氣象因子對(duì)水稻灌漿速率及千粒重的影響分析

摘要 為探究氣象因子對(duì)水稻灌漿速率及千粒重的影響及影響程度，開(kāi)展了一系列水稻分期播種試驗(yàn)，并利用主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）方法對(duì)氣象因子進(jìn)行深入分析。結(jié)果顯示，光溫氣象因子是影響水稻灌漿速率的主要因素之一。冗余分析發(fā)現(xiàn)，日平均氣溫、日最高氣溫、階段積溫、階段日照時(shí)數(shù)和日較差與灌漿速率呈正相關(guān)，與千粒重呈負(fù)相關(guān)。在這些因素中，日最高氣溫、日最低氣溫和日較差對(duì)水稻灌漿速率和千粒重的影響較為明顯。研究結(jié)果為水稻關(guān)鍵生長(zhǎng)季節(jié)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供一定的參數(shù)資料和技術(shù)支持，以提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 氣象因子；灌漿速率；主成分分析；冗余分析

中圖分類號(hào) S161" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" " 文章編號(hào) 1007-7731（2024）16-0022-04

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.16.005

Analysis of the impact of meteorological factors on rice filling rate and thousand-grain weight

WU Xinjuan" " YANG Sihui" " CHEN Lin" " FEI Yongcheng

（Meteorological Bureau of Wenjiang District， Chengdu 611130， China）

Abstract To investigate the impact and extent of meteorological factors on the grain filling rate and thousand-grain weight of rice， a series of staged rice planting experiments were conducted， principal component analysis （PCA） and redundancy analysis （RDA） were utilized to deeply analyze the meteorological factors. The results revealed that photothermal meteorological factors were the main factors affecting the grain filling rate of rice. Through redundancy analysis， it was showed that daily average temperature， daily maximum temperature， stage accumulated temperature， stage sunshine duration， and daily temperature range were positively correlated with the grain filling rate but negatively correlated with thousand-grain weight. Among these factors， daily maximum temperature， daily minimum temperature， and daily temperature range had the most significant impact on the grain filling rate and thousand-grain weight of rice. The research results provided some parameter data and technical support for agricultural meteorological services during key growing seasons of rice， in order to improve rice yield and quality.

Keywords meteorological factors; filling rate; prncipal component analysis; redundancy analysis

水稻是重要的糧食作物之一，其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對(duì)于保障糧食安全至關(guān)重要。稻谷的種植與氣候因素緊密關(guān)聯(lián)，已有許多學(xué)者對(duì)稻谷種植生產(chǎn)與氣候因素的相互作用進(jìn)行了深入探討，龔金龍等[1]研究發(fā)現(xiàn)，水稻灌漿期遭遇低溫會(huì)導(dǎo)致籽粒充實(shí)不良，從而影響產(chǎn)量和品質(zhì)。騰中華等[2]研究表明，水稻灌漿期遭遇高溫會(huì)對(duì)籽粒充實(shí)產(chǎn)生負(fù)面影響，造成水稻結(jié)實(shí)率下降，降低千粒重和稻米品質(zhì)，從而影響其產(chǎn)量。張皓等[3]研究發(fā)現(xiàn)，日照時(shí)數(shù)對(duì)水稻灌漿速率和千粒重有明顯影響，在灌漿期保證充足的光照，有利于提高籽粒充實(shí)度和產(chǎn)量。張發(fā)麗等[4]研究證實(shí)了日照時(shí)數(shù)對(duì)水稻灌漿的積極作用，并建議在灌漿期采取合理密植、科學(xué)管理等措施，以提高水稻對(duì)光照資源的利用效率。

水稻籽粒灌漿是籽粒形成的重要生理過(guò)程之一，也是影響粒重、產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的關(guān)鍵階段。水稻灌漿期既受自身生物學(xué)特性影響，也受外部環(huán)境的影響，與溫度和日照密切相關(guān)，適宜的溫度和充足的光照是水稻籽粒灌漿充實(shí)、品質(zhì)優(yōu)良的保障[5]。為更全面地了解氣象因子對(duì)水稻灌漿的影響，本研究通過(guò)開(kāi)展不同播期的水稻播種試驗(yàn)，確保水稻灌漿結(jié)實(shí)階段處于不同的光照、溫度和水文氣象條件下，結(jié)合收集的同期氣象信息，分析探討灌漿速率的變化與各種氣象因子之間的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水稻科學(xué)生產(chǎn)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)（103.87° E，30.75° N）位于四川省成都市溫江區(qū)氣象局農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)田內(nèi)，面積約2 hm2，海拔高度548.9 m。試驗(yàn)田采用水稻和大蒜（或油菜）的輪作方式進(jìn)行耕作，是研究區(qū)典型的輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。試驗(yàn)基地位于成都平原的中心地帶，地形是由岷江沖擊形成的平原，土壤以壤土為主，理化性質(zhì)優(yōu)良，肥力狀況適中。

