壤條件及栽培方式均與大田種植一致。

表1 辣椒分期播種試驗的播種期與移栽期

1.3 分析方法

研究所用數(shù)據(jù)包括辣椒田間試驗數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。辣椒田間試驗數(shù)據(jù)的獲取依照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》,對出苗期、開花期和成熟期3個典型物候期進行觀測。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,不考慮土壤養(yǎng)分因素前提下,水熱條件是主要的氣候條件,其與作物生長的關(guān)系大多通過線性回歸方式表達[10]。因此,根據(jù)辣椒分期播種試驗數(shù)據(jù),采用線性回歸方法,擬合辣椒不同生長階段生長速率與水熱條件的關(guān)系。

y=f(x)

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播期處理辣椒典型生育期及水熱條件特征

2.1.1 典型生育期特征 作物生育期長短反映作物生長速率。從圖1看出,不同分期播種處理下,各生長階段的天數(shù)存在差異。隨著播種移栽期的推遲,各階段生長天數(shù)均呈現(xiàn)縮短趨勢。播期延遲導(dǎo)致苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期和全生育期分別縮短6 d、30 d、9 d和34 d。因此,不同播種期導(dǎo)致的水熱條件變化主要通過影響營養(yǎng)生長期而影響全生育期天數(shù)。

圖1 不同播期辣椒典型生長期的天數(shù)特征

2.1.2 典型生育期的水熱條件特征 從圖2看出,播期推遲明顯改變辣椒典型生育期的水熱條件即日平均氣溫及降水量。

圖2 不同播期辣椒各生育階段的日均氣溫與降水量

1) 日平均氣溫。隨著播期推遲,除生殖生長期外,日平均氣溫在苗期、營養(yǎng)生長期和全生育期均表現(xiàn)出明顯上升趨勢,T7日均溫最高,T1日均溫最低;播期延遲導(dǎo)致的溫度升高在苗期、營養(yǎng)生長期和全生育期分別為42%、25%和10%,因此播期延遲可有效提升辣椒生長熱量條件;而對于生殖生長期,播期改變對該生長期熱量特征影響相對不明顯,平均溫度最高值為24.1 ℃,出現(xiàn)于T3和T5處理,平均溫度最低值為23.6 ℃,出現(xiàn)于T2處理,二者相差僅0.5 ℃;T1和T2播期下,生殖生長期平均溫度<24 ℃,而T3～T7播期處理的生殖生長期平均氣溫均≥24 ℃,對比圖1生長期天數(shù)特征有高度的吻合,表現(xiàn)為T1和T2播期的生長期天數(shù)≥46 d,而T3～T7播期的生長期天數(shù)≤42 d。

2) 降水量。播期延遲產(chǎn)生的降水量變化程度在苗期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期和全生育期分別為187%、10%、28%和4%。播期推遲對營養(yǎng)生長期和全生育期降水量的影響較小,但明顯改變苗期和生殖生長期水分特征,總體表現(xiàn)為以T3播期為界限分為2種類型:T3以前播期,苗期降水較少而生殖生長期降水較多;T3以后播期,苗期降水相對較多而生殖生長期則相對較少。主要原因是對于苗期而言,播期較早的T1和T2處理,春季溫度較低,雨季未到,隨著播期推遲(T3～T5),熱量條件改善,降水隨之增加;而對于生殖生長階段而言,播期較早的T1和T2處理對應(yīng)的降水量略多于播期推遲的T3～T5,生殖生長階段的降水過多不利于辣椒成熟。

