開(kāi)花期氣象因子對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響

李民華，帥細(xì)強(qiáng)，謝佰承，黃安鳳，張 偉

（1湖南懷化市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖南懷化 418000；2氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118）

0 引言

開(kāi)花期間的連續(xù)低溫陰雨是中國(guó)南方春油菜產(chǎn)量的主要制約因素之一[1-5]。低溫陰雨一是造成油菜開(kāi)花減少、開(kāi)花不暢，散粉受阻，花粉傳播的媒介昆蟲(chóng)活動(dòng)少，甚至死蕾、落花和落莢，表現(xiàn)為陰果率增加或二段結(jié)實(shí)[6-9]；其次是對(duì)油菜胚珠發(fā)育不利，胚珠數(shù)減少，胚珠萎縮率提高，單角果子粒數(shù)減少，小角果數(shù)增加，產(chǎn)量下降[10-13]。低溫陰雨對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響，大多涉及溫度、日照、水分等多個(gè)因素的綜合作用，冷鎖虎等[10]認(rèn)為，溫度是影響油菜結(jié)子率的主要因素，以開(kāi)花后第一天溫度最顯著；高金成[12]認(rèn)為，相對(duì)濕度、日照是決定油菜每角粒數(shù)的重要因素；涂玉琴[6]認(rèn)為開(kāi)花時(shí)低溫陰雨的影響大于開(kāi)花后；何指南[13]認(rèn)為，油菜在10℃以上開(kāi)花時(shí)，受精率高，在7℃左右時(shí)開(kāi)花散粉不暢，5℃以下油菜開(kāi)花基本停止或少量開(kāi)花且受精率低，0℃以下低溫使花蕾或幼角受凍致死，但是，氣象要素對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響定量分析研究不夠，不能滿足精細(xì)化氣象為農(nóng)服務(wù)的需要。

筆者基于懷化農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站多年的試驗(yàn)觀測(cè)，分析不同時(shí)期的低溫天氣對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響，建立溫濕因子對(duì)油菜子粒損失率的綜合影響模型，及不同類型低溫的冷積溫指標(biāo)，以期為油菜生產(chǎn)安排、災(zāi)害影響預(yù)警評(píng)估和減災(zāi)防災(zāi)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 掛牌試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在懷化農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)站位于湖南懷化市鶴城區(qū)石門(mén)；試驗(yàn)觀測(cè)從2011年至2018年連續(xù)觀測(cè)標(biāo)記。觀測(cè)試驗(yàn)每年選定一定數(shù)量長(zhǎng)勢(shì)正常的代表株，每次從中選20個(gè)以上主枝或最大一次分枝上進(jìn)行掛牌或點(diǎn)油印，標(biāo)記于油菜已開(kāi)花的花朵和未開(kāi)花花蕾之間，記下日期。試驗(yàn)標(biāo)記以低溫、低溫陰雨過(guò)程開(kāi)始時(shí)、結(jié)束時(shí)分別掛牌，當(dāng)不利天氣持續(xù)期間以間日掛牌為主，2次掛牌間隔日不超過(guò)5天。成熟期取回掛牌穗，室內(nèi)考種，計(jì)有效角果數(shù)、無(wú)籽粒角果數(shù)、已脫落角果數(shù)及每角果子粒數(shù)。以與不利天氣過(guò)程臨近的正常天氣油菜掛牌考種資料為對(duì)照。

試驗(yàn)每年觀測(cè)2個(gè)品種，‘湘雜油631’為主要品種，每年保持不變。試驗(yàn)油菜栽培田間管理每年盡可能保持一致，9月中下旬播種，試驗(yàn)田施復(fù)合肥(15-15-15)525～600 kg/hm2、硼砂15～22.5 kg/hm2作基肥，抽苔期前后噴施硼肥1～2次。

1.2 資料處理

定義油菜角果內(nèi)正常子粒數(shù)達(dá)1粒以上為有效角果，無(wú)籽粒角和已脫落角果統(tǒng)稱為陰果；油菜考種項(xiàng)目及計(jì)算方法如式(1)～(3)所示。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

