气象因子对华南双季稻产量及构成因素的影响

纪明亮，赵津瑶，韦 佳，杨文依，张 彬，陈青春

（1.仲恺农业工程学院，广州 510225；2.广东省农业科学院水稻研究所，广州 510225）

作为世界三大粮食作物之一，水稻（Oryza sativaL.）是全人类最主要的食物，全球50%以上人口以其为主食［1，2］。水稻产量的形成一方面取决于品种的遗传背景，另一方面受环境因素如光照、温度、水分、辐射等的影响［3］。阮新民等［4］研究发现，随着积温和辐射的升高，冬小麦抽穗期和成熟期均显著提前，导致小麦发生冻害风险指数上升；曹海珺等［5］研究表明，日照时数减少会导致水稻灌浆速率下降，严重影响水稻产量；娄伟平等［6］认为在水分充足的条件下，太阳辐射的减少会延长浙江稻区水稻生育期4.7～7.8 d。

气候波动导致气温、降雨量、辐射量等环境因子的改变，增加了水稻产量的不稳定性［7-11］。不同地区气候指标差别较大，在进行水稻产量建模估算时，需筛选相关性高的因子和综合多种统计回归算法来确定合适的建模方法，有助于提高产量模型的精度。

对气候变化与农作物产量关系的研究，多数是研究气象因素与产量的关系，对气候因子与产量构成因素的关系研究较少。本研究采用主成分分析和逐步回归分析方法，在水稻生育期内研究早稻和晚稻关键气象因子（气温、有效辐射、日照时数和降雨量）与产量的相关关系，构建回归预测模型，预测气候变化对南方稻区双季水稻的产量影响趋势。以期为水稻生产温光水肥高效利用、丰产与稳产提供参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在广东省农业科学院白云基地进行，供试早、晚稻品种分别为合美占和粤晶丝苗2 号，数据来自2014、2015、2017、2018 年早稻和晚稻大田试验及基地气象观测站，包括产量、有效穗数、平均茎蘖数、株高、穗粒数、结实率和千粒重、气温、日照时数、有效辐射和降雨量。

1.2 试验方法

首先利用相关系数法分析早、晚稻产量与气候因子的相关关系。然后采用主成分分析和相关系数矩阵综合分析方法，筛选出影响产量的关键作用因子，最后建立气象因素与产量因子的回归方程并进行检验。

1.3 数据处理

设定X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分别表示有效穗数、株高、穗粒数、结实率、平均茎蘖数、千粒重和产量。 将各因子进行加权平均处理，按照85%的原则选定主成分。

利用Microsoft Excel 2016 和SPSS 15.0 软件处理和统计分析数据，采用OriginPro 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 气象因子与产量的相关分析

由表1 可知，水稻产量与有效辐射、日最高气温、日最低气温、日平均气温和日照时数均呈显著正相关，与降雨量呈显著负相关。总体上说，气候因子对水稻产量有直接的影响作用。

表1 产量与气象因子的相关系数

2.2 水稻产量构成因素对产量影响的主成分分析

由表2 可知，第一主因子中有效穗数具有较大的特征向量，比其他5 个性状指标高，其贡献率为46.686%，表明主成分1 代表有效穗数的相关信息，故称该主成分为有效穗数因子。第二主因子中千粒重、结实率具有较大的特征向量，比其他4 个性状指标高，其贡献率为26.626%，表明主成分2 代表千粒重、结实率的相关信息，故称该主成分为每穗粒数因子。第三主因子中株高具有较大的特征向量，比其他5 个性状指标高，其贡献率为22.472%，表明主成分3代表株高的相关信息，故称该主成分为株高因子。

表2 水稻产量构成因素对产量影响的主成分分析

由表3 可以看出，有效穗数、千粒重、结实率与水稻产量均呈显著正相关，株高与水稻产量呈负相关。通过主成分分析和相关系数矩阵可以得出影响品种产量差异的主要因子是有效穗数、千粒重和结实率。

表3 水稻产量构成因素与产量的相关系数矩阵

2.3 气象因素与产量因子的相关性分析

2.3.1 气象因子与千粒重的相关性 由图1 可知，日平均气温、日照时数与千粒重均呈显著正相关（P＜0.05），与日最高气温、降雨量均呈显著负相关（P＜0.05）。在试验范围内，当日照时数大于8 h，千粒重随日照时数的增加呈近似线性增长的变化趋势。根据日平均气温与千粒重的回归方程推知，当日平均气温维持在24.7 ℃有利于提高水稻千粒重。当日最高气温在31.5 ℃以上或降雨量在700 mm 以上时水稻千粒重显著下降。

图1 气象因子与早稻和晚稻千粒重的关系

2.3.2 气象因子与有效穗数的相关性 由图2 可知，日最高气温、日最低气温、日照时数与有效穗数之间均呈显著正相关（P＜0.05），降雨量与有效穗数呈显著负相关（P＜0.05）。根据日最低温度、降雨量与有效穗数的回归方程推知，当日最低气温在25.7 ℃以下或降雨量在600 mm 以上时水稻分蘖受到明显影响，难以达到预期的有效穗数。有效穗数随日照时数的增加呈近似线性增长的变化趋势。

图2 气象因子与早稻和晚稻有效穗数的关系

2.3.3 气象因子与结实率的相关性 由图3 可知，日平均气温、日最低气温与结实率均呈显著正相关（P＜0.05），日最高气温、降雨量与结实率均呈显著负相关（P＜0.05）。当日最低气温在19.3 ℃以下或日最高气温在31.5 ℃以上时水稻开花受精受到明显影响，结实率均在85%以下。根据降雨量与结实率的回归方程推知，当降雨量在550 mm 以上时水稻结实率显著下降。

