江苏省水稻产量结构变化特征及与综合气候适宜度的关系
2019-10-18徐敏徐乐巫丽君张佩高苹
徐敏 徐乐 巫丽君 张佩 高苹
摘要：利用江苏省水稻产量结构观测资料和逐日气象资料，采用灰色关联等统计方法及改进适宜度模型参数，分析产量结构的时空变化特征及单产与综合气候适宜度之间的关系。结果表明，穗粒数均呈显著的线性上升趋势（082粒/年），且区域间差异在逐步缩小;千粒质量总体变化范围是20.1～36.9 g，年代际间区域性差异变化不大;水稻空壳率总体在逐步降低;产量结构三要素占地段单产权重的总体排序为穗粒数（0.345）>千粒质量（0.330）>单位面积有效穗数（0.326），穗粒数对地段单产的权重最大，大穗依然是提高水稻单产的主要途径;理论单产总体高于地段单产，两者历年比值平均在0.93以上;构建的综合气候适宜度在大部分地区与地段单产有较好的对应关系，尤其是镇江、昆山、兴化，相关系数通过了0.001显著性检验;综合气候适宜度存在明显的年代际变化，从20世纪90年代开始，最适宜区面积明显减少，较适宜区面积在逐步增加。研究结果将为提高水稻单产提供科学依据。
关键词：水稻;产量结构;综合气候适宜度;灰色关联法;单产
中图分类号：S162.5+3
文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2019）15-0103-05
水稻是我国主要粮食作物之一，常年种植面积和总产量占粮食作物的27%和43%左右[1]，全国有65%的人口是以稻米为主食，需求量大，但人增地减的趋势在相当长的时期内还难以遏制，为保障粮食安全，提高水稻单产是基本途径[2]。水稻产量是由单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量3个因素构成。在水稻生长过程中，温度、光照、降水是影响其产量高低的重要因子，前人就水稻生育期间的气象条件与产量的关系进行了相关研究。骆宗强等通过水稻孕穗期高温胁迫处理试验发现，水稻光合速率和产量均出现不同程度的降低，高温导致颖花结实率降低、颖花量减少[3];杨惠杰等发现，光照不足会降低水稻光合作用，减少干物质积累，但能提高养分运转率[4];杨雪莲等发现，弱光下水稻光合速率下降，有效穗数、穗粒数、结实率及千粒质量降低等[5];宁金花等通过水稻拔节期淹涝胁迫试验发现，不同处理对产量结构的影响均表现为空壳率高、穗结实率低和千粒质量低，湖南超级双季晚稻穗结实率与积温、光照呈抛物线关系[6];龚金龙等通过温度胁迫试验发现，水稻生理生化活性下降，光合功能降低，抗逆性减弱，干物质积累和运转受抑，从而造成产量下降及品质变劣[7]。由此可见，前人通过多种试验研究了气象因子对产量结构的影响，多侧重于气象单因子的影响，但在水稻实际生长过程中，最终产量的形成受整个生育期的光温水共同影响，因此有必要探讨光温水综合适宜程度与产量之间的关系。
本研究利用江苏省农试站的观测资料，分析近几十年的水稻产量结构变化特征，并确定穗数、穗粒数、千粒质量占单产的权重，以此提出提高单产的主要途径;分别计算水稻全生育期温度、降水、日照的适宜度，通过适宜度与单产的相关性确定各要素适宜度的权重，最终构建综合气候适宜度，分析其与实际单产的关系。研究结果将为提高水稻单产提供科学依据。
1 数据资料与研究方法
1.1 数据资料
水稻产量结构和生育期观测资料来自江苏省8个农业气象试验站，产量结构包含单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量、地段单产，生育期包含播种期、出苗期、返青期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期，农业气象试验站地点及资料长度分别为镇江站点（1980—2016年）、宜兴站点（1980—2016年）、高淳站点（1990—2016年）、昆山站点（1980—2016年）、兴化站点（1980—2016年）、赣榆站点（1981—2016年）、徐州站点（1986—2016年）、淮安站点（1984—2016年）。
气象观测资料来自江苏省70个自动气象观测站，包括1961—2016年逐日平均气温、降水量、日照时数、日照百分率，用于计算温度适宜度、降水适宜度、日照适宜度。
1.2 研究方法
1.2.1 灰色关联分析方法 灰色关联法是对系统动态过程的发展态势进行量化比较分析，利用因子间的几何接近，诊断和确定因子对系统主体行为的影响程度，即关联性大小[8]。该方法用于确定单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量对地段单产的影响权重。计算步骤：确定参考序列和比较序列，文中参考序列指地段单产，比较序列为单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量;对原始数据进行归一化处理;求绝对差序列;计算关联系数和关联度。
