花生冠层温度日变化及其与地表温度和光照度的关系
2015-02-21任学敏王小立王长发
任学敏,朱 雅,王小立,王长发
(1 南阳师范学院 a 生命科学与技术学院,b 图书馆,河南 南阳 473061;2 西北农林科技大学 农学院,陕西 杨凌 712100)
花生冠层温度日变化及其与地表温度和光照度的关系
任学敏1a,朱 雅1b,王小立1a,王长发2
(1 南阳师范学院 a 生命科学与技术学院,b 图书馆,河南 南阳 473061;2 西北农林科技大学 农学院,陕西 杨凌 712100)
【目的】 探索花生冠层温度日变化特征及其与地表温度和光照度的关系,以揭示不同基因型花生品种冠层温度差异机理。【方法】 于花生结荚期和饱果期,分别应用红外测温仪和照度计对花生冠层温度、地表温度日变化和冠层、1/2株高层、0.02 m株高层光照度日变化(06:00-18:00,每隔2 h观测1次)进行了观测。【结果】 不同基因型花生品种冠层温度存在明显分异,冠层温度偏高的品种(暖型花生)持续偏高,冠层温度偏低的品种(冷型花生)持续偏低,且越是到生育后期,差异越明显。结荚期和饱果期不同温度型花生冠层温度、地表温度日变化均能用三次多项式很好地拟合,各层光照度日变化均能用二次多项式很好地拟合。冠层温度日变化与地表温度和各层光照度呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,但不同生育时期各因子的作用大小不同,结荚期:地表温度>1/2株高层光照度>0.02 m株高层光照度>冠层光照度;饱果期:地表温度>冠层光照度>1/2株高层光照度>0.02 m株高层光照度。【结论】 花生冠层温度日变化与地表温度密切相关,到生育后期,冠层光照度也对其起重要作用。
花生;冠层温度;地表温度;光照度;日变化
作物冠层温度是指农田作物层不同高度叶和茎表面温度的平均值[1],对其的研究可追溯到1963年Tanner[2]首次用红外测温仪对植物温度的测定,随后的几十年来,作物冠层温度逐渐成为研究的热点。目前,有关作物冠层温度的研究主要集中于2个方面,即同一基因型作物品种不同环境条件下(如干旱、高温、肥力等)冠层温度的差异,以及同种作物不同基因型相同环境条件下冠层温度的差异。对于前者的研究可为农田水、肥等管理提供有效的指导[3-6];对于后者的研究能够帮助育种学家方便快捷地进行耐热基因型作物筛选[7]、抗旱基因型作物筛选[8]、作物高产品种选育[9-10]和作物优良品质品种选育[11]等。
有关同种作物不同基因型在相同环境条件下冠层温度的差异,目前已在小麦[12]、棉花[13]、大豆[14]、水稻[15]、谷子[16]、豌豆[17]、花生[18]等多种作物上发现。这些研究中,冠层温度的测定往往只在一天中的某一段特定时间进行(一般为13:00-15:00),而很少有研究关注冠层温度的日变化特征。作物冠层温度的差异,主要由内因、外因以及二者的相互作用所决定[19]。对于内因,主要是作物自身生物学特性的影响,尤其是蒸腾作用[14,20];对于外因,主要涉及到外部环境条件,如第一热源(太阳辐射)和第二热源(地面辐射)[19,21],近来的研究也涉及到了肥料[5]和CO2浓度[22]等。本研究以北方大花生为材料,探索了不同基因型品种冠层温度日变化特征,并分析了其与地表温度和光照度的关系,旨在为揭示不同基因型花生品种冠层温度差异机理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试花生品种4个,均为大花生,其中开农41、标花2号和豫花153引自河南,鲁花11号(CK,北方大花生生产区常用对照之一)引自山东。
1.2 试验设计
试验地位于陕西关中平原中部渭河谷地头道塬的西北农林科技大学农作一站,属北方大花生生产区。该区域处于暖温带,属大陆性季风气候,年均降水量500~800 mm,其中6-9月份约占60%。年均温9.0~13.2 ℃,极端高温41.2 ℃,极端低温 -18.6 ℃。试验于2007年进行,试验地前茬空茬,随机区组排列,4次重复,采用起垄地膜覆盖种植法,垄距0.8 m,垄高0.1 m,垄面宽0.55 m,畦沟宽 0.26 m。04-24人工开沟带尺点播。每小区3垄6行,行长2.4 m,行距 0.35 m,株距0.16 m,每穴播种2粒,播深3~5 cm。播种前以尿素200 kg/hm2、二铵300 kg/hm2的标准施底肥。参照北方大花生生产区的管理方法进行管理。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 冠层温度的观测 自花生结荚开始至收获,采用BAU-I 型红外测温仪于晴天午后(13:00-15:00)对冠层温度进行连续观测。观测时,感应头距花生冠层约20 cm,探棒倾角约30°,选择各品种群体生长均匀一致且有代表性的部位作为测点,避免红外线照射裸露地面。对每个品种的4次重复进行往返观测,其平均值作为该次的冠层温度值。
