汪天穎, 張 彌, 張富存, 越 昆, 黃笑穎,劉壽東, 肖 薇, 王 偉, 李旭輝
(1.湖南省氣象科學(xué)研究所,長沙 410118; 2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室,長沙 410118;4.School of Forestry and Environmental Studies,Yale University,New Haven 06511,USA)
水稻是全球三大糧食作物之一,其生長發(fā)育、產(chǎn)量形成均與地表接受的太陽輻射密切相關(guān)。20世紀(jì)后半葉以來,受全球工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)、交通規(guī)模的擴(kuò)大、能源消耗、自然災(zāi)害等影響,大氣中氣溶膠含量增加[1-2],灰霾天氣迅速增加[3],導(dǎo)致全球大部分地區(qū)地面接收的太陽輻射通量下降,出現(xiàn)“暗化”(dimming)現(xiàn)象[4]。尤其20世紀(jì)80年代以來中國平均霾日增多趨勢明顯[5-6]?;姻蔡鞖庠斐商柨傒椛渑c直接輻射下降,而散射輻射比例增加[7-8],其主要影響晴空太陽輻射,如中國東部地區(qū)中、重度霾天氣條件下太陽輻射強度會受到明顯削弱,使晴空下的總太陽輻射減少20%~50%,散射輻射占比增加10%~40%[9-11]。有研究表明,太陽總輻射減少會造成作物減產(chǎn)[12-15],也有研究發(fā)現(xiàn),受散射輻射增加的“增肥”效應(yīng)影響的地區(qū),自然及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的總初級生產(chǎn)力和凈初級生產(chǎn)力高于普通光照條件地區(qū)的[1,16],利于作物產(chǎn)量增長。因此,霾天氣環(huán)境下太陽輻射的改變對水稻生長有何影響,生長季不同光照條件下霾天氣對水稻的影響有何差異,糧食生產(chǎn)安全對此高度關(guān)切。
太陽輻射是植物光合作用的重要驅(qū)動因子,其相關(guān)的生理機(jī)理模型已應(yīng)用于水稻作物模型。基于水稻模型模擬的研究表明,太陽總輻射量與水稻的產(chǎn)量呈現(xiàn)較好的一元線性相關(guān)性,其中太陽總輻射每增加(減少)1%,水稻產(chǎn)量約上升(下降)0.75%[17]。由于模型模擬中存在太陽總輻射的敏感性較弱、散射輻射比例誤差較大等情況[18-19],因此水稻模型在灰霾影響中的不確定性需要試驗驗證。目前關(guān)于灰霾對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的大田驗證試驗還鮮有報道,模擬太陽輻射變化對水稻生長影響的研究大多使用遮陽網(wǎng)遮陰的盆栽試驗方式,遮光率達(dá)到45%~80%,且改變了光譜組成[12,15,20-23],對灰霾天氣下太陽輻射變化的模擬程度存在較大差異。應(yīng)用無色透明塑料網(wǎng)、膜遮陰的方式模擬與實際霾天氣的光譜輻射能變化特征吻合程度高[10,24]。越昆等[11]通過對塑料膜光質(zhì)和光量的測試,發(fā)現(xiàn)PE塑料膜能夠有效地模擬出灰霾天氣造成的太陽輻射強度削弱、散射輻射增加的事實,同時又具備不改變太陽輻射的光譜特征及其各向異性的特點。近年Shao等[25-26]使用白色透明薄膜模擬灰霾對水稻的生長影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),霾天氣中散射輻射比例增加的“增肥”彌補了部分產(chǎn)量損失,并造成葉面積指數(shù)等發(fā)生變化。
本研究試驗地位于長江中下游地區(qū),屬全球最重要的水稻產(chǎn)區(qū)之一[27],試驗所在地區(qū)水稻生長季內(nèi)平均日照時數(shù)約為650 h。研究在2014年(光照條件偏差的年份)與2015年(光照條件較好的年份)采用PE 塑料膜在水稻生長季內(nèi)進(jìn)行遮陰大田試驗,模擬灰霾天氣,從而明確灰霾天氣對大田水稻群體葉片、株高等生長要素及其產(chǎn)量的影響,并發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致水稻生產(chǎn)要素及產(chǎn)量變化的主要因素。該研究可為太陽輻射變化背景下水稻不同層次葉片生長、地上部分生物量分配、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子形成等模型的構(gòu)建、訂正提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐,而兩類光照條件影響程度差異及其規(guī)律研究也可為水稻生產(chǎn)在霾天氣影響下的預(yù)報、監(jiān)測和評估提供技術(shù)支撐。