式中：m表示总年数;x0（j）为参考序列，即地段单产;xi（j）为比较序列，即各产量结构要素;j为某序列的个数;i为比较序列种类。ρ∈（0，1）为分辨系数，是为了削弱两极最大差数值太大造成的失真，从而提高关联系数之间的差异显著性，一般取值为 0.5。RRi为灰色关联度，该值越大说明参考序列和比较序列的关联程度越大，反之越小。
1.2.2 气候适宜度模型及参数的改进方法 在水稻生长过程中，光温水匹配程度的高低对最终产量的形成非常关键，为了定量评价气象条件对水稻的影响，通常采用气候适宜度模型。对于温度条件，利用模糊数学原理，通过非线性数学表达式，表征作物对不同气温的反应，作物的上下限温度和适宜温度为函数中的参数，经前人研究，该函数具有普适性[9]。对于日照条件，已有研究表明：当日照时间超过可照时间的70%时，作物对光照的反应达到适宜状态，利于光合积累，反之光照适宜度随日照时间的增加呈e指数增加[10]。对于降水条件，对作物生长的满足程度由降水的收支比表示，收入主要是天然降水和人工灌溉（受资料限制，文中不考虑人工灌溉），支出主要是作物自身的蒸腾和蒸散[11]。受篇幅限制，温度、日照、降水的适宜度计算公式不再列出。
在计算温度、日照和降水的適宜度时，须要用到相应的指标和参数，通过《大宗作物气象服务手册》中关于水稻的生长气象指标以及相关学者的研究成果[12-14]获取水稻生长过程中相应的临界指标和参数（表1）。由于原有指标和参数是针对某个生育期且是固定值，使得不同发育期之间存在不连续现象，这并不符合作物生长发育的生理规律，为了解决这个问题采用文献[15]中多项式拟合法，将温度指标和参数拟合到逐日，建立动态的变化曲线。
2 结果与分析
2.1 水稻产量结构变化特征分析
水稻产量结构由亩有效穗数（1 hm2=15亩，下同）、穗粒数、千粒质量构成，单产的高低受产量结构三要素的综合影响。1980—2016年江苏省平均地段单产与穗粒数的相关系数高达0.743，呈显著正相关，通过了0.001的显著性检验，地段单产与亩有效穗数和千粒质量的相关性不明显。从时间变化来看（图1），地段单产与穗粒数均呈显著上升趋势，线性趋势分别达0.66 kg/（hm2·年）、0.82粒/年;从区域差异性来看，在20世纪80年代至90年代前期，亩有效穗数和穗粒数区域间差异比较大，分别为11.3万～44.4万穗、41.2～147.2粒，到了21世纪，区域间差异逐步缩小;千粒质量区域间存在差异，但年代际间区域性差异变化不大，总体变化范围是201～36.9 g。
利用公式（1）计算单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量与地段单产的关联程度。灰色关联度值（用RR表示）越大表示产量结构要素对地段单产的影响作用越强，贡献作用越显著，反之亦然。通常，当0
从各站历年水稻空壳率变化特征来看，20世纪80年代，各站空壳率普遍较高，镇江、宜兴、高淳、昆山、兴化、赣榆、徐州、淮安水稻空壳率分别从1993、1991、1994、1993、1986、1998、2007、2012年开始降为10%以内，在这些转折年之前，空壳率都比较高，基本上都在10%以上，平均值分别为1047%、10.85%、16.40%、10.45%、12.20%、12.09%、1056%、11.83%。从区域差异来看，从20世纪90年代中期起，淮河以南的空壳率明显小于淮河以北的空壳率。
2.2 水稻理论单产与地段单产的关系
根据水稻理论单产由亩穗数、穗粒数、千粒质量求积的农学原理[17-18]，分析理论单产与地段实际单产之间的关系。从图2可以看出，各站理论单产与地段单产的时间波动特征基本一致，理论单产总体高于地段单产，但站与站之间的变化趋势存在差异，其中镇江和昆山的水稻单产无论是理论单产还是地段单产，增加趋势都较为明显，地段单产线性趋势分别为0.86、0.71 kg/（hm2·年），通过了0.001显著性检验，高淳和赣榆有弱的增加趋势;宜兴、兴化、徐州、淮安均属于2000年以前单产年际波动性大，2000年之后单产年际波动相对平稳。经计算，镇江、宜兴、高淳、昆山、兴化、赣榆、徐州、淮安的理论单产与地段单产之间的历年平均比值分别为0.94、0.97、0.99、0.99、0.96、0.97、0.97、0.93，平均偏差分别为569.82、558.38、469.69、584.11、573.51、348.28、489.38、714.26 kg/hm2。從区域间差异来看，21世纪淮河以南地区（镇江、宜兴、高淳、昆山、兴化）无论地段单产还是理论单产均高于淮河以北地区（赣榆、徐州、淮安），其中淮河以南的平均地段单产为9 160.17 kg/hm2，淮河以北的平均地段单产为7 712.61 kg/hm2。由此可见，地段单产与理论单产之间关联度非常高，各地理论单产比地段单产偏高的幅度为348.28～714.26 kg/hm2，若不考虑区域差异，理论单产比地段单产平均偏高538.43 kg/hm2。
2.3 构建综合气候适宜度
