三明市雜交水稻制種育性敏感溫度初日研究*

吳淋娣 李仁忠 游良德 楊 玲

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350000;2.福建省建寧縣氣象局,福建 三明 354500;3.福建省三明市氣象局,福建 三明 365000;4福建省尤溪縣氣象局,福建 三明 365100)

1 概述

三明市得益于特殊的地理位置和氣候條件,發(fā)展雜交水稻制種已經(jīng)近50年,是福建省最大的雜交水稻制種基地和全國雜交水稻種子優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)[1-2]。2021年福建省雜交水稻制種面積達(dá)35.8km2,其中,三明市制種面積28.8km2,產(chǎn)量6.3萬t,約占全國的1/4,已成為全國雜交水稻制種第一大市。隨著兩系法制種技術(shù)的成熟,兩系制種面積占到60%以上,但也帶來不少制種風(fēng)險(xiǎn)問題[3]。

兩系不育系是一種典型的溫光敏型不育系,主要受到溫光的影響。其中,溫度是最主要的氣象因子,需要較高的溫度來保持它的不育特性,才可用于制種生產(chǎn),保證種子的純度。但受氣候變化影響,熱量資源存在年際波動,給兩系雜交稻制種帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。如在雜交水稻制種育性敏感期突然遇到連續(xù)3d日平均氣溫低于23.5℃的天氣,使不育系的不育特性變?yōu)榭捎?產(chǎn)生自交結(jié)實(shí),導(dǎo)致制種失敗,生產(chǎn)的種子純度不純,質(zhì)量不達(dá)標(biāo),造成重大經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。因此,有必要對影響雜交水稻制種最關(guān)鍵的育性轉(zhuǎn)換敏感期溫度初日的氣候變化趨勢進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析。

國內(nèi)學(xué)者對雜交水稻制種不育系育性轉(zhuǎn)換溫度的觀點(diǎn)較一致,認(rèn)為光溫敏型不育系的育性轉(zhuǎn)換是抽穗前5～20d的光溫條件綜合作用的結(jié)果,而溫敏型不育系的育性主要由抽穗前5～20d的溫度主控,大部分不育性品種的臨界溫度為23.5℃[8]。不育系育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度由多基因控制,不同不育系對低溫敏感程度不同。一個(gè)不育系經(jīng)過多代繁殖后, 會產(chǎn)生育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度較高的個(gè)體,導(dǎo)致育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度向上漂移和同型可育株的產(chǎn)生,這種同型可育株不僅本身結(jié)實(shí)率高,而且授粉給不育株會導(dǎo)致所產(chǎn)種子純度下降[9-11]。

本文針對雜交水稻制種育性敏感期臨界溫度的初日,分析其時(shí)空分布、變化趨勢和突變節(jié)點(diǎn)及周期變化,旨在提高水稻制種品種布局、播期安排和應(yīng)對氣象災(zāi)害的能力,避免不利氣候影響,保障國家水稻種子供應(yīng)及糧食安全生產(chǎn)。

2 資料與方法

2.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)來源于1961—2020年三明市各縣(市)國家基本氣象站逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)為福建省氣象局提供的福建省數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 不育系育性敏感溫度初日

考慮到雜交水稻不育系品種較多,其育性敏感轉(zhuǎn)換溫度臨界值不同,結(jié)合大多數(shù)學(xué)者的研究成果和實(shí)際生產(chǎn)情況[12-15],以23.5℃為中點(diǎn),將育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度分為3個(gè)等級,分別為22.5℃、23.5℃、24.5℃,以連續(xù)3d日平均氣溫≤育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度的首日為初日。

2.2.2 趨勢分析

采用線性趨勢分析、Mann-Kendall 趨勢分析和顯著性檢驗(yàn)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法,分析雜交水稻育性敏感溫度初日及其變化特征[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 初日空間分布特征