氣象資料來(lái)自懷化市鶴城區(qū)國(guó)家氣象站，結(jié)冰現(xiàn)象以田間實(shí)際觀測(cè)為準(zhǔn)。將油菜開(kāi)花期低溫天氣分為有日照低溫、無(wú)日照低溫陰雨。前者按霜凍是否出現(xiàn)分成霜凍低溫(FW)和一般低溫(LTW)；后者按持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短分為短低溫陰雨(SLTR)和長(zhǎng)低溫陰雨(LLTR)，連續(xù)3～5天為短低溫陰雨，連續(xù)6天或以上為長(zhǎng)低溫陰雨。

利用SPSS軟件，通過(guò)逐步回歸等方法，建立油菜子粒損失率與氣象因子的回歸方程，并以模擬值-實(shí)際觀測(cè)值為殘差，分析模擬殘差與氣象因子的關(guān)系，建立殘差回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期的低溫對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響

以1月1日為1、1月2日為2、1月3日為3…，依此類推，將每年的油菜開(kāi)花日轉(zhuǎn)換為日序值，制作油菜陰果率、子粒損失率與日序值的關(guān)系圖，見(jiàn)圖1。

由圖1a可知，在湖南懷化海拔250 m處，2月25日之前油菜開(kāi)花時(shí)低溫類天氣以霜凍低溫(FW)和長(zhǎng)低溫陰雨(LLTR)為主，油菜陰角率在11.3%～85.0%之間，平均(46.3±32.6)%；子粒損失率在22.6%～98.0%之間，平均(68.5±30.1)%。2月26日—3月10日油菜開(kāi)花時(shí)低溫類天氣，以長(zhǎng)低溫陰雨(LLTR)、一般低溫(LTW)、短低溫陰雨(SSTR)為主，個(gè)別年份霜凍，油菜陰莢率在0.0%～56.5%之間，平均21.9%±25.0%；子粒損失率在0.0%～79.3%之間，平均36.1%±35.8%。3月中下旬油菜開(kāi)花時(shí)，以短低溫陰雨(SLTR)、低溫(LTW)為主，個(gè)別年份霜凍(FW)和長(zhǎng)低溫陰雨(LLTR)，陰莢率在0.7%～31.0%之間，平均11.8%±10.1%；子粒損失率在3.0%～61.5%之間，平均24.9%±19.9%。

圖1 不同時(shí)期開(kāi)花的低溫天氣類型對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響

若以子粒損失率≤29.9%為輕度受害，30.0%～69.9%為中度受害，≥70.1%為重度受害，低溫類天氣對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響2月25日前以中重度為主，3月中下旬以輕度為主，2月26日—3月10日以輕度和中度為主。

2.2 溫濕因子對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響

分析子粒損失率與開(kāi)花時(shí)平均氣溫、日最高氣溫平均值、日最低氣溫平均值、日平均降雨量、日平均日照時(shí)數(shù)、日平均相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)，選取相關(guān)系數(shù)較大的為主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行分析。結(jié)果表明，受開(kāi)花時(shí)低溫影響，油菜子粒損失率與開(kāi)花時(shí)日最低氣溫平均值、日平均降雨量相關(guān)不顯著，與開(kāi)花時(shí)平均氣溫、日最高氣溫平均值、日平均日照時(shí)數(shù)、日平均相對(duì)濕度相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)分別為-0.784、-0.852、0.586、-0.500，前兩者達(dá)0.001顯著水平，后兩者通過(guò)0.05顯著水平。再?gòu)纳厦孀恿p失率樣本中去掉第1大、2個(gè)大子粒損失率樣本，或第1小、2小子粒損失率樣本后，重復(fù)計(jì)算的子粒損失率與氣象因子的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)花時(shí)日最高氣溫平均值、日平均氣溫、日平均空氣相對(duì)濕度與子粒損失率穩(wěn)定顯著相關(guān)（表1）。

表1 油菜子粒損失率與開(kāi)花時(shí)氣象因子相關(guān)及相關(guān)穩(wěn)定性

2.2.1 開(kāi)花時(shí)氣溫與子粒損失率的關(guān)系 建立油菜子粒損失率與開(kāi)花時(shí)平均氣溫的關(guān)系模型如圖2a，方程式如式(4)所示。