通过温度适宜度、日照适宜度、降水适宜度与地段单产的相关系数，确定温度、日照和降水的权重（表3），对于淮河以南地区，温度适宜度对水稻地段单产的影响权重均占比最大，在0.453～0.751之间，其次是日照适宜度，降水适宜度所占影响权重较日照适宜度相对小一些;对于淮北地区，赣榆地区气象条件影响权重排序为温度适宜度>降水适宜度>日照适宜度，徐州和淮安气象条件影响权重排序为日照适宜度>降水适宜度>温度适宜度。由此可见，温度、日照、降水适宜度对地段单产的影响权重存在地区差异，可能与地理位置、地形、气候条件、田间管理措施、生产技术水平等有关。
根据以上温度、日照、降水的影响权重，按照公式（2）构建各站水稻地段单产的综合气候适宜度，并计算镇江、宜兴、高淳、昆山、兴化、赣榆、徐州、淮安综合气候适宜度与地段单产的相关系数，分别为0.640、0.218、0.315、0.600、0.550、0.343、0.475、0.272，经相关性检验，镇江、昆山、兴化均通过了0.001显著性检验，徐州通过了0.01显著性检验，赣榆通过了0.05显著性检验，宜兴、高淳、淮安相关性比较弱。从分权重综合气候适宜度与归一化地段单产的时间变化序列来看，以镇江为例（图3），两者的波动特征总体相近、时间变化趋势基本一致，从20世纪90年代开始均呈现出较明显的增加趋势，其中2013年两者间的差异比较大，主要是因为2013年7—8月江苏省淮河以南地区出现了1961年来罕见的大范围持续性高温天气，全省有34个站点累计高温日数超本站历史记录，而镇江站的温度适宜度对水稻地段单产的影响权重最大，所以计算出的水稻综合气候适宜度为21世纪最小值（0.050），但是实际的地段单产却并不小，这与品种抗高温能力、农业部门采取了抗高温措施等有关，因此，当遇到极端气候事件时，综合气候适宜度与地段单产之间对应关系差，此时须要考虑农业生产实际情况。总的来说，构建的综合气候适宜度在大部分地区与地段单产之间具有较好的对应关系，在小部分地区对应关系不明显。
2.4 水稻综合气候适宜度年代际空间分布特征
为进一步了解历史上各年代江苏省综合气候适宜度空间分布变化特征，利用百分位法[19]计算20%、75%对应的综合气候适宜度百分位数，将其分为较适宜、适宜、最适宜3个等级，对应的数值分别为0.54～0.58、0.59～0.64、0.65～0.68，应用ArcMap 10.0中空间反距离权重插值法，将70个站点的综合气候适宜度值插值到各个格点，最后绘制各年代水稻综合气候适宜度等级空间分布图。从江苏省水稻综合气候适宜度的分区来看（图4），综合气候适宜度存在明显的地域分布规律，且存在年代际变化，20世纪60年代至80年代，适宜区所占面积最大，其次是最适宜区，较适宜区非常少，其中最适宜区主要位于沿江和江淮之间，气候最适宜区与该地区相对气象产量最高是相对应的;从20世纪90年代开始，最适宜区面积明显减少，较适宜区面积在逐步增加，进入21世纪，最适宜区已经几乎为零，较适宜区已经由原先的丰县扩展至整个徐州，其他地区基本为适宜区。
3 结论与讨论
本研究利用江苏省农业气象试验站近几十年的田间观测资料，分析了穗粒数、千粒质量、单位面积有效穗数、空壳率的时空变化特征，确定了产量三要素占单产的权重，揭示了理论单产与地段单产（即实际单产）之间的关系，构建了由温度、降水、日照3因子构成的综合气候适宜度，探讨了综合气候适宜度与地段单产之间的关联度及近50年江苏地区综合气候适宜度年代际空间变化特征。
1980—2016年，地段单产与穗粒数均呈显著的线性上升趋势，分别达0.66 kg/（hm2·年）、0.82粒/年，到21世纪区域间差异逐步缩小;千粒质量存在区域差异，但年代际间区域性差异变化不大，总体变化范围是20.1～36.9 g。产量结构三要素占地段单产权重的总体排序为穗粒数（0.345）>千粒质量（0.330）>单位面积有效穗数（0.326），穗粒数对地段单产的权重最大，大穗依然是水稻高产的主要途径。水稻空壳率总体在逐步降低，从20世纪90年代中期起，淮河以南地区空壳率明显小于淮河以北地区，可能与农业生产水平的不断提升以及品种改良有关。
理论单产与地段单产的时间波动特征基本一致，两者间的历年比值均在0.93以上，理论单产总体高于地段单产，平均偏高538.43 kg/hm2。对于淮河以南地区，温度适宜度对水稻地段单产的影响权重大于降水适宜度和日照适宜度，构建的综合气候适宜度在大部分地区与地段单产有较好的对应关系，尤其是镇江、昆山、兴化，相关系数通过了0.001显著性检验。
综合气候适宜度存在明显的年代际变化，从20世纪90年代开始，最适宜区面积明显减少，较适宜区面积在逐步增加，到21世纪初，最适宜区已经几乎为零。
当然，产量结构除了受光温水综合影响外，还与栽培方式、作物品种、田间管理措施等有关，因此构建的综合气候适宜度在部分区域，与单产的相关性比较弱，后续的研究中可以通过考虑更多的影响因子，为提高单产提供更可靠的气象保障。
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