两类光照条件年份下遮膜模拟晴天霾情景对水稻生长与产量的影响研究

汪天颖， 张 弥， 张富存， 越 昆， 黄笑颖，刘寿东， 肖 薇， 王 伟， 李旭辉

(1.湖南省气象科学研究所，长沙 410118； 2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；3.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；4.School of Forestry and Environmental Studies,Yale University,New Haven 06511,USA)

引 言

水稻是全球三大粮食作物之一，其生长发育、产量形成均与地表接受的太阳辐射密切相关。20世纪后半叶以来，受全球工业化、城镇化的推进、交通规模的扩大、能源消耗、自然灾害等影响，大气中气溶胶含量增加[1-2]，灰霾天气迅速增加[3]，导致全球大部分地区地面接收的太阳辐射通量下降，出现“暗化”(dimming)现象[4]。尤其20世纪80年代以来中国平均霾日增多趋势明显[5-6]。灰霾天气造成太阳总辐射与直接辐射下降，而散射辐射比例增加[7-8]，其主要影响晴空太阳辐射，如中国东部地区中、重度霾天气条件下太阳辐射强度会受到明显削弱，使晴空下的总太阳辐射减少20%～50%，散射辐射占比增加10%～40%[9-11]。有研究表明，太阳总辐射减少会造成作物减产[12-15]，也有研究发现，受散射辐射增加的“增肥”效应影响的地区，自然及农业生态系统的总初级生产力和净初级生产力高于普通光照条件地区的[1,16]，利于作物产量增长。因此，霾天气环境下太阳辐射的改变对水稻生长有何影响,生长季不同光照条件下霾天气对水稻的影响有何差异,粮食生产安全对此高度关切。

太阳辐射是植物光合作用的重要驱动因子，其相关的生理机理模型已应用于水稻作物模型。基于水稻模型模拟的研究表明，太阳总辐射量与水稻的产量呈现较好的一元线性相关性，其中太阳总辐射每增加(减少)1%，水稻产量约上升(下降)0.75%[17]。由于模型模拟中存在太阳总辐射的敏感性较弱、散射辐射比例误差较大等情况[18-19]，因此水稻模型在灰霾影响中的不确定性需要试验验证。目前关于灰霾对农作物产量影响的大田验证试验还鲜有报道，模拟太阳辐射变化对水稻生长影响的研究大多使用遮阳网遮阴的盆栽试验方式，遮光率达到45%～80%，且改变了光谱组成[12,15,20-23]，对灰霾天气下太阳辐射变化的模拟程度存在较大差异。应用无色透明塑料网、膜遮阴的方式模拟与实际霾天气的光谱辐射能变化特征吻合程度高[10,24]。越昆等[11]通过对塑料膜光质和光量的测试，发现PE塑料膜能够有效地模拟出灰霾天气造成的太阳辐射强度削弱、散射辐射增加的事实，同时又具备不改变太阳辐射的光谱特征及其各向异性的特点。近年Shao等[25-26]使用白色透明薄膜模拟灰霾对水稻的生长影响，结果发现，霾天气中散射辐射比例增加的“增肥”弥补了部分产量损失，并造成叶面积指数等发生变化。

本研究试验地位于长江中下游地区，属全球最重要的水稻产区之一[27]，试验所在地区水稻生长季内平均日照时数约为650 h。研究在2014年(光照条件偏差的年份)与2015年(光照条件较好的年份)采用PE 塑料膜在水稻生长季内进行遮阴大田试验，模拟灰霾天气，从而明确灰霾天气对大田水稻群体叶片、株高等生长要素及其产量的影响，并发现导致水稻生产要素及产量变化的主要因素。该研究可为太阳辐射变化背景下水稻不同层次叶片生长、地上部分生物量分配、产量结构因子形成等模型的构建、订正提供理论基础和数据支撑，而两类光照条件影响程度差异及其规律研究也可为水稻生产在霾天气影响下的预报、监测和评估提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 田间霾模拟试验设置