如圖1所示,根據(jù)近30年氣候資料分析,三明市雜交水稻育性敏感溫度22.5℃初日平均值西部比東部早,呈東南向西北提早的特點(diǎn)。西部最早為9月19日(建寧縣),其余各縣均出現(xiàn)在9月下旬前期,東部均出現(xiàn)在9月下旬后期,最遲為9月30日(沙縣區(qū)),東西部雜交水稻育性敏感溫度22.5℃初日最大相差11d;23.5℃初日平均值西部比東部早,西部均出現(xiàn)在9月中旬,最早為9月11日(建寧縣),東部均出現(xiàn)在9月下旬,最遲為9月27日(永安市),東西部最大相差16d;24.5℃初日平均值西部出現(xiàn)在9月上旬,最早為9月3日(建寧縣、泰寧縣、寧化縣),東部出現(xiàn)在9月中旬,最遲為9月20日(永安市),東西部最大相差17d。這表明育性轉(zhuǎn)換臨界溫度下降1℃,則初日時(shí)間往后推遲,育性轉(zhuǎn)換臨界溫度提高1℃,則初日時(shí)間往前提早。

(a)育性敏感溫度22.5℃初日分布

(b) 育性敏感溫度23.5℃初日分布

3.2 初日時(shí)間變化趨勢及檢驗(yàn)

分別選取尤溪縣和建寧縣作為三明市東、西部代表站點(diǎn),從1961—2020年三明市東、西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期臨界溫度為22.5℃的初日變化趨勢可以看出(圖2),育性敏感期臨界溫度初日均呈推遲趨勢,這和全球氣候變暖的趨勢一致,建寧縣線性增加趨勢明顯,每10年約推遲1.4d;但尤溪縣趨勢不同,2005年之前為提早趨勢,之后為推遲趨勢。經(jīng)M-K趨勢檢驗(yàn)分析,東、西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期臨界溫度22.5℃初日的假設(shè)檢驗(yàn)Z值分別為0.68和2.03,建寧縣的Z值>1.64,通過置信度0.05的顯著性檢驗(yàn),推遲趨勢明顯。尤溪縣沒有通過顯著性假設(shè)檢驗(yàn),推遲趨勢不明顯。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

從1961—2020年三明市東、西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期臨界溫度23.5℃初日變化趨勢可以看出(圖3),初日總體呈緩慢推遲趨勢,平均每10年推遲不到1d。從階段性來看,1996年之前緩慢提前,之后轉(zhuǎn)為推遲。經(jīng)M-K趨勢檢驗(yàn)分析,三明市東、西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期23.5℃初日的假設(shè)檢驗(yàn)Z值分別為1.01和0.60,均沒有通過顯著性假設(shè)檢驗(yàn),說明初日推遲趨勢不明顯。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

從1961—2020年三明市東、西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期臨界溫度24.5℃初日變化趨勢可以看出(圖4),初日總體呈推遲趨勢,其中尤溪縣平均每10年推遲1.2d,比建寧縣推遲明顯。經(jīng)M-K趨勢檢驗(yàn)分析,雖然東西部代表站點(diǎn)雜交水稻育性敏感期24.5℃初日均呈現(xiàn)往后推遲的趨勢,但Z值分別為1.01和0.17,沒有通過顯著性假設(shè)檢驗(yàn),初日推遲趨勢不明顯。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

3.3 初日M-K突變檢驗(yàn)

尤溪縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度22.5℃初日UF曲線值1965—2015年都小于0,說明初日處于提早趨勢,2016年開始大于0,出現(xiàn)推遲趨勢。根據(jù)正序統(tǒng)計(jì)量(UF)和逆序統(tǒng)計(jì)量(UB)的交點(diǎn)位置可知,時(shí)間突變節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在2014年;建寧縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度22.5℃初日正序統(tǒng)計(jì)量UF曲線值在1980年之前幾乎都大于0,說明初日在推遲,到1996年后在正負(fù)之間波動,較穩(wěn)定,1997年之后均大于0,且非常接近0.05顯著性水平檢驗(yàn)線(u=±1.96),說明推遲趨勢較明顯。根據(jù)UF和UB的交點(diǎn)位置可知,突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在2005年(圖5)。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

