江苏太湖地区不同生育类型粳稻品种产量对不同播期气候因子的响应

董明辉 陈培峰 江 贻 曹鹏辉 宋云生 顾俊荣 谢裕林乔中英 张文地 黄丽芬

1 江苏太湖地区农业科学研究所, 江苏苏州215155; 2 江苏省作物栽培生理重点实验室, 江苏扬州225009; 3 扬州大学, 江苏扬州225009

太湖稻区水稻种植历史悠久, 是中国典型的稻麦两熟制种植区域, 水稻常年种植面积2×105hm2左右, 适宜的温光条件使得在本地区不同生育类型的粳稻品种均有种植[1], 平均产量水平9000 kg hm-2左右。水稻高产不仅取决于品种更替和栽培措施优化,也与气候因子适宜匹配密切相关[2-5]。受气候变暖趋势的持续影响[6-7], 两熟制季节矛盾加剧[8], 使近 30年江淮地区水稻播期不断推迟, 生育期缩短, 产量下降, 且未来变化趋势还将持续[7,9], 因此, 深入研究气候因子与品种生育特性间的关系, 合理安排品种布局和适宜播期, 才能充分发挥不同类型品种的温光特性以最大程度地获得高产。分期播种方式可调节水稻生育期气候条件变化, 是研究气候因子与水稻产量间关系常用的手段, 但研究结论因生态区域、品种类型和播期设置等因素不同而不尽相同[8,10-12]。随着播期推迟, 不同品种类型水稻全生育期的积温、日照时数及温光利用率均呈极显著的减少趋势[13-14]。有效积温是影响产量最关键的气候生态因子, 生育期内, 日活动积温和日有效积温及其利用率与粒数、千粒重、结实率及产量显著或极显著正相关[15], 而温度升高使水稻生育进程加快而导致生育期缩短, 温光利用率降低, 但适当增加抽穗至成熟阶段的日均温, 可增加千粒重提高产量[16]。以往研究多针对单一品种或同一品种类型进行研究,关于太湖地区不同播期下气候生态条件变化及其对不同生育类型水稻产量及其构成的影响研究几乎未见报道。

本研究立足于江苏太湖稻区, 以 2个不同生育类型的品种为供试材料, 在高产栽培条件下, 通过分期播种试验, 研究播期与不同熟期品种水稻产量、生育期的影响及其与气候因子的相关关系, 旨在明确不同播期不同品种类型水稻产量、生育期及温光利用的差异, 以期为本地区不同播期科学配套水稻品种类型提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2018年和2019年在苏州市农业科学院试验农场进行(31°27′10"N, 120°25′12"E)。2 年试验在同一地块进行, 前茬小麦, 土壤质地为黏土, 有机质含量23.7 g kg-1, 速效氮、速效磷和速效钾含量分别为 160.2 mg kg-1、8.2 mg kg-1和 125.0 mg kg-1。供试水稻品种均为常规粳稻品种, 分别是早熟品种稻苏 1785 (全生育期 145 d)和晚熟品种苏香粳 100(全生育期168 d)。

1.2 试验设计

采用裂区设计, 设置品种(V)和播期(B)两个处理, 其中品种为主区; 播期为副区, 设4个播期, 播种时间分别为5月11日(B1)、5月21日(B2)、5月31日(B3)和6月10日(B4); 共8个处理。小区面积为20 m2(6.0 m × 3.3 m), 品种小区随机排列, 3次重复。主区间做埂隔离, 并用塑料薄膜覆盖埂体, 保证各小区单独排灌。

模拟钵苗机插栽培方式, 移栽秧龄 30 d, 株行距为12 cm × 33 cm。试验各小区总施氮量为270 kg hm-2, 氮磷钾配比为N∶P2O5∶K2O = 2.0∶0.5∶1.0,其中氮肥施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶4∶3,分蘖肥和穗肥分 2次等量施用, 磷肥全作基施, 钾肥分基肥和促花肥2次等量施用。水分管理及病虫草害防治等相关栽培措施, 均按照各自高产栽培要求实施。

1.3 测定内容

1.3.1 温光气候因子 试验期间日均温、降雨量和日照时数等气象数据由苏州市气象局提供, 有效积温式中:N为生育期天数(d);Tmax和Tmin分别为最高和最低气温(℃)。

