許方甫,卞金龍,韓超,陳志青,劉國棟,邢志鵬,胡雅杰,魏海燕,張洪程
揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省優(yōu)質(zhì)粳稻產(chǎn)業(yè)工程研究中心,江蘇揚(yáng)州 225009
【研究意義】淮北地區(qū)是江蘇省重要的水稻生產(chǎn)基地,2017年江蘇省水稻種植總面積為223.77萬hm2,其中淮北稻區(qū)水稻種植面積為129.34萬hm2,占江蘇省水稻總面積的57.8%[1]。隨著人們生活水平的提高和農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革,人們對(duì)稻米品質(zhì)的要求不斷提升,對(duì)主食稻米的需求由數(shù)量型向品質(zhì)型和食味型轉(zhuǎn)變[2]。稻米品質(zhì)改良成為目前水稻育種的重要目標(biāo)之一,近年來江蘇省審定通過了一批適宜淮北地區(qū)種植的優(yōu)質(zhì)食味粳稻品種[3-5],深受廣大消費(fèi)者的喜愛,而這批優(yōu)質(zhì)食味粳稻品種在淮北地區(qū)的溫光生態(tài)適應(yīng)性是一個(gè)亟待探究的問題。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,溫室氣體排放增加[6],在過去一個(gè)世紀(jì)全球溫度升高 0.72℃[7];大氣污染嚴(yán)重,導(dǎo)致氣溶膠粒子濃度增加,太陽輻射量呈下降趨勢(shì)[8-9]?;幢钡貐^(qū)處于我國南北氣候的分界線秦嶺-淮河線上,生態(tài)環(huán)境脆弱,是氣候變化的敏感區(qū)[10]。1978—2007年平均溫度比1957—1986年平均溫度升高0.60℃[11]。太陽輻射量顯著降低,近50年來太陽總輻射量每10年平均減少65 MJ·m-2[12]。針對(duì)淮北地區(qū)不斷變化的溫度和光照條件,研究溫光對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和生態(tài)適應(yīng)性的影響,對(duì)優(yōu)質(zhì)食味粳稻在淮北地區(qū)的區(qū)域優(yōu)化布局顯得至關(guān)重要?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】適宜的溫度和充足的光照是水稻高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[13]。苗期溫度低于 12℃,導(dǎo)致幼苗發(fā)育不良[14],分蘗期最適溫度為28.4℃[15]。水稻灌漿結(jié)實(shí)期最適溫度為25℃—30℃,溫度過高或過低導(dǎo)致結(jié)實(shí)率和千粒重下降,水稻產(chǎn)量顯著降低[16-22]。水稻生育期輻射量光照減弱,對(duì)產(chǎn)量造成負(fù)面影響。全生育期太陽輻射積累量與產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[11],生殖生長(zhǎng)和灌漿結(jié)實(shí)期日均輻射量與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)[12]。隨著播期的推遲,水稻產(chǎn)量呈降低或先增高后降低趨勢(shì)[23-26]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究溫度和光照對(duì)水稻產(chǎn)量的影響,主要針對(duì)1個(gè)或2個(gè)生育階段;而播期處理試驗(yàn)多關(guān)注不同播期對(duì)水稻產(chǎn)量的影響,對(duì)不同播期處理下各生育階段溫光差異與水稻產(chǎn)量的關(guān)系研究鮮見報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對(duì)可在淮北地區(qū)種植的中熟中粳和遲熟中粳 2種生育類型的優(yōu)質(zhì)食味粳稻,設(shè)置了 7個(gè)播種期,研究不同播期條件下水稻產(chǎn)量、生育期、各生育階段的溫光差異,通過水稻產(chǎn)量與各階段的溫光資源的相關(guān)性分析,探究不同生育類型優(yōu)質(zhì)食味粳稻在淮北地區(qū)高產(chǎn)形成的溫光條件與適宜播種期,為淮北地區(qū)稻麥兩熟、溫光資源相對(duì)緊張條件下的水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供重要的理論參考。
試驗(yàn)于 2017—2018年在揚(yáng)州大學(xué)校外試驗(yàn)基地江蘇省連云港市東??h石榴街道浦西村(34°35′N,118°45′E)進(jìn)行,屬暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候,年降水量913 mm,無霜期225 d,常年日照時(shí)數(shù)2 300 h。試驗(yàn)土質(zhì)為砂壤土,地力中等,前茬小麥。土壤含氮1.63 g·kg-1、速效磷 36.5 mg·kg-1、速效鉀 89.3 mg·kg-1。