尤溪縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度23.5℃初日UF曲線在2014年之前都小于0,說明初日處于提早趨勢,2014年開始大于0,出現(xiàn)推遲趨勢。根據(jù)UF和UB的交點(diǎn)位置可知,突變出現(xiàn)在2014年;建寧縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度23.5℃初日UF曲線2013年之前幾乎都小于0,說明初日提早,2013年開始大于0,轉(zhuǎn)變?yōu)橥七t趨勢,根據(jù)UF和UB的交點(diǎn)位置可知,突變出現(xiàn)在2005年(圖6)。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

尤溪縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度24.5℃初日UF曲線值先負(fù)再正,又再負(fù)再正,階段性特征明顯,20世紀(jì)70—80年代和2009年之后初日為推遲趨勢。根據(jù)UF和UB的交點(diǎn)位置可知,交點(diǎn)出現(xiàn)很多次,比較可信的突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1975年和2003年;建寧縣雜交水稻育性敏感期臨界溫度24.5℃初日UF曲線1970年之前大部分小于0,1972年之后均小于0,說明初日大都在提早。根據(jù)UF和UB的交點(diǎn)位置可知,突變出現(xiàn)在1964年、1970年、2019年(圖7)。

(a)尤溪縣 (b)建寧縣

3.4 初日周期性分析

由小波變化原理得到建寧縣雜交水稻育性敏感期23.5℃初日的小波分析圖。圖8(a)是小波變換實(shí)部值圖,反映了23.5℃初日時(shí)間序列的周期變化特征,圖8(b)是小波變換方差值,可以確定信號中不同種尺度擾動的相對強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度?？梢钥闯?建寧縣23.5℃初日存在4～6a和25～26a明顯的周期變化特征,由方差值圖可以確定西部23.5℃初日存在6a的主周期,而26a的周期時(shí)間太長,可信度不高。

(a)初日小波變換實(shí)部 (b)初日小波變換方差

由小波變化原理,得到尤溪縣雜交水稻育性敏感期23.5℃初日的小波分析圖。圖9(a)是小波變換實(shí)部值圖,反映了23.5℃初日時(shí)間序列的周期變換特征,圖9(b)是小波變換方差值,可以確定信號中不同種尺度擾動的相對強(qiáng)度和存在的主要時(shí)間尺度?？梢钥闯?尤溪縣23.5℃初日存在4～7a、12a和20a明顯的周期變化特征,由方差值圖可以確定尤溪縣23.5℃初日存在12a的主周期及3a、7a的副周期,可信度較高,而20a的周期時(shí)間太長,可信度不高。

3.5 95%和90%保證率雜交水稻育性敏感期轉(zhuǎn)化溫度初日

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,為保證農(nóng)作物正常生長發(fā)育和形成產(chǎn)量,需要對某一時(shí)段某一要素值大于或小于某一界限值的累積頻率進(jìn)行分析,即保證率。兩系雜交水稻制種在育性敏感期對溫度非常敏感,抽穗揚(yáng)花期需要穩(wěn)定通過某一界限溫度7～10d。因此,統(tǒng)計(jì)了三明市1961—2020年95%和90%保證率的雜交水稻育性敏感溫度初日,供實(shí)際生產(chǎn)參考。