1.2 試驗(yàn)材料

稻谷品種采用中稻雜交秈稻宜香優(yōu)2115。水稻生育期內(nèi)的每日氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省成都市溫江區(qū)氣象局的地面氣象觀測(cè)資料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2019—2022年進(jìn)行水稻分期播種試驗(yàn)。共設(shè)定4個(gè)不同播期（SD1-SD4），每個(gè)相鄰播期間隔10 d。以當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)播種期3月25日作為第2播期（SD2），其他播期分別為第1播期3月15日（SD1），第3播期4月4日（SD3），第4播期4月14日（SD4）。所有播期的秧苗均在35 d秧齡時(shí)移栽，各播期在移栽時(shí)均進(jìn)行4個(gè)重復(fù)移植，移栽規(guī)格、田間管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的稻田生產(chǎn)基本保持一致。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 灌漿速率和千粒重" 在水稻灌漿期（抽穗始期至成熟期）進(jìn)行灌漿特性的測(cè)定，測(cè)定項(xiàng)目包含灌漿速率和千粒重測(cè)定。操作方法：當(dāng)每個(gè)播種期的水稻達(dá)到抽穗始期（開(kāi)花期）時(shí)，分別在4個(gè)重復(fù)中選定同日開(kāi)花、大小相近的200穗，掛牌定穗，并標(biāo)明掛牌日期。掛牌后第10天第一次取樣，然后每隔5 d取樣1次，直至水稻成熟。每次從選定的株莖中任取20穗（4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)5穗），取下穗后，數(shù)總粒數(shù)，在恒溫干燥箱內(nèi)烘干并稱重，記錄千粒重。灌漿速率測(cè)定方法按《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[6] 要求執(zhí)行。

1.4.2 農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)" 水稻灌漿期各播期所需的光溫水農(nóng)業(yè)氣象條件的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和觀測(cè)方法按《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[7]要求執(zhí)行。

（1）溫度因子。氣溫（℃）：用距地面1.5 m高處的百葉箱內(nèi)干球溫度表測(cè)得，每3 h讀取1次，共8次，取平均值作為當(dāng)日氣溫。最高（低）氣溫（℃）：用距地面1.5 m高處的百葉箱內(nèi)最高（低）溫度表測(cè)得的當(dāng)日極端最高（低）氣溫，一天只有1個(gè)數(shù)值；某時(shí)段內(nèi)平均最高（低）氣溫是該時(shí)段內(nèi)極端最高（低）氣溫的均值。

（2）水和光照因子。降水量（mm）：用雨量筒量取一天中未經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失的降水在水平面上積累的深度之和。日照時(shí)數(shù)（h）：太陽(yáng)在一地實(shí)際照射的時(shí)數(shù)，在一給定時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)直接輻射度大于或等于120 W/m2的各分段時(shí)間總和。相對(duì)濕度（%）：用在同一百葉箱內(nèi)的干、濕球溫度同步測(cè)量值的差異，計(jì)算出的表征空氣濕潤(rùn)程度的要素值，每3 h計(jì)算1次，共8次，取平均值作為當(dāng)天相對(duì)濕度。以上各要素均以北京時(shí)間20：00到次日20：00這一時(shí)段為1 d。水稻灌漿期的農(nóng)業(yè)氣象條件如表1所示。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表生成，采用SPSS 27.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)PCA等分析，另采用Canoco 5進(jìn)行RDA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素對(duì)水稻灌漿速率的影響