试验分别于2014年、2015年在江苏省南京市浦口区落桥村(32°12′N、118°40′E)水稻大田中进行。试验在水稻返青末期至成熟收割期(7月上旬-10月中旬)于晴天进行盖膜。阴天、雨天不进行处理，尽可能满足只改变辐射因子。试验设置1个盖膜处理(T)，即采用透明塑料薄膜(PE 塑料膜)材料对水稻进行遮阴处理，使得盖膜试验样地内晴天条件下，太阳总辐射量比对照组减少30.7%，散射辐射比例增加20.4%，符合有效模拟灰霾天气造成的太阳辐射环境要求[11]；同时设置1个对照组(CK)，不设遮膜处理，全生长季为自然光照条件。每个小区面积为4.5 m×3.0 m，采用随机区组设计，每个处理重复4次，详见图1。处理方式为：在距地1.5 m高度处用3层120 μm的PE膜进行盖膜，同时保证水稻群体内通风条件。T与CK在水稻品种、水肥管理等方面保持一致。试验水稻品种为南粳46，移栽时每穴基本苗3株，行株距为25 cm×25 cm。

图1 遮阴试验小区及仪器分布

1.2 测定项目与方法

株高和叶面积动态测定：遮膜试验期间，每隔7～10 d测定1次水稻的株高与上、下层的绿色叶片，并计算其面积，每个小区随机选取10穴测定植株高度。由于水稻不同叶位叶片对于穗部物质供应影响有较大差异，而且功能叶(倒一、二、三叶)对籽粒充实度有显著影响[28-30]，因此将水稻叶片分为上层叶(自植株顶端叶片往下数共3片叶)和下层叶(自植株底端叶片往上数共3片叶)分别测定，以研究水稻不同层次叶片受灰霾影响机制。随机选取10株分蘖测定其上层叶、下层叶的叶片长度、宽度，同时根据叶面积=长×宽×校正系数(取校正系数为0.75[31])，计算上、下层的叶面积。

比叶面积计算：比叶面积(SLA)为单位重量下的叶片面积[32]，即SLA=叶片面积(cm2)/叶片干重(kg)。

生物量测定：水稻收获后即测定植株地上部分干重。测定方法为每个小区随机取10株分蘖，将其分为穗、叶片、茎3部分，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，于85 ℃下烘干至恒重，测定其干重。

产量测定及干物质分配系数计算：按《农业气象观测规范》[33]规定进行产量结构分析。水稻成熟收获期使用1 m×1 m的木框辅助圈地取样，测定每平方米成穗数；在每块样地中收割2.0 m2植株脱粒晒干，进行水稻考种，测定千粒重、每穗粒数、每穗空瘪粒数，计算出结实率、空秕率、理论产量。穗、叶、茎分配系数分别为成熟期的穗、叶、茎干重与植株地上部分总干重的比值[34]。

变化率：定义某要素的T结果相比CK变化值的百分率为某要素的变化率。则

其中，Ri为i要素的变化率，Ti和CKi分别为T和CK中i要素的数值。变化率为正(负)值时说明T中该要素的测量值高于(低于)CK的。

1.3 环境光照及温度数据

太阳辐射数据应用SPN1-MS1散射辐射计(Delta-T, Inc. UK)采集，分别在CK和T的距地1.2 m高处安装散射辐射计(详见图1)，全天候自动观测太阳总辐射和散射辐射，采样频率为每间隔0.5 h/次。日照时数数据来自全国综合气象信息共享平台(Meteorological Unified Service Interface Community)。气象资料为邻近试验地的浦口地面气象站(32°4′N、118°34′E)逐日日照时数资料，时间段为1981-2010年、2014年、2015年的7月1日-10月20日。冠层温度数据应用ST红外测温仪(Raytek, Inc. USA)采集，选择生长均匀一致且有代表性的CK和T叶面采集红外测温样本，每隔7～10 d人工观测1次。

1.4 统计分析方法

试验数据统一使用SPSS(IBM SPSS Statistics 22.0)进行统计分析计算，采用独立样本T检验方法对数据进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 试验期间光照与温度的特征