在兩系雜交水稻制種中,母本對于溫度要求很嚴(yán)格,所以生產(chǎn)上盡量使用95%保證率育性敏感期臨界溫度初日,盡量保證抽穗揚(yáng)花期終日在育性敏感期臨界溫度初日之前,或者抽穗揚(yáng)花期終日就是育性敏感期臨界溫度初日,可確保制種成功率。母本育性敏感溫度為22.5℃的制種品種,西部各縣(市、區(qū))抽穗揚(yáng)花期終日要確保在9月6日之前,東部各縣(市、區(qū))抽穗揚(yáng)花期終日可略遲到9月10日;母本育性敏感溫度為23.5℃的制種品種,東部各縣(市、區(qū))抽穗揚(yáng)花期終日要在9月9日之前,西部各縣(市、區(qū))則差異較大,明溪縣需要在9月8日之前,泰寧縣在9月4日之前,建寧縣、寧化縣在8月29日之前;母本育性敏感溫度為24.5℃的制種品種對溫度的要求更高,將樂縣、沙縣區(qū)、尤溪縣、三明市區(qū)、永安市等地兩系雜交水稻抽穗揚(yáng)花期終日要在9月7日之前,大田縣、明溪縣兩系雜交水稻抽穗揚(yáng)花期終日在8月28日之前,西部的寧化縣、泰寧縣、建寧縣則要求更早,需要在8月18日之前,可保證兩系雜交水稻制種成功95%以上(表1)。

表1 三明市各縣(市、區(qū))雜交水稻育性敏感期轉(zhuǎn)換溫度95%、90%保證率初日

4 結(jié)論

①三明市雜交水稻育性敏感溫度初日氣候平均值總體呈西部早、東部遲的特征。育性轉(zhuǎn)換臨界溫度22.5℃、23.5℃初日西部大都出現(xiàn)在9月中旬,東部出現(xiàn)在9月下旬,東西部最大相差分別為10d、16d,24.5℃初日西部出現(xiàn)在9月上旬,東部出現(xiàn)在9月中旬,東西部最大相差17d。這表明育性轉(zhuǎn)換臨界溫度下降1℃,則初日時(shí)間往后推遲,育性轉(zhuǎn)換臨界溫度提高1℃,則初日時(shí)間往前提早。實(shí)際生產(chǎn)上,各地應(yīng)根據(jù)具體品種要求和當(dāng)?shù)氐木暥?、海?合理安排播期,確保雜交制種成功率。

②三明市雜交水稻育性敏感溫度初日均呈推遲趨勢,但經(jīng)M-K趨勢檢驗(yàn),差異性較大,其中,西部(建寧縣)22.5℃初日、東部(尤溪縣)24.5℃初日推遲趨勢明顯,通過顯著性檢驗(yàn),其余未通過顯著性檢驗(yàn)。經(jīng)M-K突變檢驗(yàn),雜交水稻育性敏感期22.5℃和23.5℃初日突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)西部(建寧縣)出現(xiàn)在2005年,東部(尤溪縣)出現(xiàn)在2014年。24.5℃初日突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)較多,西部(建寧縣)出現(xiàn)在1964年、1970年和2019年,東部(尤溪縣)出現(xiàn)在1975年和2003年。23.5℃初日存在明顯的周期性變化特征,西部(建寧縣)23.5℃初日存在6a的主周期,東部(尤溪縣)23.5℃初日存在12a的主周期及3a、7a的副周期。

③在兩系雜交水稻制種生產(chǎn)中,母本對溫度要求很嚴(yán)格,所以生產(chǎn)上盡量考慮兩系雜交水稻制種育性敏感期轉(zhuǎn)換溫度95%保證率的初日,以確保制種成功率和經(jīng)濟(jì)效益。母本育性敏感溫度為23.5℃的制種品種在生產(chǎn)中占比高,三明市東部各縣(市、區(qū))抽穗揚(yáng)花期終日要在9月9日之前,西部各縣(市、區(qū))則差異較大,明溪縣需要在9月8日之前,泰寧縣在9月4日之前,建寧縣、寧化縣在8月29日之前。

由于氣象觀測站距離水稻制種農(nóng)田有一定距離,且存在海拔差異,氣象觀測數(shù)據(jù)不能完全代表農(nóng)田氣象數(shù)據(jù),具有一定的誤差[17]。雜交水稻制種生產(chǎn)應(yīng)充分考慮局地小氣候環(huán)境的影響,并進(jìn)行播期調(diào)整,以確保成功制種率。