1.3.2 干物质、叶面积、叶面积指数、物质运转 分别于拔节期、抽穗期和成熟期, 按每小区茎蘖数的平均数, 取代表性植株3穴, 分叶、茎、鞘和穗4部分(拔节期仅分为叶和茎鞘), 105℃下杀青30 min,80℃下烘干至恒重, 测定各部分干物质重, 并采用比重法测定叶面积。采用叶绿素仪(SPAD-502)测定叶片叶绿素含量, 于水稻不同生育期, 每小区随机选取10片剑叶, 分别测量剑叶的上、中、下3个部位, 取其平均数作为该叶片的SPAD值, 以3组数据的平均值作为该生育期的测定值。

1.3.3 产量构成因素 在成熟期, 采用五点法每小区普查50穴, 计算有效穗数, 并根据平均成穗数,取 3穴调查每穗粒数和结实率, 测定千粒重, 计算理论产量, 并实收核产。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel和SPSS软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同播期处理水稻生育进程及各生育阶段气候因子

随着播期的推迟, 早熟品种苏1785和晚熟品种苏香粳100, 在播种至拔节、拔节至抽穗和抽穗至成熟生育天数均出现不同程度的缩短(图2)。从水稻各生育阶段来看, 播种至拔节期明显缩短, 苏香粳100播种至拔节期的天数2年平均缩短达17 d, 苏1785缩短达12 d; 2个品种拔节至抽穗期和抽穗至成熟期在不同播期间相对稳定略有下降, 相邻播期间相差1～2 d。在本地区不同播期温光条件对晚熟品种生育前期(播种至拔节期)的影响较早熟品种大, 其生育天数易受播期调控。

不同播期各生育阶段的气候因子见表1。从品种类型看, 晚熟品种苏香粳 100全生育期日均气温低于早熟品种苏1785, 有效积温和日照时数则相反,降雨量在年度间的表现不同。各生育阶段表现也有所不同, 晚熟品种苏香粳 100除播种至拔节阶段日均气温比苏1785高外, 其他生育阶段均低于早熟品种苏 1785; 降雨量和有效积温表现一致, 播种至拔节和拔节至抽穗阶段苏香粳 100较高, 在抽穗至成熟阶段较低。从播期看, 2个品种均表现为播期越早, 播种至拔节阶段日均气温较低, 拔节至抽穗和抽穗至成熟阶段日均气温较高, 而2个品种有效积温表现不一致, 苏香粳100随着播种推迟, 各生育阶段有效积温均呈不同程度下降的趋势, 苏 1785则在 B1、B2和B3三个播期间的差异不明显, B4则降幅明显。

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2.2 播期对不同品种类型水稻产量的影响

经方差分析可知(表2), 产量在年度间的差异不明显(F=1.02), 在品种间、播期间、年度×品种(S×V)、年度×播期(Y×S)、品种×播期(V×S)和年度×品种×播期(Y×V×S)间的互作效应间均存在极显著差异。

表2 产量在年度、品种类型与播期间的方差分析Table 2 Variance analysis of year, variety type, seeding date and their interaction

由表3可知, 年度间与品种间产量有互作效应,2个不同生育期类型品种间产量的表现不同, 苏1785在2018年度在各播期的平均产量低于2019年度, 而苏香粳100则相反。总体而言, 在不同播期的2年平均产量表现为苏 1785高于苏香粳 100, 且不同熟期类型粳稻间受播期影响程度不同, 2年产量在播期间的变异系数表现为苏香粳100 ＞ 苏1785。不同播期间产量的差异表现为: 随着播期的推迟, 不同生育期类型粳稻产量表现不一, 2018年度早熟品种苏1785产量以B2最高, 其次是B1, 2019年度则相反, 但两者差异不显著, 随后随着播期推迟, 显著下降; 晚熟品种2年均随着播期推迟显著下降。结果还表明, 播期每推迟10 d, 苏香粳100产量平均下降 277.11 kg hm-2, 苏 1785产量平均下降151.60 kg hm-2, 在早播条件下(B1), 晚熟品种苏香粳100产量均高于早熟品种苏1785, 但在晚播条件下(B3和B4)呈相反的趋势, 说明晚熟品种在本区域产量受播期的影响较大, 适期早播产量优势明显,随播期推迟产量下降明显。