圖2 氣溫對(duì)油菜子粒損失率的影響

式中，y為油菜子粒損失率，T為開(kāi)花時(shí)平均氣溫，模型通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)。在日平均氣溫3.5～10.0℃之間，子粒損失率隨油菜開(kāi)花平均氣溫下降而升高；當(dāng)油菜開(kāi)花平均氣溫為9.6℃時(shí)，子粒損失率為10%；當(dāng)油菜開(kāi)花平均氣溫為8.0℃時(shí)，子粒損失率為30%；當(dāng)油菜開(kāi)花平均氣溫為4.8℃時(shí)，子粒損失率達(dá)到70%。

建立油菜子粒損失率與開(kāi)花時(shí)日最高氣溫平均值的關(guān)系模型如圖2b，方程式如式(5)所示。

式中，y為子粒損失率，Tm為開(kāi)花時(shí)最高氣溫均值。

當(dāng)油菜開(kāi)花日最高氣溫平均值在4.0～14.0℃之間時(shí)，子粒損失率隨溫度下降而升高；當(dāng)油菜開(kāi)花日最高氣溫平均值為13.2℃時(shí)，子粒損失率為10%；當(dāng)油菜開(kāi)花日最高氣溫平均值為11.1℃時(shí)，子粒損失率為30%；當(dāng)油菜開(kāi)花日最高氣溫平均值為7.0℃時(shí)，子粒損失率達(dá)到70%。

2.2.2 開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度與子粒損失率的關(guān)系 油菜子粒損失率與開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度的關(guān)系如圖3，y=1.809U-106.21(R2=0.343)。在空氣相對(duì)濕度85%以下，油菜子粒損失率隨開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度升高，呈增加趨勢(shì)，但相對(duì)于氣溫，其模擬偏差相對(duì)偏大。當(dāng)空氣相對(duì)濕度為≤75%時(shí)，子粒損失率30%以下；當(dāng)空氣相對(duì)濕度升高到85%時(shí)左右，油菜子粒損失率達(dá)到最高。

圖3 子粒損失率與相對(duì)濕度關(guān)系

2.2.3 溫濕因子對(duì)油菜子粒損失率的共同作用 采用逐步回歸方法，建立油菜子粒損失率(y)與開(kāi)花時(shí)平均氣溫(T1)、平均空氣相對(duì)濕度(R1)的二元回歸模型，如式(6)所示。

當(dāng)子粒損失率為10%時(shí)，若開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度為70%，則日平均氣溫為8.8℃；若空氣相對(duì)濕度為80%時(shí)，則開(kāi)花時(shí)日平均氣溫為9.9℃。當(dāng)子粒損失率為30%時(shí)，若空氣相對(duì)濕度為70%，則開(kāi)花時(shí)日平均氣溫為6.9℃；空氣相對(duì)濕度為80%時(shí)，則開(kāi)花時(shí)日平均氣溫為8.0℃。當(dāng)子粒損失率達(dá)70%時(shí)，若空氣相對(duì)濕度在80%，則日平均氣溫為4.3℃；空氣相對(duì)濕度為85%時(shí)，則日平均氣溫為4.8℃。表明開(kāi)花時(shí)溫度越低，空氣相對(duì)濕度越高，油菜子粒損失率越高，見(jiàn)圖4。

圖4 子粒損失率與溫濕度組合因子影響

2.3 不同天氣類型下油菜結(jié)實(shí)冷積溫指標(biāo)分析

根據(jù)危害積溫定義[16]，按照式(7)進(jìn)行分析。

其中，Tc為冷積溫，T0為低溫臨界指標(biāo)為10.0℃，Ti為某低溫危害過(guò)程的逐日平均溫度，Ti＜10.0℃。從開(kāi)花時(shí)段前4天到后4天內(nèi)不同天數(shù)的冷積溫，發(fā)現(xiàn)油菜子粒損失率與開(kāi)花至開(kāi)花后3天冷積溫的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)0.876，通過(guò)0.001顯著水平，如式(8)、圖5所示。