以近年來培育的低直鏈淀粉含量的優(yōu)質(zhì)食味水稻品種為供試材料,其中,中熟中粳類型品種為南粳505和南粳2728,遲熟中粳類型品種為南粳9108和福粳1606。
2017年和2018年2年分別設(shè)置5月10日(S1)、5月17日(S2)、5月24日(S3)、5月31日(S4)、6月7日(S5)、6月14日(S6)、6月21日(S7)7個(gè)播種期,采用裂區(qū)設(shè)計(jì),播期為主區(qū),品種為副區(qū)。小區(qū)面積為15 m2(3 m×5 m),重復(fù)3次。塑料硬盤旱育小苗,落谷干種子 120 g/盤,移栽期水稻秧齡為20 d,栽插行株距為30 cm×12 cm,每穴4苗栽插,移栽后及時(shí)查漏補(bǔ)缺,確保足夠的基本苗數(shù)。
小區(qū)間打埂隔離,并用塑料薄膜覆蓋埂體,保證每個(gè)小區(qū)單獨(dú)排灌。氮肥施用量為270 kg·hm-2(基肥∶分蘗肥∶穗肥=3.5∶3.5∶3),分蘗肥在移栽后7 d施用,穗肥于水稻倒4葉期施用。氮(純N)∶磷(P5O2)∶鉀(K2O)比例為2∶1∶2,磷肥一次性基施,鉀肥分別于耕翻前、拔節(jié)期等量施入。水分管理及病蟲草害防治等相關(guān)栽培措施均按照高產(chǎn)栽培要求實(shí)施。
觀測(cè)并記載每個(gè)處理的拔節(jié)、抽穗和成熟的準(zhǔn)確日期(表1)。成熟期從各小區(qū)割取50穴,脫粒、去雜曬干后稱重,按照14%水分含量換算實(shí)際產(chǎn)量。水稻生長(zhǎng)期間的日均溫度、日照時(shí)數(shù)和降雨量由東??h氣象局提供(圖1)。
本研究采用廣泛使用的Angstrom-Prescott模型[27-29],將日照時(shí)數(shù)換算成太陽輻射日總量Q(MJ·m-2·d-1)。主要計(jì)算公式如下:
Q=Q0(a + b S/S0)
式中,Q0為天文輻射(MJ·m-2·d-1),S 為太陽實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)(h),S0為太陽可照時(shí)數(shù)(h),S/S0為日照百分率,a、b為待定系數(shù)[30](表2)。
表2 Angstrom-Prescott模型各月份待定系數(shù)Table 2 The coefficients a and b of each month in Angstrom-Prescott model
用Microsoft excel 2016整理數(shù)據(jù),在SPSS11.5中統(tǒng)計(jì)分析,用Sigmaplot11.0作圖。
隨著播種期的推遲,2種生育類型4個(gè)水稻品種產(chǎn)量均顯著降低(表3)。其中,中熟中粳S2、S3、S4、S5、S6和 S7處理比 S1處理產(chǎn)量分別降低了2.36%、6.00%、10.73%、16.93%、22.97%和29.96%。播期每推遲7 d,產(chǎn)量下降0.49 t·hm-2。遲熟中粳S2、S3、S4、S5、S6和S7處理比S1處理產(chǎn)量分別降低了2.40%、7.43%、13.29%、21.96%、30.70%和37.07%。播期每推遲7 d,產(chǎn)量下降0.63 t·hm-2。遲熟中粳減產(chǎn)幅度大于中熟中粳。年度、播期、類型與播期互作對(duì)水稻產(chǎn)量影響顯著。
表3 不同播期處理下水稻產(chǎn)量差異Table 3 The yield difference between the two fertility types of rice varieties at seven sowing dates in 2017 and 2018 (t·hm-2)
隨著播期的推遲,2種生育類型水稻的播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期和全生育期天數(shù)均呈下降趨勢(shì)(表4)。其中,中熟中粳播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期和全生育期S7處理比S1處理生育天數(shù)分別減少16、8和20 d。遲熟中粳播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期和全生育期S7處理比S1處理生育天數(shù)分別減少15、8和27 d。中熟中粳抽穗至成熟期生育天數(shù)有增加的趨勢(shì),遲熟中粳抽穗至成熟期 S1—S4處理生育天數(shù)呈增加趨勢(shì),S5—S7處理由于不能成熟,成熟期以收獲日期計(jì)算,生育天數(shù)減少。全生育期天數(shù)減少,主要表現(xiàn)為播種至抽穗期生育天數(shù)的減少。分析產(chǎn)量與全生育天數(shù)發(fā)現(xiàn),2種類型水稻產(chǎn)量與全生育期天數(shù)均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2)。