播期对 2个不同生育期类型品种间产量构成因素的影响表现为: 有效穗随播期的推迟均呈显著降低的趋势, 而每穗总粒数、结实率、千粒重在播期、年度间的差异因品种特性不尽相同。2018年度早熟品种每穗总粒数在播期间的差异不显著, 2019年度则随播期推迟显著下降; 晚熟品种在 2年的趋势一致, 随播期推迟显著下降, 特别是迟播条件下(B4)每穗总粒数下降幅度明显。播期对早熟品种千粒重的影响较小, 2018年和2019年度早熟品种千粒重在不同播期间的差异均未达显著水平, 而对晚熟品种千粒重有较大影响, 2年均表现为: 随着播期的推迟而显著下降的趋势, B4播期比B1播期千粒重2年平均下降了2.46 g。2年不同播期间晚熟品种的结实率无显著差异, 但早熟品种B1播期的结实率显著低于其他 3个播期, 可能是早播条件下早熟品种孕穗期正好遇到 8月上中旬的高温热害天气, 从而导致结实率下降。

2.3 播期对分蘖成穗的影响

随着播期的推迟, 2个品种均表现为分蘖中期和拔节期群体茎蘖数增多; 抽穗期和成熟期群体茎蘖数缓降。说明播期推迟, 水稻分蘖期加速分蘖, 茎蘖数明显增多, 拔节后茎蘖数迅速消亡, 致成熟期穗数下降。究其原因可能是, 播期推迟, 水稻移栽后,分蘖期所处环境温度逐渐升高, 光照日益充足, 更利于水稻分蘖发生, 水稻分蘖能力大幅提升, 茎蘖数爆发式增长, 但矮小、羸弱和发育不良的茎蘖较多, 拔节后逐渐消亡, 成穗率下降。

表3 播期对不同品种类型水稻产量及构成因素的影响Table 3 Effects of seeding dates on grain yield and yield components from 2018 to 2019 in rice

2.4 播期对干物质积累和运转的影响

不同播期下不同生育类型的粳稻, 各关键生育时期群体干物质累积量和群体生产率均存在明显差异, 表4显示随着播期推迟, 2个品种的播种至拔节干物质积累量和群体生产率均呈明显上升的趋势,拔节至抽穗和抽穗至成熟干物质积累量和群体生产

率均呈明显下降的趋势。说明适宜早播能调节各生育阶段干物质积累比例, 有效控制生育前期干物质积累, 保证抽穗期群体适宜干物质积累水平, 提升灌浆结实期干物质积累及比例, 为产量形成打下坚实的物质基础。

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同时, 播期对不同生育期类型品种各关键生育期物质生产的调控也有所区别(表4), 播期推迟对苏1785抽穗前的影响要高于苏香粳 100, 其中播种至拔节干物质积累量和群体生产率在B4播期分别比B1播期高0.27 t hm-2、20.51 kg hm-2d-1(2018年)和1.09 t hm-2、27.65 kg hm-2d-1(2019 年), 拔节-抽穗干物质积累量和群体生产率降低 1.58 t hm-2、23.66 kg hm-2d-1(2018年)和1.92 t hm-2、29.66 kg hm-2d-1(2019年); 播期推迟对晚熟品种苏香粳100抽穗后干物质积累量和群体生产率的影响要高于苏1785, B4播期分别比B1播期降低1.40 t hm-2、22.82 kg hm-2d-1(2018年)和1.12 t hm-2、18.04 kg hm-2d-1(2019年)。从抽穗后的茎鞘物质输出率和运转率也可以看出, 晚熟品种抽穗偏迟, 抽穗后气温下降较快, 日长变短, 晚播条件下晚熟品种茎鞘物质输出率和运转率下降迅速,不利于茎鞘物质的转运和灌浆物质的积累。

2.5 播期对叶面积指数、SPAD值和光合势的影响

图4显示随着播期的推迟, 各类型品种在拔节期的叶面积指数呈上降趋势, 在抽穗期和成熟期均呈下降趋势; 不同播期各类型品种 SPAD值在拔节期相当, 在抽穗期和成熟期均呈下降趋势; 随着播期的推迟, 播种期到拔节期、拔节期到抽穗期和抽穗至成熟期的光合势均呈下降的趋势, 但因品种生育特性不同影响程度不同, 苏1785播种至拔节阶段B4播期比B1播期光合势下降了31.11×104m2d hm-2,拔节-抽穗阶段下降了24.53×104m2d hm-2, 而苏香粳100播种-拔节阶段B4播期比B1播期光合势下降了22.47×104m2d hm-2, 拔节至抽穗阶段下降了15.24×104m2d hm-2, 迟播对早熟品种抽穗前光合势的影响程度高于晚熟品种。