光照特征。两年试验大田观测处理期间，2014年太阳总辐射为1493.5 MJ/m2，总日照时数为496.8 h，2015年太阳总辐射为2055.6 MJ/m2，总日照时数为705.3 h，两年的太阳总辐射和总日照时数分别相差了562.1 MJ/m2(27.34%)和208.5 h(29.56%)。由于日照时数与太阳总辐射有良好的线性相关性[35]，两者差异的比例较为一致。当地1981-2010年30年历史同期日照时数为647.1 h。2014年较历史同期偏少150.3 h，代表了日照条件明显偏差的年份；2015年较历史同期偏多58.2 h，代表了日照条件比较好的年份。可见两年的光照条件具有典型性和代表性。T的太阳总辐射在2014年、2015年分别比CK减少了236.4 MJ/m2(15.83%)、427.1 MJ/m2(20.78%)，T的散射辐射占总辐射的比例在2014年、2015年分别较CK增加了22.13%、24.64%(表1)。

表1 2014年和2015年水稻大田生长期间太阳辐射及日照时数分布

温度特征。通过红外测温仪测得2014年CK和T的水稻冠层平均温度分别为25.3 ℃和25.1 ℃，T较CK的变化范围为-0.8～0.2 ℃，平均降低0.2 ℃。2015年CK和T的冠层平均温度分别为24.5 ℃和24.3 ℃，T较CK变化范围为-0.9～0.2 ℃，平均降低0.2 ℃。

2.2 遮膜处理对水稻形态特征的影响

(1)株高生长的变化特征

利用遮膜模拟灰霾环境，其对水稻株高的影响如图2所示。两年试验中，株高在拔节-抽穗期间的平均增速分别为：2014年的1.40 cm/d(T)和1.33 cm/d(CK)，2015年的1.41 cm/d(T)和1.36 cm/d(CK)。与CK相比，拔节-抽穗期间株高的变化率在2014年增加了5.26%、2015年增加了3.68%；灌浆开始后株高的变化率在2014年增加了1.36%、2015年增加了2.96%。同一时期T株高比CK的均略有增加，且在灌浆开始之后差异较大，在灌浆-成熟期达到最高，该时段株高平均值：2014年的为115.10 cm(T)和113.56 cm(CK)，2015年的为110.05 cm(T)和106.89 cm(CK)，差异达到极显著水平(P=0.01)。对比2014年及2015年的结果，植株在光照少的2014年较高，与CK的差异在光照多的2015年较大。

图2 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照试验中各组水稻株高的生长曲线图中观测值上部的*、**分别表示处理间在 0.05、0.01水平上的差异显著性，下同

(2)叶片生长的变化特征

上层叶面积的变化特征。图3为T和CK生长季内水稻上层叶片平均面积的变化曲线。T的上三叶叶面积在同期较CK的均有所增加，且在分蘖末期之后二者差异最大。两类年份上层叶面积相比，T上层叶面积在光照少的2014年较高，T和CK上层叶面积的差异主要出现在分蘖末-拔节期和灌浆后期-成熟期，最大叶面积差异出现在拔节期，为2.70 cm2(4.96%)，其次在成熟期，为2.42 cm2(5.75%)。T上层叶面积在灌浆开始之后的减少速率低于CK的。在光照多的2015年，灰霾处理与CK的上层叶面积差距较大，在分蘖末期之后二者上层叶面积出现显著差异，最大叶面积差异出现在乳熟期，为6.41 cm2(21.2%)。2014年、2015年在分蘖末期之后上层叶面积分别增加了1.55 cm2(3.16%)、3.98 cm2(11.81%)，表明光照多的年份上层叶面积增加更多。

图3 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照试验中各组上层叶面积的生长曲线

下层叶面积的变化特征。图4是遮膜光照条件下水稻下层叶片平均面积的生长曲线。T下三叶叶面积比CK的均有所增加，且在灌浆成熟期差异显著，光照少的年份(2014年)差异主要出现在灌浆期，最大差值为4.03 cm2(10.99%)；光照多的年份(2015年)差异主要出现在成熟期，最大差值为2.16 cm2(7.36%)，表明下层叶面积在光照少的年份增加相对较多，但在两类年份试验中相差不大。对比图3，遮阴处理后，上层叶面积的差距总是要大于同期下层叶面积的差距，说明遮膜处理对上部叶片面积的影响大于对下部叶片的影响。