表4 不同播期處理下主要生育階段天數(shù)的差異Table 4 Number of days in the main fertility stage difference between the two fertility types of rice varieties at seven sowing dates in 2017 and 2018 (d)
播種至拔節(jié)期日均溫度隨著播期的推遲呈顯著升高,中熟中粳和遲熟中粳播種至拔節(jié)期S7處理比S1處理日均溫度分別增加了3.6℃和3.2℃(表5)。拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期日均溫度隨播期推遲均顯著下降,中熟中粳和遲熟中粳拔節(jié)至抽穗期S7處理比S1處理日均溫度分別降低了3.2℃和3.9℃;抽穗至成熟期 S7處理比S1處理日均溫度分別降低了4.0℃和3.1℃。2種類型全生育期日均溫度隨播期推遲顯著下降。中熟中粳和遲熟中粳全生育期日均溫度S7處理比S1處理分別下降1.4℃和1.0℃。在類型間、播期間及其兩者互作效應(yīng)上,各生育階段日均溫度差異顯著。在年度間、年度與播期互作效應(yīng)上,播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期和全生育期日均溫度差異顯著。
表5 不同播期處理下主要生育階段水稻日均溫度的差異Table 5 Mean daily temperature in the main fertility stage difference between the two fertility types of rice varieties at seven sowing dates in 2017 and 2018 (℃)
2種生育類型水稻產(chǎn)量與播種至拔節(jié)期日均溫度極顯著負(fù)相關(guān)(圖3-a),與拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期和全生育期日均溫度極顯著正相關(guān)(圖3-b、c、d)。各生育階段中熟中粳產(chǎn)量與日均溫度的相關(guān)性系數(shù)均大于遲熟中粳。
隨著播種期的推遲,各生育階段積溫均呈下降趨勢(shì)(表6)。其中,中熟中粳水稻S2、S3、S4、S5、S6和 S7處理分別比 S1處理的全生育期積溫下降2.39%、4.40%、6.69%、9.95%、13.79%和 16.59%。播種期每推遲7 d,全生育期積溫下降106.6℃。遲熟中粳水稻S2、S3、S4、S5、S6和S7處理分別比S1處理的全生育期積溫下降2.43%、4.38%、6.72%、10.24%、14.73%和18.61%。播種期每推遲7 d,全生育期積溫下降123.1℃。在年度間,播種至拔節(jié)期和抽穗至成熟期積溫差異顯著,在類型間和播期間,各生育階段積溫差異顯著。
表6 不同播期處理下主要生育階段水稻積溫的差異Table 6 Accumulated temperature in the main fertility stage difference between the two fertility types of rice varieties at seven sowing dates in 2017 and 2018 (℃)
進(jìn)一步分析產(chǎn)量與各生育階段積溫的關(guān)系發(fā)現(xiàn),2種類型水稻產(chǎn)量與各生育階段積溫均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。其中,全生育期積溫與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)最大(圖4)。
全生育期日均輻射量隨播期的推遲顯著下降(表7)。2017年中熟中粳和遲熟中粳S7處理比S1處理日均輻射量分別下降 2.8 MJ·m-2·d-1和 2.4 MJ·m-2·d-1;2018年中熟中粳和遲熟中粳S7處理比S1處理日均輻射量分別下降 1.2 MJ·m-2·d-1和 0.9 MJ·m-2·d-1。2017 年播種至拔節(jié)期日均輻射量隨著播期的推遲顯著下降,中熟中粳S7處理比S1處理下降3.8 MJ·m-2·d-1,遲熟中粳 S7 處理比 S1 處理下降 3.9 MJ·m-2·d-1。2018 年播種至拔節(jié)期中熟中粳日均輻射量隨著播期的推遲顯著上升,其中S7處理比S1處理增加了2.0 MJ·m-2·d-1,而遲熟中粳呈先增加后減少的趨勢(shì)。中熟中粳拔節(jié)至抽穗期日均輻射量顯著下降。2年的中熟中粳和2018年遲熟中粳抽穗至成熟期日均輻射量顯著下降。2年間水稻播種至拔節(jié)期日均輻射量隨播期變化趨勢(shì)不一致,可能與2017年水稻拔節(jié)前連續(xù)長(zhǎng)日照有關(guān)(圖1)。除了年度與類型互作,年度、類型與播期互作對(duì)拔節(jié)至抽穗期日均輻射量無顯著影響外,其他指標(biāo)間對(duì)各生育階段日均輻射量均呈顯著或者極顯著的影響。