1.3.2 冠层温度、地表温度和光照度日变化的观测 于结荚期(07-23)和饱果期(08-31)对花生冠层温度、地表温度和光照度日变化分别各进行了1次观测。观测从06:00开始,到18:00结束,每隔2 h观测1次。所有观测均选择花生群体生长均匀一致且有代表性的地方作为测点。冠层温度和地表温度观测所用仪器为BAU-I型红外测温仪,前者观测方法同1.3.1中所述;后者观测方法是将探棒感应头悬垂于距地面高约1 cm处进行观测;光照度观测分为3个层次:冠层(花生群体冠层上方1 cm)、1/2 株高层和距地面0.02 m株高层,所用仪器为ZDS-10照度计(上海精密仪器仪表有限公司)。对每个品种的 4 次重复进行往返观测,以其平均值作为观测值。
1.4 数据处理
多项式回归分析(二次或三次)用于探索花生冠层温度、地表温度和光照度日变化的变化趋势;相关分析和通径分析用于分析冠层温度日变化与地表温度和光照度的关系。所有统计分析均由SPSS17.0统计软件完成。用Origin7.5作图。
2 结果与分析
2.1 不同基因型花生品种冠层温度的差异
以日序(观测日的顺序)为横坐标,各花生品种与对照品种(鲁花11号)冠层温度差值为纵坐标作图,结果如图1所示。
由图1可以看出,不同基因型花生品种冠层温度存在明显差异,开农41和标花2号与对照品种冠层温度差值除少数几个点位于或低于零刻度线以外,其余均在零刻度线以上,而豫花153除1个点位于零刻度线上外,其余点均在零刻度线以下。说明开农41和标花2号冠层温度持续偏高,而豫花153冠层温度持续偏低,到生育后期,这种差异更大,最大温差达2.1 ℃。参照张嵩午[19]对暖型、冷型小麦的定义,可将开农41和标花2号视为暖型花生,豫花153和鲁花11号视为冷型花生。
2.2 不同温度型花生品种冠层温度的日变化
由图2可以看出,不论结荚期还是饱果期,4个花生品种的冠层温度均从06:00开始缓慢上升,随后上升速度加快,达最大值后下降。花生冠层温度在一天中随时间的这种变化趋势符合三次方程,以冠层温度为因变量,观测时间为自变量进行多项式回归,保留t检验显著(P<0.05)的各次项回归系数,得各花生品种回归方程(图2),所有方程的决定系数R2均大于0.9,F检验表明,回归方程均达到极显著水平(P<0.01),说明回归关系真实存在。通过这些方程计算可知,在结荚期,暖型和冷型花生最高冠层温度值在一天中均出现于15:07-15:16;在饱果期,暖型花生最高冠层温度值在一天中出现于15:16-15:25,而冷型花生出现于15:43,有一定程度推迟。结荚期暖型花生与冷型花生冠层温度最大差值为0.38~0.49 ℃,饱果期为1.36~2.31 ℃,2个生育时期出现最大差值时间(除结荚期开农41与豫花153最大差值出现于11:21外)均在13:40-14:41。因此可以认为,一天中13:00-15:00花生冠层温度差异最明显,且越到生育后期,差异越大。这说明在13:00-15:00进行冠层温度观测较为合理。
2.3 不同温度型花生品种地表温度的日变化
由图3可以看出,结荚期和饱果期不同类型花生地表温度的日变化趋势与冠层温度日变化基本相同,符合三次方程,通过进行多项式回归,保留t检验显著(P<0.05)的各次项回归系数,得回归方程(图3),所有方程的决定系数R2在0.948~0.980,F检验证明回归关系真实存在(P<0.01)。由这些方程计算可知,暖型和冷型花生地表温度在一天中达最大的时间,结荚期均为15:16-15:25,饱果期暖型花生为15:16-15:25,而冷型花生为15:43-16:00。这与一天中冠层温度最高值出现的时间基本一致。暖型花生与冷型花生地表温度最大差异,结荚期为0.38~0.90 ℃,饱果期为1.90~4.74 ℃,2个生育期出现的时间(除结荚期标花2号与鲁花11号最大差值出现于17:11外)均在13:58-14:50。这与冠层温度日变化类似,但比冠层温度最大差异出现时间稍微滞后。
