三明市杂交水稻制种育性敏感温度初日研究*

吴淋娣 李仁忠 游良德 杨 玲

(1.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350000;2.福建省建宁县气象局,福建 三明 354500;3.福建省三明市气象局,福建 三明 365000;4福建省尤溪县气象局,福建 三明 365100)

1 概述

三明市得益于特殊的地理位置和气候条件,发展杂交水稻制种已经近50年,是福建省最大的杂交水稻制种基地和全国杂交水稻种子优势产区[1-2]。2021年福建省杂交水稻制种面积达35.8km2,其中,三明市制种面积28.8km2,产量6.3万t,约占全国的1/4,已成为全国杂交水稻制种第一大市。随着两系法制种技术的成熟,两系制种面积占到60%以上,但也带来不少制种风险问题[3]。

两系不育系是一种典型的温光敏型不育系,主要受到温光的影响。其中,温度是最主要的气象因子,需要较高的温度来保持它的不育特性,才可用于制种生产,保证种子的纯度。但受气候变化影响,热量资源存在年际波动,给两系杂交稻制种带来一定的风险[4-5]。如在杂交水稻制种育性敏感期突然遇到连续3d日平均气温低于23.5℃的天气,使不育系的不育特性变为可育,产生自交结实,导致制种失败,生产的种子纯度不纯,质量不达标,造成重大经济损失[6-7]。因此,有必要对影响杂交水稻制种最关键的育性转换敏感期温度初日的气候变化趋势进行科学系统的分析。

国内学者对杂交水稻制种不育系育性转换温度的观点较一致,认为光温敏型不育系的育性转换是抽穗前5～20d的光温条件综合作用的结果,而温敏型不育系的育性主要由抽穗前5～20d的温度主控,大部分不育性品种的临界温度为23.5℃[8]。不育系育性转换起点温度由多基因控制,不同不育系对低温敏感程度不同。一个不育系经过多代繁殖后, 会产生育性转换起点温度较高的个体,导致育性转换起点温度向上漂移和同型可育株的产生,这种同型可育株不仅本身结实率高,而且授粉给不育株会导致所产种子纯度下降[9-11]。

本文针对杂交水稻制种育性敏感期临界温度的初日,分析其时空分布、变化趋势和突变节点及周期变化,旨在提高水稻制种品种布局、播期安排和应对气象灾害的能力,避免不利气候影响,保障国家水稻种子供应及粮食安全生产。

2 资料与方法

2.1 资料来源

气象数据来源于1961—2020年三明市各县(市)国家基本气象站逐日平均气温数据。地形数据为福建省气象局提供的福建省数字高程模型(DEM)数据。

2.2 研究方法

2.2.1 不育系育性敏感温度初日

考虑到杂交水稻不育系品种较多,其育性敏感转换温度临界值不同,结合大多数学者的研究成果和实际生产情况[12-15],以23.5℃为中点,将育性转换起点温度分为3个等级,分别为22.5℃、23.5℃、24.5℃,以连续3d日平均气温≤育性转换起点温度的首日为初日。

2.2.2 趋势分析

采用线性趋势分析、Mann-Kendall 趋势分析和显著性检验、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法,分析杂交水稻育性敏感温度初日及其变化特征[16]。

3 结果与分析

3.1 初日空间分布特征

如图1所示,根据近30年气候资料分析,三明市杂交水稻育性敏感温度22.5℃初日平均值西部比东部早,呈东南向西北提早的特点。西部最早为9月19日(建宁县),其余各县均出现在9月下旬前期,东部均出现在9月下旬后期,最迟为9月30日(沙县区),东西部杂交水稻育性敏感温度22.5℃初日最大相差11d;23.5℃初日平均值西部比东部早,西部均出现在9月中旬,最早为9月11日(建宁县),东部均出现在9月下旬,最迟为9月27日(永安市),东西部最大相差16d;24.5℃初日平均值西部出现在9月上旬,最早为9月3日(建宁县、泰宁县、宁化县),东部出现在9月中旬,最迟为9月20日(永安市),东西部最大相差17d。这表明育性转换临界温度下降1℃,则初日时间往后推迟,育性转换临界温度提高1℃,则初日时间往前提早。