图3 气象因子与早稻和晚稻结实率的关系

2.4 气象因子与早稻和晚稻产量逐步回归分析及模型验证

利用早稻和晚稻产量构成因素与全生育期内的气温、日照时数、降雨量作为自变量，品种产量作为因变量，建立线性回归模型如下。

式中，Z1为有效穗 数、Z2为 结实率、Z3为千粒重、Z4为日最低气温、Z5为降雨量、Z6为日照时数、Z7为日最高气温、Z8为日平均气温，决定系数（R2）=0.952。

从方程可知，构建的水稻产量回归模型决定系数R2较大，达0.952（P＜0.05），说明该模型具有较高的可信度。由方程回归系数可知，其中千粒重、结实率、日最高气温、日照时数、日最低气温、降雨量对产量均为正向影响，有效穗数和日平均气温对产量均为负向影响。

根据2019 年早、晚稻产量数据和气象资料，对产量实测值与预测值进行相关性分析。由图4 可见，早稻和晚稻实测产量与预测产量之间线性关系显著，决定系数（R2）达0.995。

图4 实测产量与预测产量的关系

拟用方程对产量实测值与预测值进行回溯检验。由表4 可见，根据水稻产量误差分析发现，绝对误差平均值为5.5%，模拟误差值在4.1%～7.0%，误差值均小于10.0%。其预测准确率在93.0%～95.9%，平均值为94.45%，准确率相对较高。

表4 早稻和晚稻预测产量与实测产量比较

3 小结与讨论

本研究对水稻气象数据与早、晚稻的产量构成因素进行了田间跟踪记录，运用相关分析法研究了产量与气象因子之间的相关性，研究表明，气温、有效辐射和日照时数等热量有关的因子与产量均呈显著正相关关系，因此南方地区早、晚稻种植过程中，可选育光合作用强、光呼吸速率高的品种，根据当地日照时数、气温等气象因子变化预测播种期范围，达到水稻增产稳产的目的。此外，降雨量与产量呈显著负相关关系。通过对气象数据的分析发现，该试验点双季早、晚稻抽穗扬花期与降雨高峰存在重叠，导致结实率降低，水稻产量下降。因此，南方水稻种植可通过调节播期避开梅雨季节，进而提高水稻产量。这与陈重远等［12］通过聚类分析以及李彦彬等［13］通过田间试验得到的结果一致。

高世伟等［14］通过主成分分析比较了30 个水稻品种的产量构成因素及其相关关系，研究表明，共有6 个主成分对水稻产量影响较大，其中有效穗数为第一大主成分。季彪俊等［15］对气象因子与水稻产量相关性状进行综合分析，研究表明，对品种产量影响较大的主成分分别是热量和雨量，累积贡献率达85%。本研究根据水稻田间记录数据对水稻产量构成因子进行主成分分析，结果表明，影响品种产量的主成分分别是有效穗数因子、每穗粒数因子和株高因子，前3 个主成分因子累积贡献率达95.784%，完全反映了水稻原始数据的基本信息。本研究结果与高世伟等［14］的研究结论有差异，原因可能与当地环境因素、水稻栽培品种不同有关。进一步利用相关系数矩阵得出水稻产量构成因素对水稻产量的影响顺序为有效穗数＞结实率＞千粒重＞穗粒数＞平均茎蘖数＞株高。因此，在未来的育种和栽培研究工作中，改良水稻有效穗数及每穗粒数，对水稻产量的提高具有现实的指导意义［16］。

钟楚等［17］通过聚类分析4 类水稻产量构成因素与气象因素的关系发现，孕穗期和抽穗开花期气温升高或日照时数增加都可提高水稻千粒重和结实率；潘志军等［18］通过定位栽培试验发现，乳熟前期较低的平均气温增加秕谷率，同时降低胚乳转化效率有碍壮苗，移栽期高温阻碍秧苗分蘖，不利于有效穗数和产量的提升。本研究通过气象因子与水稻千粒重相关性分析表明，稻谷粒重主要决定于谷壳大小与子粒充实程度［19］，灌浆成熟期如果光照充足，将形成较多的光合产物，促进穗部子粒同化物的转运速率，进而增粒增重［20］；通过气象因子与水稻有效穗数相关性分析表明，穗数的形成主要决定于单株的有效分蘖数［21］，显然水稻移栽后温度、日照时数适度升高可以促进水稻分蘖，增加植株穗数［22］；通过气象因子与水稻结实率相关分析表明，降雨条件是影响水稻结实率最重要的气象因素，水稻抽穗扬花期降水会对结实率产生不利影响。降雨会影响水稻开花受精，阴雨天气不利于光合产物积累，导致结实率下降［23］。因此，应重视气象因子对产量的影响，在育种和品种推广方面要充分考虑当地的温光与降雨条件［23，24］。

本研究运用逐步回归分析方法建立了水稻产量模型，经检验，产量预报结果的绝对误差在4.1%～7.0%，预测准确率为93.0%～95.9%，水稻产量模拟效果较好，进一步明确了气象因子与产量及产量构成因素的互作发生规律。有效穗数、穗粒数对产量影响效应较大，与产量呈正相关关系。早稻和晚稻生长季内水稻有效穗数、结实率和千粒重随降雨量的增加普遍表现出下降趋势，随日平均气温和日照时数增加表现出上升趋势。若要更有效地预测水稻产量，还需要考虑土壤理化性质、病虫害指标和栽培技术等因素的影响。