2.4 不同温度型花生品种光照度的日变化
不同花生品种结荚期和饱果期各层光照度日变化均呈单峰曲线(图4),这种变化可以用二次多项式来拟合。多项式回归所得方程的各次项系数t检验均达显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平,高的决定系数R2(0.783~0.959)和F检验的高显著性(P<0.05或0.01)证明了回归关系的真实性。通过这些方程计算可知,结荚期和饱果期花生各层光照度分别在11:56-12:22和12:13-12:22达最高值。不同温度型花生间冠层光照度无明显差异,但1/2株高层和0.02 m株高层随层位和生育期的不同差异明显。结荚期,随层位的降低不同花生品种光照度差异变大,但冷型和暖型之间的表现较为混乱,而在饱果期则表现出明显规律性,即随层位下降,暖型花生株间光照度明显高于冷型花生,且越往下层越明显(暖型花生与冷型花生1/2株高层光照度最大差异为1.34~2.75 klx,0.02 m株高层最大差异为1.09~3.28 klx)。
2.5 花生冠层温度日变化与地表温度和光照度的相关分析
花生冠层温度日变化与地表温度和各层光照度的相关系数见表1。由表1可知,在结荚期,冠层温度日变化与地表温度和各层光照度存在强烈正相关关系,其中与地表温度和0.02 m株高层光照度的相关达极显著水平(P<0.01),与冠层和1/2株高层光照度的相关达显著水平(P<0.05);在饱果期,冠层温度日变化与地表温度和各层光照度均存在极显著(P<0.01)正相关关系。此外,地表温度以及各层光照度相互间也存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的正相关关系。
2.6 花生冠层温度日变化与地表温度和光照度的通径分析
花生地表温度以及各层光照度之间存在显著或极显著的相关关系(表1),这可能使得一些指标对冠层温度的作用通过另一些指标来实现。因此,简单相关分析中的相关系数仅仅反映了各指标对冠层温度日变化的总作用。为了确定各指标对冠层温度日变化的直接作用和间接作用,进而确定各指标的相对重要性,采用通径分析对简单相关中的相关系数进行了剖析。 花生地表温度和各层光照度与冠层温度日变化的通径分析结果见表2。
注:*和**分别表示在0.05和0.01水平显著。n=28。
Note:* and ** indicate significances at 0.05 and 0.01 levels,respectively.n=28.
由表2可以看出,由直接通径系数的绝对值大小可知,结荚期各指标对冠层温度日变化的作用大小为:地表温度>1/2株高层光照度>0.02 m株高层光照度 > 冠层光照度;饱果期地表温度、冠层光照度、1/2株高层光照度和0.02 m株高层光照度的作用依次减弱。
由间接通径系数可知,各指标通过其他指标不同程度地影响冠层温度日变化(表2)。在结荚期,地表温度主要通过其自身对冠层温度日变化起作用(直接通径系数较大),而各层光照度主要通过其他指标对冠层温度日变化起作用(冠层、1/2株高层和0.02 m株高层光照度通过其他指标的间接通径系数之和分别为0.258,0.749和0.276,均大于直接通径系数的绝对值),其中1/2株高层光照度通过其他指标的间接作用使得其对冠层温度日变化的总作用方向相反。与结荚期相似,饱果期地表温度依然是决定冠层温度日变化的最主要因素,其通过各层光照度虽然有较大的间接作用,但方向有正有负,基本上能够相互抵消;冠层温度日变化通过1/2株高层和 0.02 m株高层光照度的间接作用与其自身方向相反,但与地表温度的间接作用方向相同,相互抵消后冠层光照度的总效应依然较大(0.509),说明冠层光照度主要通过自身对冠层温度日变化起作用,且作用较大。1/2株高层和0.02 m株高层光照度对冠层温度日变化的直接通径系数分别为-0.414和-0.311,而其通过其他指标的间接作用均大于直接作用(其他指标的间接通径系数之和分别为0.992和0.839),且使得作用的方向相反,尤其是通过地表温度的冠层光照度的间接作用很大,这进一步说明地表温度和冠层光照度对于冠层温度日变化的重要作用。
注:表中粗体数据为直接通径系数,其他为间接通径系数。n=28。
Note:Bold figures are direct path coefficients,and others are indirect path coefficients.n=28.