2.6 产量及其构成因素与各生育阶段气候因子的相关分析

表5显示的是不同生育阶段的温光条件与产量以及产量构成之间的关系。从表中可看出, 早熟品种苏 1785有效穗与各生育阶段日照时数均呈显著或极显著正相关; 每穗总粒数与拔节至抽穗、抽穗至成熟和全生育期的日照时数以及拔节至抽穗和全生育期的日均气温呈显著或极显著正相关, 与拔节至抽穗的降雨量呈显著负相关; 结实率与拔节至抽穗和抽穗至成熟的日照时数呈极显著负相关; 千粒重与抽穗至成熟和全生育期的日照时数呈显著或极显著正相关; 产量与各生育阶段的日照时数、拔节至抽穗和全生育期的日均气温以及全生育期的有效积温均呈显著或极显著正相关。从相关系数的大小来看, 气候因子对苏1785影响程度大小依次为: 日照时数＞日均气温＞有效积温＞降雨量。晚熟品种苏香粳 100有效穗、每穗总粒数、结实率、千粒重与日照时数关系密切, 除与抽穗至成熟阶段的日照时数不相关外, 与其他各生育阶段均呈显著或极显著的正相关关系; 拔节至抽穗的日均气温对有效穗的影响较大, 这个阶段较高的日均气温有利于增加苏香粳 100的有效穗; 拔节至抽穗、抽穗至成熟的有效积温分别与每穗总粒数、千粒重有显著的正相关关系。从相关系数的大小来看, 气候因子对苏香粳100影响程度大小依次为: 日照时数＞有效积温＞日均气温＞降雨量。

表5 气候因子与产量及产量构成因素的相关关系Table 5 Correlation between climatic factors and yield and yield components

3 讨论

3.1 播期对不同生育类型水稻产量的影响

适宜的播期能通过调节各生育阶段温度、日照和降雨量等气候因子而调控水稻的生育进程和产量形成, 是水稻生产中的重要技术措施[17-18]。关于播期对水稻产量形成的影响已有较多研究报道, 多数认为随着播期的推迟, 水稻的营养生长期缩短, 穗粒数和千粒重逐渐减少, 产量也随之降低。适时早播可增加前期有效积温, 延长营养生长期, 从而实现高产[19-20], 这与本研究的结果基本一致。播期对水稻产量的影响程度还因品种类型而异, 随着播期的推迟, 一般晚粳品种类型较中粳品种类型生育期天数缩短的略多, 许轲等[21]认为播期对不同类型熟期品种产量及其构成因素的影响表现为中熟晚粳＞迟熟中籼＞早熟晚粳＞迟熟中粳＞中熟中粳。符冠富等[22]研究表明播种至齐穗期的温光条件对杂交稻产量的影响主要是通过影响其草重、有效穗和总粒数得以实现的, 而常规稻产量与温光条件之间的相关系数均没有达显著水平。大穗型水稻受播期影响更明显, 播期推迟, “源、库、流”矛盾加剧, 单茎营养明显不足, 有效穗下降, 穗型变小, 穗型优势渐弱[23]。本研究发现晚熟品种较早熟品种在太湖地区产量优势明显, 主要是生育期偏长的品种类型更具有高额产量的生物学潜力, 光合能力和群体生产率显著高于早熟品种。不同生育期类型水稻品种感温与感光性不同, 产量在播期与年度间的变化表现不同, 晚熟品种的群体生产力比早熟品种更易受温光条件的限制, 表现为在不同播期条件下晚熟品种的稳产性较早熟品种差, 播期每推迟 10 d, 早熟品种产量平均下降277.11 kg hm-2, 早熟品种产量平均下降151.60 kg hm-2, 且在年度间的变异也比早熟品种大。