2.2 辣椒生長速率與氣象因子的相關(guān)性

從表2看出,氣溫對辣椒任一生長階段的生長速率起到關(guān)鍵作用,氣溫與辣椒各階段的生長速度相關(guān)性達極顯著水平;降水量和大氣干燥程度與辣椒各生長階段的生長速率表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性。氣溫與降水量間相關(guān)性不顯著,即水熱氣象因子間無顯著相關(guān)性。全生育期:生長速率與日平均氣溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量和大氣干燥程度(水熱條件的綜合反映指標(biāo))相關(guān)性不顯著,由于氣溫與降水量的相關(guān)性不顯著,因此在辣椒全生長期氣溫是其生長的主要限制性氣象因子。苗期:辣椒生長速率與日平均氣溫和降水量分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)正相關(guān),與大氣干燥程度相關(guān)性不顯著,表明苗期氣溫是影響生長速率的關(guān)鍵因素。營養(yǎng)生長階段:生長速率與日平均氣溫和大氣干燥程度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),表明氣溫和降水同時影響辣椒營養(yǎng)生長階段的生長。生殖生長階段:生長速率與日平均氣溫和大氣干燥程度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),表明氣溫升高可提高生殖生長階段的生長速率,而降水量增加則減緩該階段的生長速率。

表2 辣椒不同生長階段氣象因子間及其與生長速率間的相關(guān)系數(shù)

總體看,日平均氣溫是辣椒各生育階段生長速率的主要影響因子,生長期間平均氣溫越高,各階段生長速率越大,其階段經(jīng)歷的時間越短。降水量與苗期和營養(yǎng)生長階段生長速率呈顯著正相關(guān),說明生長期內(nèi)降水量大,苗期和營養(yǎng)生長階段的生長速率則大,其階段經(jīng)歷的時間越短;而與生殖生長階段呈極顯著負相關(guān),說明生殖生長期內(nèi)降水量越大,階段生長速率越小,其階段經(jīng)歷的時間越長。

2.3 不同環(huán)境溫度下辣椒苗期和全生育期的生長速率

溫度是影響辣椒苗期和全生育期生長速率的關(guān)鍵氣候因子。從圖3看出,辣椒苗期平均氣溫上升1 ℃,苗期生長速率提高0.11%,苗期歷期縮短1.1 d。辣椒全生育期內(nèi)平均氣溫上升1 ℃,生長速率提高0.05%,全生育期縮短10.9 d。表明,辣椒生長期內(nèi)氣溫升高有利于提高其生長速率,縮短苗期和全生育期所需天數(shù)。

圖3 辣椒苗期及全生育期的生長速率與日平均氣溫的線性關(guān)系

2.4 不同水熱條件下辣椒營養(yǎng)生長和生殖生長階段的生長速率

氣溫和降水共同影響營養(yǎng)生長階段和生殖生長階段的生長速率。從圖4看出,平均氣溫上升1 ℃,辣椒營養(yǎng)生長階段和生殖生長階段生長速率分別提高0.07%和0.28%,生育階段所需時間分別縮短1.1 d和6.0 d。大氣干燥程度表示水分的收支狀況,研究表明,大氣干燥程度變化對辣椒營養(yǎng)生長和生殖生長階段生長速率的影響符合線性模型,當(dāng)大氣干燥程度增加時,辣椒營養(yǎng)生長階段的生長速率下降,下降速率為-0.25%;生殖生長階段的生長速率隨大氣干燥程度上升而上升,上升速率為0.16%。因此認為,干旱減緩辣椒營養(yǎng)生長階段的生長,但適度干旱則可加快辣椒生殖生長階段的生長速率。

圖4 辣椒營養(yǎng)生長及生殖生長階段的生長速率與水熱條件的線性關(guān)系

3 討論

分期播種試驗?zāi)軌蛟谧匀粻顟B(tài)下產(chǎn)生不同大田氣候條件,從而為農(nóng)業(yè)科技工作者廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)作物研究中,以期獲得農(nóng)作物最佳播期。目前針對各類糧食作物[17-20]和經(jīng)濟作物[14,21-22]展開的分期播種試驗均表明,氣溫升高可縮短各類農(nóng)作物的生育期;同時部分試驗結(jié)果表明,氣溫過高影響水分利用率從而不利于作物生殖生長階段的生長[21]。本研究表明,氣溫是辣椒苗期和全生育期生長速率的關(guān)鍵因子,而氣溫和降水共同影響營養(yǎng)生長和生殖生長階段的生長速率,與已有的農(nóng)作物分期播種試驗結(jié)果相吻合。