表7 不同播期處理下主要生育階段水稻日均輻射量的差異Table 7 Mean daily radiation in the main fertility stage difference between the two fertility types of rice varieties at seven sowing dates in 2017 and 2018 (MJ·m-2·d-1)
進(jìn)一步分析產(chǎn)量與各生育階段日均輻射量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖 5),中熟中粳產(chǎn)量與拔節(jié)至抽穗期和全生育期日均輻射量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與播種至拔節(jié)期和抽穗至成熟期日均輻射量呈正相關(guān)關(guān)系。遲熟中粳產(chǎn)量與播種至拔節(jié)期日均輻射量顯著正相關(guān),與全生育期日均輻射量極顯著正相關(guān),與拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期日均輻射量正相關(guān)。
溫度和光照是影響水稻產(chǎn)量重要的氣象因子[31-32]。在淮北地區(qū),為了提高水稻產(chǎn)量,前人通過改變種植方式、調(diào)整耕作制度、改善播種期等措施調(diào)節(jié)水稻生育期間的溫光條件[33-36]。本研究通過AP模型[27],把日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成太陽輻射積累量,研究不同溫光處理各生育階段水稻日均溫度、積溫和日均輻射量的差異,及其與水稻產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系。研究表明,2種類型水稻全生育日均溫度、積溫和日均輻射量均在 S1處理最高,S7處理最低。
許軻等[25]研究表明,隨著播期的推遲,不同類型品種各生育階段積溫均顯著降低,產(chǎn)量與各生育階段積溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這與本研究的結(jié)果一致,隨著播期的推遲,2種類型水稻產(chǎn)量顯著降低,產(chǎn)量與各生育階段積溫均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖 4)。姚義等[37]和霍中洋等[34]認(rèn)為,在淮北地區(qū)播期推遲,播種至抽穗期積溫顯著降低,而抽穗至成熟階段呈略微減少趨勢(shì),但相對(duì)穩(wěn)定,積溫為1 100℃左右。本研究表明,抽穗至成熟期積溫在播期之間差異顯著,主要原因是2種類型均有不能成熟的播期,若排除不能正常成熟的溫光處理,中熟中粳和遲熟中粳抽穗至成熟期的積溫變化范圍分別為 1 086.3℃—1 209.5℃和1 031.9℃—1 143.3℃,積溫隨播期推遲呈略減少趨勢(shì),但比較穩(wěn)定。在淮北地區(qū),為了能達(dá)到江蘇省大面積水稻產(chǎn)量 9 t·hm-2的目標(biāo)[34],中熟中粳和遲熟中粳全生育期積溫應(yīng)分別高于3 680℃和3 757℃(圖4-d)。關(guān)于各生育階段日均溫度對(duì)水稻產(chǎn)量的影響,李國生等[38]研究認(rèn)為,抽穗期日均溫25.1℃,灌漿結(jié)實(shí)期日均溫度24.7℃,抽穗至成熟期日均溫度為23.5℃—24.0℃時(shí),水稻產(chǎn)量最高。XING 等[39]研究表明,營養(yǎng)生長(zhǎng)期日均溫度小于25.1℃,灌漿結(jié)實(shí)期日均溫度大于20.1℃時(shí),能夠獲得較高的產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn),2種生育類型水稻產(chǎn)量與全生育期日均溫度極顯著正相關(guān),當(dāng)中熟中粳全生育日均溫度大于24.2℃,遲熟中粳全生育期溫度大于23.7℃時(shí),水稻能獲得較高的產(chǎn)量(圖3-d)。
水稻不同生育階段對(duì)太陽輻射的需求不同,DENG等[40]研究發(fā)現(xiàn),全生育期日均輻射量與水稻產(chǎn)量相關(guān)性不顯著,而各階段日均輻射量與產(chǎn)量呈顯著的相關(guān)性。本試驗(yàn)研究表明,2種類型水稻產(chǎn)量與全生育期日均輻射量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而與播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期和抽穗至成熟期日均輻射量相關(guān)性不顯著或相關(guān)系數(shù)較小。分析其原因,可能是2017年水稻生育階段降雨集中在中后期,前期日照充足;而2018年降雨集中在前中期,后期日照充足(圖1),導(dǎo)致2年7個(gè)溫光處理主要生育階段日均輻射量差異顯著(表7)。