(a)育性敏感温度22.5℃初日分布

(b) 育性敏感温度23.5℃初日分布

3.2 初日时间变化趋势及检验

分别选取尤溪县和建宁县作为三明市东、西部代表站点,从1961—2020年三明市东、西部代表站点杂交水稻育性敏感期临界温度为22.5℃的初日变化趋势可以看出(图2),育性敏感期临界温度初日均呈推迟趋势,这和全球气候变暖的趋势一致,建宁县线性增加趋势明显,每10年约推迟1.4d;但尤溪县趋势不同,2005年之前为提早趋势,之后为推迟趋势。经M-K趋势检验分析,东、西部代表站点杂交水稻育性敏感期临界温度22.5℃初日的假设检验Z值分别为0.68和2.03,建宁县的Z值>1.64,通过置信度0.05的显著性检验,推迟趋势明显。尤溪县没有通过显著性假设检验,推迟趋势不明显。

(a)尤溪县 (b)建宁县

从1961—2020年三明市东、西部代表站点杂交水稻育性敏感期临界温度23.5℃初日变化趋势可以看出(图3),初日总体呈缓慢推迟趋势,平均每10年推迟不到1d。从阶段性来看,1996年之前缓慢提前,之后转为推迟。经M-K趋势检验分析,三明市东、西部代表站点杂交水稻育性敏感期23.5℃初日的假设检验Z值分别为1.01和0.60,均没有通过显著性假设检验,说明初日推迟趋势不明显。

(a)尤溪县 (b)建宁县

从1961—2020年三明市东、西部代表站点杂交水稻育性敏感期临界温度24.5℃初日变化趋势可以看出(图4),初日总体呈推迟趋势,其中尤溪县平均每10年推迟1.2d,比建宁县推迟明显。经M-K趋势检验分析,虽然东西部代表站点杂交水稻育性敏感期24.5℃初日均呈现往后推迟的趋势,但Z值分别为1.01和0.17,没有通过显著性假设检验,初日推迟趋势不明显。

(a)尤溪县 (b)建宁县

3.3 初日M-K突变检验

尤溪县杂交水稻育性敏感期临界温度22.5℃初日UF曲线值1965—2015年都小于0,说明初日处于提早趋势,2016年开始大于0,出现推迟趋势。根据正序统计量(UF)和逆序统计量(UB)的交点位置可知,时间突变节点出现在2014年;建宁县杂交水稻育性敏感期临界温度22.5℃初日正序统计量UF曲线值在1980年之前几乎都大于0,说明初日在推迟,到1996年后在正负之间波动,较稳定,1997年之后均大于0,且非常接近0.05显著性水平检验线(u=±1.96),说明推迟趋势较明显。根据UF和UB的交点位置可知,突变时间节点出现在2005年(图5)。

(a)尤溪县 (b)建宁县

尤溪县杂交水稻育性敏感期临界温度23.5℃初日UF曲线在2014年之前都小于0,说明初日处于提早趋势,2014年开始大于0,出现推迟趋势。根据UF和UB的交点位置可知,突变出现在2014年;建宁县杂交水稻育性敏感期临界温度23.5℃初日UF曲线2013年之前几乎都小于0,说明初日提早,2013年开始大于0,转变为推迟趋势,根据UF和UB的交点位置可知,突变出现在2005年(图6)。

(a)尤溪县 (b)建宁县

尤溪县杂交水稻育性敏感期临界温度24.5℃初日UF曲线值先负再正,又再负再正,阶段性特征明显,20世纪70—80年代和2009年之后初日为推迟趋势。根据UF和UB的交点位置可知,交点出现很多次,比较可信的突变时间节点为1975年和2003年;建宁县杂交水稻育性敏感期临界温度24.5℃初日UF曲线1970年之前大部分小于0,1972年之后均小于0,说明初日大都在提早。根据UF和UB的交点位置可知,突变出现在1964年、1970年、2019年(图7)。

(a)尤溪县 (b)建宁县

3.4 初日周期性分析

由小波变化原理得到建宁县杂交水稻育性敏感期23.5℃初日的小波分析图。图8(a)是小波变换实部值图,反映了23.5℃初日时间序列的周期变化特征,图8(b)是小波变换方差值,可以确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度。可以看出,建宁县23.5℃初日存在4～6a和25～26a明显的周期变化特征,由方差值图可以确定西部23.5℃初日存在6a的主周期,而26a的周期时间太长,可信度不高。