图4 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照试验中各组下层叶面积的生长曲线

2.3 遮膜处理对水稻地上部分干物重及干物质分配系数的影响

两类光照条件年份，遮膜处理对水稻成熟期地上部分生物量及其分配系数的影响如表2所示。两类年份下遮阴处理后，成熟期各项生物量要素值普遍降低。但是，叶片要素与穗分配系数却有所不同。光照多的年份(2015年)，T处理叶片要素都是增加的(其中单株叶重显著增加(P=0.05)，叶分配系数极显著增加(P=0.01))，成熟期比叶面积增加(T和CK分别为412.8 cm2/kg和407.8 cm2/kg，T偏高了5.00 cm2/kg，即1.25%)，穗分配系数几乎维持不变(仅减少0.04%)；光照少的年份(2014年)，T处理成熟期比叶面积增加(T和CK分别为718.0 cm2/kg和583.9 cm2/kg，T偏高了134.10 cm2/kg，即22.97%)，穗分配系数有所提升(增加1.26%)。

表2 两类光照条件年份下遮膜试验处理各组的水稻成熟期地上部分生物量及其分配系数

对于单株茎重、单株叶重、单株穗重和地上部分总生物量四项要素，与CK相比，T中均为极显著减少；而比叶面积、穗分配系数有所增加。说明光照少的年份，干物质显著减少，但通过增加比叶面积而提高了穗分配系数。光照多的年份，只有单株茎重与茎分配系数呈极显著减少，而单株叶重和叶分配系数是显著增加的。说明在遮阴处理后，光照多的年份干物质积累从茎秆转移至叶片，从而维持了穗部的分配系数。同时还表明，遮阴处理后光照少的年份茎秆贮存的干物质减少极显著，而光照多的年份只有单株茎重呈极显著减少，单株穗重、单株地上部分总生物量等减少不显著。

2.4 遮膜处理对水稻产量与产量结构因子的影响

表3是两类光照年份下遮膜处理的水稻产量与产量结构因子，T处理两年的产量均极显著降低(P=0.01)。其中光照多的年份(2015年)减产率为9.95%，光照少的年份(2014年)减产率为6.81%，前者高出后者46.11%。光照多的年份在遮膜处理后产量仅为8391.31 kg/hm2，甚至低于未加遮膜处理时光照少的年份的产量(8866.70 kg/hm2)。产量构成因素中，遮膜处理后，每平方米成穗数两年均呈极显著减少，千粒重在2015年呈极显著减小，而2014年减小不显著；单株实粒数在2015年呈极显著增加，而2014年增加不显著；空秕率在2015年呈显著增加。由此说明，遮膜处理造成产量下降的主要原因为减少了每平方米成穗数(两年试验期间均达极显著水平);其次是影响了千粒重、单株实粒数和空秕率，造成千粒重减小和空秕率增加。同时单株实粒数有所增加，对产量形成产生了补偿效应。

表3 两类光照年份下遮膜试验处理各组的水稻产量与产量结构因子

3 结论和讨论

本试验研究中，2014年和2015年两年在大田观测期间(7月上旬-10月中旬)的太阳总辐射与总日照时数均相差近30%。通过对两类代表年份下水稻盖膜遮阴处理的田间对比试验分析，模拟评估了晴天霾情景下太阳总辐射量减少、散射辐射比例增加的太阳光照环境，分析了总日照时数偏多、总日照时数偏少两类典型年份水稻生长及其产量，揭示了不同类型光照年份水稻受霾影响的作用机制。结果发现，灰霾处理主要影响水稻形态指标中的株高、上层叶要素，地上部分生物量中的茎要素，产量结构因子中的每平方米成穗数，进而影响产量，且在光照多的年份中影响程度整体高于光照少的年份。具体结论如下：

(1)遮阴处理后水稻植株的株高、叶片的生长量均有所增加。遮阴后株高在拔节-抽穗期变化率增加最快，株高差异在灌浆-成熟期达到最高。遮阴对上层叶面积的影响大于对下层叶面积的影响，上三叶叶面积在分蘖末期之后差异显著，下三叶叶面积在灌浆成熟期差异显著。

(2)在霾天气影响下，叶片要素一般都有所增加，但不同类型年份间的变化情况不同。遮阴处理后，两类年份的上、下层叶的叶面积、比叶面积均有所增加，增加了光照的截获面积。叶重、叶分配系数在光照少的年份减少，在光照多的年份显著增加。成熟期比叶面积在光照多的年份增加少(1.25%)，在光照少的年份增加多(22.97%)。