2.1.1 水稻灌漿結(jié)實(shí)期農(nóng)業(yè)氣象條件" 根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)分析，2019—2021年，不同播期的水稻在灌漿結(jié)實(shí)期的平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫均隨播種時(shí)間的推遲呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)；2022年，隨著播期的延后，相關(guān)氣溫指標(biāo)隨著播種時(shí)間的推遲呈現(xiàn)先增后減的拋物線型變化，其中，SD3的平均最高溫度達(dá)35.3 ℃，為最高值，這與當(dāng)年7—8月的持續(xù)高溫天氣有關(guān)。年際間的降水量差異較明顯，2020年降水量最多，尤其是SD4播種期，其降水量比歷史同期多出225%；2019年SD1播種期的降水量最少。在日照時(shí)數(shù)方面，2022年相比其他年份日照時(shí)數(shù)偏多，最多的是2022年SD3播種期，比歷史同期增加了93%；最少的是2020年的SD1播種期。因此，在水稻灌漿階段，氣象條件在年際和播期間存在明顯差異，對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育影響較大。播種期的推遲對(duì)溫度和降水的影響較大，而日照時(shí)數(shù)也顯示出較大的年際變化幅度。這些氣象條件的變化可能對(duì)水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。

2.1.2 灌漿速率與氣象要素的相關(guān)性分析" 通過(guò)主成分分析（PCA）方法獲得2個(gè)包含84.50%原始信息的主成分。其中，第一個(gè)主成分（PC1）解釋率達(dá)67.5%，第二個(gè)主成分（PC2）解釋率達(dá)17.0%（圖2），這表明所提取的主成分與原始變量之間的相關(guān)性較強(qiáng)，從而說(shuō)明其在一定程度上具有代表性。

主成分分析（PCA）計(jì)算結(jié)果（表2）顯示，第一主成分（PC1）包括日最高氣溫、日平均氣溫、日較差、階段積溫和累計(jì)日照時(shí)數(shù)的最大信息，且均呈正向分布，可定義為光熱因子；貢獻(xiàn)率較大的為日最高氣溫、日平均氣溫和累計(jì)日照時(shí)數(shù)。第二主成分（PC2）綜合了日最低氣溫、平均風(fēng)速、日平均氣溫、日較差和累計(jì)降水量的信息，日較差在PC2上呈負(fù)向分布，日最低氣溫、平均風(fēng)速、日平均氣溫和累計(jì)降水量呈正向分布，其中平均風(fēng)速、日最低氣溫和累計(jì)降水量貢獻(xiàn)率較大。通過(guò)主成分分析結(jié)果可知，光熱因子在水稻灌漿過(guò)程中起重要作用，同時(shí)，降水和風(fēng)速等氣象因子對(duì)水稻灌漿也有影響，即在水稻灌漿過(guò)程中不僅受單一氣象因素的影響，還受多種氣象因素的綜合影響。

2.2 水稻灌漿速率、千粒重與氣象因素的冗余分析

用冗余分析（RDA）方法進(jìn)一步分析氣象因素對(duì)水稻灌漿速率和千粒重的影響。從水稻灌漿速率、千粒重與氣象因子關(guān)系的冗余分析排序結(jié)果（圖3）可以看出，在第一排序軸上，灌漿速率和千粒重98.81%可以被以上9個(gè)氣象因子解釋。日平均氣溫的連線最為突出，其連線最長(zhǎng)，其次是日最低氣溫，平均風(fēng)速的連線速最短。通過(guò)灌漿速率和千粒重與氣象要素之間的夾角分析可知，灌漿速率與日最低氣溫、日平均氣溫、日最高氣溫、階段積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和日較差之間的夾角較小，呈銳角，呈正相關(guān)；與平均風(fēng)速和累積降水量之間的夾角較大，呈鈍角，呈負(fù)相關(guān)。千粒重與日最低氣溫、平均風(fēng)速、累積降水量和相對(duì)濕度呈銳角，呈正相關(guān)；與日平均氣溫、日最高氣溫、階段積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和日較差呈鈍角，呈負(fù)相關(guān)。日平均氣溫、日最高氣溫、階段積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和日較差與灌漿速率呈正相關(guān)，與千粒重呈負(fù)相關(guān)，這意味著水稻從灌漿到成熟的階段，隨著生長(zhǎng)發(fā)育的推進(jìn)，灌漿速率逐漸穩(wěn)定，而干物質(zhì)的累積量逐漸增多，從而呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