3 讨 论
本研究结果表明,不论是连续观测还是结荚期或饱果期的冠层温度日变化观测,不同基因型花生品种冠层温度都存在明显差异,冠层温度偏高的花生品种(暖型花生)持续偏高,冠层温度偏低的花生品种(冷型花生)持续偏低,且越是到生育后期,2种温度型花生品种的差异越明显。这种现象与其他研究者在其他多种作物上的发现类似[12-16]。说明同种作物不同基因型的冠层温度差异是一种客观存在,是基因型决定的自身固有生物学特性与外界环境条件相结合的产物[23]。
无论结荚期还是饱果期,不同温度型花生冠层温度日变化均表现为开始时缓慢上升,随后上升速度加快,达最大值后下降。但不同生育时期、不同温度型花生品种冠层温度在一天中达最大值的时间不同,总体上,饱果期比结荚期有一定程度推后,饱果期冷型花生达到最高温度的时间比暖型花生晚。出现这些现象的原因可能是:花生生育后期,不可避免地存在一定程度的衰老,导致光截获减少,漏射光增多,对地表的加热作用增大,而地面辐射(第二热源)与冠层温度密切相关[21],其反过来加热花生冠层。本研究中饱果期地表温度在一天中出现最大值的时间比结荚期明显滞后,与冠层温度存在相同的变化趋势,这可能导致了饱果期冠层温度比结荚期的推后。随着生育期的推进,暖型花生比冷型花生衰老更为严重[18],漏射光更多(暖型花生1/2株高层和0.02 m株高层光照度比冷型花生分别高1.34~2.75 klx和 1.09~3.28 klx),地表温度升高更快,从而导致最大冠层温度值较早地出现。
本研究结果表明,无论结荚期还是饱果期,一天中不同温度型花生冠层温度最大差异出现的时间(13:40-14:41)与冠层温度最高值出现的时间(15:07-15: 43)并不一致,前者比后者明显偏早;地表温度与冠层温度相似(最大差异出现时间为13:58-14:50,最高温度出现时间为15:16-16:00)。这可能是由于在冠层温度和地表温度日变化过程中,暖型花生的冠层温度和地表温度比冷型花生上升更快,尤其是在生育后期表现更为明显,当暖型花生达到最大值时,冷型花生依然处于上升阶段,这导致了冠层温度和地表温度达到最大值之前2种温度型花生的差异达到最大。
前人研究表明,小麦第二热源对冠层温度具有重要影响,是决定冠层温度的最主要的外在因素[19,21,23]。本研究结果显示,花生结荚期和饱果期冠层温度与地表温度均存在极显著(P<0.01)的正相关关系,进一步的通径分析表明,地表温度对花生冠层温度日变化的直接作用最大,说明地表温度确实是影响冠层温度日变化的主要因素。本研究还发现,各冠层光照度对冠层温度日变化存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的影响,尤其是冠层光照度在饱果期对冠层温度日变化的影响很大(较大的直接或间接通径系数),而1/2株高层和0.02 m株高层光照度对冠层温度日变化的直接影响较小,二者通过地表温度和冠层光照度的间接作用远远大于直接作用,并使得总作用的方向与直接作用相反,这些进一步说明了地表温度对冠层温度日变化影响的重要性,而到了饱果期,冠层光照度的变化和地表温度一样,对冠层温度日变化十分重要。
影响作物冠层温度的因素是复杂的,包括外在和内在的多个方面以及各方面的相互作用。到目前为止,即便是研究最为广泛和深入的小麦,冠层温度的影响因素依然没有完全清楚。本研究仅以花生一种作物为试验材料,从冠层温度日变化的角度,探索了地表温度以及各层光照度对冠层温度的影响,所得结果不可避免地具有一定的局限性和片面性。对于花生来说,其冠层温度成因的研究才仅仅是个开始,还有众多因素如生理性状、农艺性状、管理措施、环境胁迫等,均需要进一步研究。
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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
河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A210014);南阳师范学院博士科研启动项目;南阳师范学院大学生实践教学活动创新项目(ZB-2013-220);国家自然科学基金项目(30370859)
任学敏(1982-),男,河南周口人,讲师,博士,主要从事作物栽培生理研究。E-mail:renxuemin2520@126.com
时间:2014-12-12 09:30
10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.003
S565.201
A
1671-9387(2015)01-0077-08
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.003.html