(3)因霾天气影响，茎秆贮存的干物质比例减少，增加了叶片要素的比重，干物质分配倾向于维持穗部的分配系数。光照少的年份，成熟期单株茎重、单株叶重、单株穗重和地上部分总生物量等4项要素均呈极显著减少；比叶面积、穗分配系数增加。光照多的年份，只有单株茎重与茎分配系数呈极显著减少；单株叶重、叶分配系数显著增加，穗分配系数基本维持。说明遮阴处理后，茎秆贮存的干物质显著减少，其中光照少的年份减少更为严重；茎秆贮存的干物质比例减少，通过增加叶片要素的比重来维持穗分配系数；光照多的年份，干物质积累从茎秆转移至叶片，从而维持了穗分配系数；光照少的年份，干物质减少后增加了比叶面积，单位重量叶片的面积增加，通过增加光照截获面积提高了穗分配系数。

(4)受霾天气影响后，水稻产量显著减少，且光照多的年份减产率高于光照少的年份减产率，与此同时，霾条件下散射辐射所占比例增加,对水稻产量有一定补偿效应。两类光照条件年份下，遮阴处理后经济产量都会受到显著影响，其中光照多的年份减产率为9.95%，光照少的年份减产率为6.81%，光照多的年份减产高出46.11%。霾天气造成减产的主要原因是减少了每平方米成穗数，其次是造成千粒重减小和空秕率增加；同时单株实粒数有所增加，对产量有补偿效益。依据太阳总辐射与水稻产量的减少比例约为1∶0.75进行计算[17]，则2014年、2015年试验中散射辐射所占比例增加分别获得了5.06%、5.63%的产量补偿效应。

本研究遮膜模拟了晴天有霾的太阳辐射条件下，水稻产量、结实率、千粒重、有效穗数、地上部干物质重等有所下降，植株高度和增长速率均呈现增加的状态，叶片厚度变薄，变化趋势与遮阳网遮阴试验、日照时数减少的研究结果是相似的[22,36-40]。而任万军等[41]利用遮阳网研究遮阴对地上部分干物质分配的影响时，认为茎分配系数增加，穗分配系数降低。本研究中PE膜遮阴处理试验结果表明，茎分配系数减少，而穗分配系数基本维持不变，说明晴天霾天气下与遮阳网覆盖的影响有所不同，霾天气下植株干物质在分配上维持了穗分配系数。Shao等[25-26]的 PE膜遮阴试验研究表明，散射辐射增加的“增肥”效应造成植株叶面积指数增加，但无法完全补偿产量损失，与本试验研究结果一致。同时，本研究进一步揭示出，霾天气造成的产量损失在光照条件好的年份明显高于光照差的年份的损失，对叶片面积的增加主要发生在上层叶片，下层叶片面积差异相比较小，且光照条件好的年份上层叶片面积的增幅更大，相关结论可为水稻霾天气影响的预警、监测、评估提供重要技术支撑。

本研究试验使用3层PE塑料膜覆盖，使得遮膜样地T的晴天太阳总辐射量比CK减少了30.7%，散射辐射比例增加了20.4%，遮膜试验期间内太阳总辐射平均减少了18.3%，散射辐射所占比例平均增加了23.4%，较好地模拟了霾天气情况下的太阳辐射条件[10-11]。此外，IPCC第五次报告表明，综合霾对于太阳辐射和云层的影响效应，霾对气温的影响整体是降温效应[42]。本试验遮膜后,水稻冠层平均温度较CK的变化范围为-0.9～0.2 ℃，平均降低0.2 ℃，与IPCC报告结果一致。说明本试验可为模拟霾条件下太阳辐射变化试验装置提供技术参考。另一方面，本研究仅模拟研究了霾天气条件下太阳辐射变化的影响，尚未涉及霾天气重金属颗粒物含量增加[43]造成的影响。有关霾天气下重金属粒子增加对水稻光合作用、植株生长、产量形成等造成的影响、作用机制及其与太阳辐射改变造成的综合影响，尚需进一步试验研究。