(a)初日小波变换实部 (b)初日小波变换方差

由小波变化原理,得到尤溪县杂交水稻育性敏感期23.5℃初日的小波分析图。图9(a)是小波变换实部值图,反映了23.5℃初日时间序列的周期变换特征,图9(b)是小波变换方差值,可以确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度。可以看出,尤溪县23.5℃初日存在4～7a、12a和20a明显的周期变化特征,由方差值图可以确定尤溪县23.5℃初日存在12a的主周期及3a、7a的副周期,可信度较高,而20a的周期时间太长,可信度不高。

3.5 95%和90%保证率杂交水稻育性敏感期转化温度初日

在实际农业生产中,为保证农作物正常生长发育和形成产量,需要对某一时段某一要素值大于或小于某一界限值的累积频率进行分析,即保证率。两系杂交水稻制种在育性敏感期对温度非常敏感,抽穗扬花期需要稳定通过某一界限温度7～10d。因此,统计了三明市1961—2020年95%和90%保证率的杂交水稻育性敏感温度初日,供实际生产参考。

在两系杂交水稻制种中,母本对于温度要求很严格,所以生产上尽量使用95%保证率育性敏感期临界温度初日,尽量保证抽穗扬花期终日在育性敏感期临界温度初日之前,或者抽穗扬花期终日就是育性敏感期临界温度初日,可确保制种成功率。母本育性敏感温度为22.5℃的制种品种,西部各县(市、区)抽穗扬花期终日要确保在9月6日之前,东部各县(市、区)抽穗扬花期终日可略迟到9月10日;母本育性敏感温度为23.5℃的制种品种,东部各县(市、区)抽穗扬花期终日要在9月9日之前,西部各县(市、区)则差异较大,明溪县需要在9月8日之前,泰宁县在9月4日之前,建宁县、宁化县在8月29日之前;母本育性敏感温度为24.5℃的制种品种对温度的要求更高,将乐县、沙县区、尤溪县、三明市区、永安市等地两系杂交水稻抽穗扬花期终日要在9月7日之前,大田县、明溪县两系杂交水稻抽穗扬花期终日在8月28日之前,西部的宁化县、泰宁县、建宁县则要求更早,需要在8月18日之前,可保证两系杂交水稻制种成功95%以上(表1)。

表1 三明市各县(市、区)杂交水稻育性敏感期转换温度95%、90%保证率初日

4 结论

①三明市杂交水稻育性敏感温度初日气候平均值总体呈西部早、东部迟的特征。育性转换临界温度22.5℃、23.5℃初日西部大都出现在9月中旬,东部出现在9月下旬,东西部最大相差分别为10d、16d,24.5℃初日西部出现在9月上旬,东部出现在9月中旬,东西部最大相差17d。这表明育性转换临界温度下降1℃,则初日时间往后推迟,育性转换临界温度提高1℃,则初日时间往前提早。实际生产上,各地应根据具体品种要求和当地的纬度、海拔,合理安排播期,确保杂交制种成功率。

②三明市杂交水稻育性敏感温度初日均呈推迟趋势,但经M-K趋势检验,差异性较大,其中,西部(建宁县)22.5℃初日、东部(尤溪县)24.5℃初日推迟趋势明显,通过显著性检验,其余未通过显著性检验。经M-K突变检验,杂交水稻育性敏感期22.5℃和23.5℃初日突变时间节点西部(建宁县)出现在2005年,东部(尤溪县)出现在2014年。24.5℃初日突变时间节点较多,西部(建宁县)出现在1964年、1970年和2019年,东部(尤溪县)出现在1975年和2003年。23.5℃初日存在明显的周期性变化特征,西部(建宁县)23.5℃初日存在6a的主周期,东部(尤溪县)23.5℃初日存在12a的主周期及3a、7a的副周期。

③在两系杂交水稻制种生产中,母本对温度要求很严格,所以生产上尽量考虑两系杂交水稻制种育性敏感期转换温度95%保证率的初日,以确保制种成功率和经济效益。母本育性敏感温度为23.5℃的制种品种在生产中占比高,三明市东部各县(市、区)抽穗扬花期终日要在9月9日之前,西部各县(市、区)则差异较大,明溪县需要在9月8日之前,泰宁县在9月4日之前,建宁县、宁化县在8月29日之前。

由于气象观测站距离水稻制种农田有一定距离,且存在海拔差异,气象观测数据不能完全代表农田气象数据,具有一定的误差[17]。杂交水稻制种生产应充分考虑局地小气候环境的影响,并进行播期调整,以确保成功制种率。