水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量物質(zhì)形成期的日均溫度關(guān)系比產(chǎn)量與日均輻射量的關(guān)系更為密切[39-40]。本研究結(jié)果表明,水稻產(chǎn)量與主要生育階段日均溫度相關(guān)性系數(shù)均大于日均輻射量,2017年和 2018年全生育期日均溫度均值分別為23.7℃和23.9℃,日均輻射量均值分別為 18.8 MJ·m-2·d-1和 20.5 MJ·m-2·d-1,產(chǎn)量均值分別為 8.45 t·hm-2和 8.57 t·hm-2,在全生育期日均溫度相當(dāng)?shù)那闆r下,日均輻射量越高,產(chǎn)量越高。
生育期作為水稻品種的遺傳屬性,主要由自身的感溫性、感光性和基本營養(yǎng)生長(zhǎng)性決定[41]。生育期還受到播栽期、栽培方式和環(huán)境條件因素影響[33,36-37,42]。
關(guān)于不同播期對(duì)生育期的影響,前人觀點(diǎn)較為一致。隨著播期的推遲,生育天數(shù)縮短,生育天數(shù)縮短主要是營養(yǎng)生長(zhǎng)期生育期的縮短導(dǎo)致。本研究結(jié)果與前人一致,隨著播期的推遲,2種類型水稻品種生育期延遲,生育天數(shù)顯著縮短,全生育期的縮短主要是播種至抽穗期生育天數(shù)的縮短導(dǎo)致。
關(guān)于生育天數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系,前人研究認(rèn)為,水稻產(chǎn)量一般隨著生育期的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì),生育期與產(chǎn)量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。本研究表明,同一類型品種,生育天數(shù)顯著縮短,產(chǎn)量顯著下降,水稻產(chǎn)量與全生育期天數(shù)極顯著正相關(guān)。遲熟中粳產(chǎn)量比中熟中粳S1—S4處理分別增加0.36、0.35、0.19、0.06 t·hm-2,S5—S7 處理分別減少 0.21、0.51、0.47 t·hm-2,在正常成熟情況下,遲熟中粳產(chǎn)量高于中熟中粳,說明不同生育類型水稻產(chǎn)量隨生育期的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。當(dāng)中熟中粳和遲熟中粳全生育期天數(shù)大于 152 d和158 d(圖2),水稻更容易獲得高產(chǎn)。當(dāng)起始播種期設(shè)置在4月30日甚至更早[43-44],導(dǎo)致播種至拔節(jié)期溫度過低,不利于分蘗發(fā)生,而灌漿結(jié)實(shí)期可能會(huì)遭遇高溫,導(dǎo)致水稻結(jié)實(shí)率和千粒重下降,進(jìn)而影響產(chǎn)量的形成。本試驗(yàn)在稻麥兩熟的淮北地區(qū)進(jìn)行,小苗機(jī)插大面積推廣,所以S1處理設(shè)置在5月10日播種,早于本地水稻大面積播種時(shí)間,所以在播期設(shè)置范圍內(nèi)播期越早,水稻產(chǎn)量越高,這與前人的研究結(jié)果一致[25, 36]。
在淮北地區(qū),播種期過遲,導(dǎo)致水稻不能正常成熟,播種期越遲,減產(chǎn)幅度越大。為了保證優(yōu)質(zhì)食味粳稻的安全成熟,中熟中粳和遲熟中粳應(yīng)分別于6月14日和5月31日前播種。為了達(dá)到9 t·hm-2的高產(chǎn)要求,2種類型優(yōu)質(zhì)食味粳稻的播種期應(yīng)為5月10日至5月24日。通過分析淮北地區(qū)近50年水稻生長(zhǎng)期間的日均溫度與日均輻射量,未來10年淮北地區(qū)水稻生長(zhǎng)期間日均溫度將比近10年增加0.25℃,日均輻射量將下降0.15 MJ·m-2·d-1(圖6)。在確保安全成熟的基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)早播和選用偏遲熟品種,特別是前茬是油菜、大麥等讓茬較早的作物,來延長(zhǎng)生育期以獲得較多的溫光資源,是優(yōu)質(zhì)食味粳稻獲取較高產(chǎn)量的重要途徑。
在稻麥兩熟的淮北地區(qū),通過對(duì)2種生育類型優(yōu)質(zhì)食味粳稻7個(gè)播期處理的研究發(fā)現(xiàn),隨著播期的推遲,水稻產(chǎn)量顯著降低,與光照相比,產(chǎn)量對(duì)溫度的響應(yīng)更為敏感。在播期范圍內(nèi),各生育階段積溫越高,水稻產(chǎn)量越高。2種生育類型水稻品種在5月10日至5月24日播種時(shí),水稻能獲得較高的產(chǎn)量。在保證水稻正常成熟的基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)早播和選用偏遲熟品種,延長(zhǎng)水稻生育期間的溫光資源,是淮北地區(qū)優(yōu)質(zhì)食味粳稻高產(chǎn)的重要途徑。