温度和日照时数是影响水稻生长发育进程的重要生态因子, 播期主要通过调控这 2个因子来影响水稻的生长发育。播期对2种不同类型生育期品种的有效穗和穗粒数的影响均表现随播期的推迟明显降低, 主要是由于播期推迟, 生育前期日均气温升高, 极大缩短了播种至拔节期的生育天数, 有效积温和日照时数反而呈下降的趋势。高温加快发育,虽然能显著提高前期干物质的积累量和群体生长率,增加群体叶面积指数和光合势, 但生育期变短, 有效积温和日照时数不足导致前期过多的分蘖不利于培育健壮的个体, 无效分蘖增多, 影响分蘖成穗与颖花形成。穗粒数在2个品种间的表现不尽相同, 不同播期对早熟品种的影响无显著差异, 但推迟播种显著降低了晚熟品种的千粒重。究其原因, 早熟品种抽穗较早, 在本试验条件下, 无论早播还是晚播,在 10月 20日前均能成熟收获, 灌浆结实期能获得适宜的日均温度和充足的有效积温, 适宜的温光条件有效促进了后期干物质运转率和籽粒灌浆速度,而晚熟品种晚播条件下, 抽穗期推迟至9月20日后,成熟期也相应的推迟至11月中旬, 容易遇到本地区10月下旬至11月上旬的极端低温天气, 灌浆结实期有效积温不足, 水稻光合能力下降, 叶面积衰减加剧, 降低了灌浆结实及物质运转能力, 籽粒充实度差, 千粒重下降。相关研究表明, 结实率易受气候因子特别是温度的影响, 穗分化期特别是减数分裂期高温会引起水稻结实不良[24], 早熟品种在 B1播期结实率显著低于其他 3个时期是影响产量形成的主要原因, 因此早熟品种在播期选择时应考虑孕穗抽穗期避开8月上中旬的高温热害天气。

3.2 不同生育阶段的温光差异及对水稻产量形成的影响

水稻产量直接来源于光合生产, 光合势和群体生长率都是表征群体光合生产能力的重要指标, 各生育阶段的温光差异直接影响了水稻的生长发育进程, 物质光合生产和转化能力[22-23,25]。有研究表明在自然条件下穗分化期气温升高, 昼夜温差大, 光辐射强度高的天气条件有利于干物质积累, 降低颖花退化率[26]。一次分蘖成穗率与分蘖期平均气温日较差、积温、日照时数呈显著正相关, 而与分蘖期日平均相对湿度、平均气温呈显著负相关[27]。本研究表明, 不同播期下各生育阶段气候因子变化具有较大差异, 有效积温在各时期随播期推迟均呈下降的趋势; 日照时数在抽穗至成熟期差异不大, 其他时期下降明显; 虽然不同播期全生育期日均气温相差不大, 在播种至拔节期随播期推迟均上升, 而在抽穗至成熟期下降明显, 且年度间表现基本一致; 降雨量在年度间有所差异, 在各时期的变化无明显规律。推迟播期, 由于日照时数和有效积温的降低, 降低了拔节后水稻的 LAI, 引起光合势和群体生长率的显著下降, 故其抽穗前干物质积累量显著下降,导致抽穗后营养器官干物质输出量和转移量下降,产量显著降低。各生育阶段气候因子与产量的相关分析表明, 早熟品种播种至拔节期日照时数、有效积温和拔节至抽穗期日均气温、日照时数与产量呈显著正相关, 晚熟品种抽穗至成熟期的日均气温和有效积温与产量呈显著正相关, 因此不同播期条件下抽穗前气候因子变化是影响早熟品种产量形成的关键因素, 而对于晚熟品种而言, 抽穗后温光条件是影响产量形成的关键因素。同时, 研究还发现不同阶段日照时数与不同熟期品种产量间的相关系数均呈显著或极显著的正相关, 表明太湖地区日照时数是影响水稻产量的首要因子, 而降雨量与产量间的相关系数则没有达显著水平。日均温和有效积温对不同熟期品种产量的影响程度表现不尽相同, 日均气温和有效积温与早熟品种的产量均呈显著正相关, 而日均气温与晚熟品种产量无显著关系。由此可看出, 不同熟期品种产量及产量构成对不同生育阶段温光条件的响应存在差异。

4 结论

水稻不同播期下温光因子变异较大, 不同生育类型水稻干物质生产和产量对播期的响应存在差异。推迟播种均使 2个生育类型品种光合生产和物质转化能力下降, 但晚熟品种在播期间和年度间产量的变幅比早熟品种大, 更易受气候因子的调控。在江苏太湖地区, 早熟品种应适当推迟播种, 播种期安排5月20日较为适宜, 在播种至抽穗期充分获得日照时数和有效积温的基础上, 避开 8月上中旬高温热害给结实率带来的风险, 从而获得高产; 晚熟品种应适当早播, 在5月10日较为适宜, 可防止抽穗后温光不足导致籽粒灌浆慢, 千粒重大幅下降。