以上分析結(jié)果表明，氣象要素對(duì)水稻的灌漿速率和千粒重的影響較為明顯，灌漿速率與光溫因子呈正相關(guān)，表明這些因子促進(jìn)灌漿過(guò)程；與風(fēng)速、降水呈負(fù)相關(guān)，表明強(qiáng)風(fēng)和過(guò)多降水對(duì)灌漿產(chǎn)生不利影響。千粒重與日最低氣溫、平均風(fēng)速、累積降水量、相對(duì)濕度呈正相關(guān)，表明適量的降水和較高的相對(duì)濕度有利于稻谷增重；與日平均氣溫、日最高氣溫、階段積溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和日較差呈負(fù)相關(guān)，這可能是因?yàn)樵诠酀{到成熟階段，高溫和過(guò)多的日照可能會(huì)減緩干物質(zhì)的累積，從而影響千粒重。

綜合因子分析，認(rèn)為影響水稻灌漿速率的氣象因子主要為光溫氣象因子，其中日最高氣溫、日最低氣溫和日較差影響較大。

3 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)對(duì)影響水稻灌漿速率的氣象因子進(jìn)行因子分析（PCA），獲得了2個(gè)包含84.50%原始信息的主成分，發(fā)現(xiàn)其主要影響的氣象因子為光溫因子。這與周鴻凱等[8]研究雜交水稻光溫特性的因子分析，以及朱慶森等[9]研究水稻籽粒灌漿的生長(zhǎng)分析，得出在水稻灌漿結(jié)實(shí)期主要的影響因子是光溫因子的結(jié)論基本一致。

（2）在冗余分析（RDA）中，水稻灌漿速率、千粒重與氣象因子關(guān)系在排序結(jié)果有98.81%可以被日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日較差、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、階段積溫、累計(jì)降水量和累計(jì)日照時(shí)數(shù)9個(gè)氣象因子解釋。其中，日平均氣溫的連線長(zhǎng)度最長(zhǎng)，日最低氣溫其次，平均風(fēng)速最短；日平均氣溫、階段積溫、日最高氣溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和日較差與水稻灌漿速率之間呈正相關(guān)，而與千粒重之間呈負(fù)相關(guān)。這與林文雄等[10]研究氣候條件對(duì)雜交水稻籽粒灌漿的分析，得出水稻的灌漿速率與溫度因子呈正相關(guān)的結(jié)論基本一致。

綜上，氣象因子對(duì)水稻灌漿速率和千粒重有明顯影響，其中光溫因子是較為重要的影響因素，尤其是日最高氣溫、日最低氣溫和日較差影響較大，適宜的溫度有助于保持水稻的生理活性，促進(jìn)灌漿過(guò)程的順利進(jìn)行。在灌漿結(jié)實(shí)期，充足的光照和適宜的溫度可以保證水稻籽粒充分灌漿，提高其千粒重和產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔金龍，張洪程，胡雅杰，等. 灌漿結(jié)實(shí)期溫度對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（2）：482-491.

[2] 滕中華，智麗，宗學(xué)鳳，等. 高溫脅迫對(duì)水稻灌漿結(jié)實(shí)期葉綠素?zé)晒?、抗活性氧活力和稻米品質(zhì)的影響[J]. 作物學(xué)報(bào)，2008，34（9）：1662-1666.

[3] 張皓，翁玲，劉宇鵬，等. 氣象因子與黔中水稻灌漿速度及千粒重相關(guān)性分析[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，46（12）：1-8.

[4] 張發(fā)麗，王榮基，張恒棟，等. 黔西南地區(qū)水稻超高產(chǎn)原因分析[J]. 中國(guó)稻米，2023，29（5）：114-118，121.

[5] 施偉，朱國(guó)永，孫明法，等. 水稻籽粒灌漿的影響因子及其機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2020，36（8）：1-7.

[6] 國(guó)家氣象局. 農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范[M]. 北京：氣象出版社，1993.

[7] 中國(guó)氣象局. 地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M]. 北京：氣象出版社，2003.

[8] 周鴻凱，何覺(jué)民，葉昌輝，等. 雜交水稻光溫特性的因子分析[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（9）：110-116.

[9] 朱慶森，曹顯祖，駱亦其. 水稻籽粒灌漿的生長(zhǎng)分析[J]. 作物學(xué)報(bào)，1988，14（3）：182-193.

[10] 林文雄，吳志強(qiáng)，梁義元. 氣候條件對(duì)雜交水稻籽粒灌漿的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，1992，13（2）：4-8.

（責(zé)任編輯：楊 歡）