圖5 子粒損失率與開(kāi)花時(shí)至后3天冷積溫

式中，y為子粒損失率，Tc為冷積溫。中度受害冷積溫指標(biāo)為≥10.7℃，重度受害冷積溫指標(biāo)為≥26.0℃，進(jìn)一步分析冷積溫對(duì)子粒損失率的模擬誤差，發(fā)現(xiàn)有日照低溫下模擬誤差多為正值，即子粒損失率的模擬值高于實(shí)際觀測(cè)值；無(wú)日照低溫陰雨天氣下，子粒損失率模擬誤差多為負(fù)值，即子粒損失率的模擬值低于實(shí)際觀測(cè)值。設(shè)有日照低溫天氣類型為1、無(wú)日照低溫陰雨天氣類型為0，參與逐步回歸計(jì)算，得到子粒損失率與天氣類型(W)、冷積溫(Tc)的二元回歸模型，如式(9)所示。

利用式(9)計(jì)算得當(dāng)油菜子粒損失率達(dá)30%時(shí)，有日照低溫天氣的冷積溫指標(biāo)為16.5℃，無(wú)日照低溫陰雨天氣的冷積溫指標(biāo)為5.0℃；當(dāng)油菜子粒損失率達(dá)70%時(shí)，有日照低溫天氣的冷積溫指標(biāo)為37.5℃，無(wú)日照低溫陰雨天氣的冷積溫指標(biāo)為26.0℃。

3 結(jié)論與討論

分析結(jié)果表明，以子粒損失率≤29.9%為輕度受害，30%～69.9%為中度受害，≥70%為重度受害，2月25日前的低溫對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響以中度、重度為主，3月中下旬的低溫對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響以輕度為主，2月26日—3月10日的低溫對(duì)油菜結(jié)實(shí)的影響以輕度和中度為主。

油菜結(jié)實(shí)受溫濕因子的共同影響，子粒損失率隨油菜開(kāi)花平均氣溫下降、日最高氣溫平均值下降和空氣相對(duì)濕度升高而升高。當(dāng)開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度為70%，且日平均氣溫≤6.9℃，或開(kāi)花時(shí)空氣相對(duì)濕度為80%，日平均氣溫≤8.0℃，油菜中度受害；當(dāng)空氣相對(duì)濕度在80%，且日平均氣溫≤4.3℃，或空氣相對(duì)濕度為85%，日平均氣溫為≤4.8℃，油菜重度受害。不同低溫天氣類型對(duì)油菜開(kāi)花結(jié)實(shí)的冷積溫指標(biāo)不同。有日照的低溫天氣，夜晚輻射強(qiáng)氣溫低，白天有日照氣溫高，空氣濕度小，中度受害冷積溫指標(biāo)為≥16.5℃，重度受害冷積溫指標(biāo)為≥37.5℃；無(wú)日照的低溫陰雨天氣，白天氣溫低，空氣相對(duì)濕度大多在85%以上，昆蟲(chóng)活動(dòng)少，中度受害冷積溫指標(biāo)為≥5.0℃，重度受害冷積溫指標(biāo)為≥26.0℃。

本研究中油菜子粒損失率是一個(gè)開(kāi)花時(shí)段所有角果的實(shí)際總子粒數(shù)占正常天氣條件下油菜潛在子粒數(shù)的百分率，由陰角率與平均單角子粒數(shù)決定。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間低溫陰雨過(guò)程，更容易出現(xiàn)小角和單角子粒數(shù)明顯偏少的現(xiàn)象，如2012、2014年春季升溫慢，這2年3月10日前的油菜開(kāi)花的莢角均明顯短小，統(tǒng)計(jì)2012年3月6—9日平均單角子粒數(shù)10粒，相當(dāng)于正常角果的50%，2014年3月6—9日平均單角子粒數(shù)為14.0粒，相當(dāng)于正常子粒數(shù)的2/3。相比而言，較短時(shí)間的低溫或低溫陰雨，如2011年3月21—24日、2016年3月9—12日、2018年3月6—8日、2018年3月17—20等，往往只有個(gè)別角果短小，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間低溫陰雨既影響油菜胚株分化數(shù)量和質(zhì)量，又造成授粉受精受阻及合子發(fā)育不良等，從而減少了每角粒數(shù)[11,14]。

0℃以下的低溫使油菜花蕾或幼角受凍致死[2,13]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如2016年3月10日、2013年3月2日，包括2007年3月6日，這些油菜枝葉上有結(jié)冰現(xiàn)象，對(duì)油菜的影響主要表現(xiàn)為幼角發(fā)黃脫落、無(wú)花蕾死亡現(xiàn)象，花蕾死亡的天氣指標(biāo)有待進(jìn)一步探討。