水熱條件的變化影響辣椒不同生長階段的生長速率。眾多分期播種試驗研究均表明,氣候變化引起的水熱條件變化影響作物生長速率[10,12-14],但目前已有的研究多限于分期播種產(chǎn)生的氣候條件對作物物候期或產(chǎn)量的影響,沒有進一步展開兩者關(guān)系的定量表達。本研究表明,氣溫升高有利于提高辣椒生長速率,縮短辣椒各生長階段所需天數(shù),具體表現(xiàn)為縮短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、營養(yǎng)生長階段1.1 d/℃及生殖生長階段6.0 d/℃。營養(yǎng)生長和生殖生長階段,除氣溫對生長速率的影響外,降水的作用也不能忽視。氣溫和降水共同表現(xiàn)為大氣水分收支情況,反映大氣的干燥程度,隨著大氣干燥程度增加,營養(yǎng)生長速率下降(-0.25%),而生殖生長速率增加(0.16%)。已有的辣椒分期播種研究表明,在辣椒開花以后,特別是成熟階段,降水較少有利于辣椒采收,本研究結(jié)果與前人一致[22]。氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化主要表現(xiàn)為干暖化和極端天氣氣候事件頻發(fā),依據(jù)氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化對辣椒生長的影響,在充分掌握當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鞯那疤嵯?需合理調(diào)整辣椒種植方式。貴州年總降水量為1 100～1 300 mm,雨量充沛,氣候變暖提高辣椒生長速率,縮短辣椒生育期,所以較晚播期意味著溫度升高,則可能縮短苗期過程導(dǎo)致植株羸弱;同時溫度升高加大大氣干燥程度,影響辣椒營養(yǎng)生長階段的生長。因此,氣候變暖背景下,辣椒播期適度提前更有利于其生產(chǎn)。此外,由于夏旱、冰雹、高溫等極端天氣氣候事件風(fēng)險增大,采用合理的間套作和管理方式能夠營造有利的農(nóng)田小氣候[23-24],對積極應(yīng)對辣椒生長過程中的高溫、冰雹、干旱等氣象災(zāi)害有重要作用,但須在充分的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益論證下設(shè)計合理的種植模式,以獲得土地和氣候資源利用效率最大化。

4 結(jié)論

在貴陽國家一級農(nóng)業(yè)氣象站開展為期2年的辣椒分期播種試驗,通過分期播種創(chuàng)造不同的氣候條件,定量研究水熱條件變化對辣椒生長速率的影響。結(jié)果表明,水熱條件變化對辣椒生長速率的影響顯著。溫度是辣椒各生長階段生長速率的主要影響因子,氣溫升高有利于提高辣椒生長速率,縮短辣椒各生長階段所需天數(shù),分別表現(xiàn)為縮短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、營養(yǎng)生長階段1.1 d/℃及生殖生長階段6.0 d/℃;營養(yǎng)生長和生殖生長階段,除氣溫對生長速率的影響外,降水的作用也不能忽視。氣溫和降水共同表現(xiàn)為大氣水分收支情況,反映大氣干燥程度,隨著大氣干燥程度增加,辣椒營養(yǎng)生長速率下降0.25%,而生殖生長速率增加0.16%。在掌握水熱條件與辣椒各生長階段生長速率定量關(guān)系基礎(chǔ)上,結(jié)合貴州氣候變化引發(fā)的水熱條件變化特征與當(dāng)年春季氣候預(yù)測,合理調(diào)整辣椒播期和大田移栽期,是貴州辣椒種植應(yīng)對未來氣候變化的有效措施。