試驗分別于2014年、2015年在江蘇省南京市浦口區(qū)落橋村(32°12′N、118°40′E)水稻大田中進(jìn)行。試驗在水稻返青末期至成熟收割期(7月上旬-10月中旬)于晴天進(jìn)行蓋膜。陰天、雨天不進(jìn)行處理,盡可能滿足只改變輻射因子。試驗設(shè)置1個蓋膜處理(T),即采用透明塑料薄膜(PE 塑料膜)材料對水稻進(jìn)行遮陰處理,使得蓋膜試驗樣地內(nèi)晴天條件下,太陽總輻射量比對照組減少30.7%,散射輻射比例增加20.4%,符合有效模擬灰霾天氣造成的太陽輻射環(huán)境要求[11];同時設(shè)置1個對照組(CK),不設(shè)遮膜處理,全生長季為自然光照條件。每個小區(qū)面積為4.5 m×3.0 m,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個處理重復(fù)4次,詳見圖1。處理方式為:在距地1.5 m高度處用3層120 μm的PE膜進(jìn)行蓋膜,同時保證水稻群體內(nèi)通風(fēng)條件。T與CK在水稻品種、水肥管理等方面保持一致。試驗水稻品種為南粳46,移栽時每穴基本苗3株,行株距為25 cm×25 cm。
圖1 遮陰試驗小區(qū)及儀器分布
株高和葉面積動態(tài)測定:遮膜試驗期間,每隔7~10 d測定1次水稻的株高與上、下層的綠色葉片,并計算其面積,每個小區(qū)隨機(jī)選取10穴測定植株高度。由于水稻不同葉位葉片對于穗部物質(zhì)供應(yīng)影響有較大差異,而且功能葉(倒一、二、三葉)對籽粒充實度有顯著影響[28-30],因此將水稻葉片分為上層葉(自植株頂端葉片往下數(shù)共3片葉)和下層葉(自植株底端葉片往上數(shù)共3片葉)分別測定,以研究水稻不同層次葉片受灰霾影響機(jī)制。隨機(jī)選取10株分蘗測定其上層葉、下層葉的葉片長度、寬度,同時根據(jù)葉面積=長×寬×校正系數(shù)(取校正系數(shù)為0.75[31]),計算上、下層的葉面積。
比葉面積計算:比葉面積(SLA)為單位重量下的葉片面積[32],即SLA=葉片面積(cm2)/葉片干重(kg)。
生物量測定:水稻收獲后即測定植株地上部分干重。測定方法為每個小區(qū)隨機(jī)取10株分蘗,將其分為穗、葉片、莖3部分,置于105 ℃烘箱中殺青30 min,于85 ℃下烘干至恒重,測定其干重。
產(chǎn)量測定及干物質(zhì)分配系數(shù)計算:按《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[33]規(guī)定進(jìn)行產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析。水稻成熟收獲期使用1 m×1 m的木框輔助圈地取樣,測定每平方米成穗數(shù);在每塊樣地中收割2.0 m2植株脫粒曬干,進(jìn)行水稻考種,測定千粒重、每穗粒數(shù)、每穗空癟粒數(shù),計算出結(jié)實率、空秕率、理論產(chǎn)量。穗、葉、莖分配系數(shù)分別為成熟期的穗、葉、莖干重與植株地上部分總干重的比值[34]。
變化率:定義某要素的T結(jié)果相比CK變化值的百分率為某要素的變化率。則
其中,Ri為i要素的變化率,Ti和CKi分別為T和CK中i要素的數(shù)值。變化率為正(負(fù))值時說明T中該要素的測量值高于(低于)CK的。
太陽輻射數(shù)據(jù)應(yīng)用SPN1-MS1散射輻射計(Delta-T, Inc. UK)采集,分別在CK和T的距地1.2 m高處安裝散射輻射計(詳見圖1),全天候自動觀測太陽總輻射和散射輻射,采樣頻率為每間隔0.5 h/次。日照時數(shù)數(shù)據(jù)來自全國綜合氣象信息共享平臺(Meteorological Unified Service Interface Community)。氣象資料為鄰近試驗地的浦口地面氣象站(32°4′N、118°34′E)逐日日照時數(shù)資料,時間段為1981-2010年、2014年、2015年的7月1日-10月20日。冠層溫度數(shù)據(jù)應(yīng)用ST紅外測溫儀(Raytek, Inc. USA)采集,選擇生長均勻一致且有代表性的CK和T葉面采集紅外測溫樣本,每隔7~10 d人工觀測1次。
試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用SPSS(IBM SPSS Statistics 22.0)進(jìn)行統(tǒng)計分析計算,采用獨立樣本T檢驗方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗。
光照特征。兩年試驗大田觀測處理期間,2014年太陽總輻射為1493.5 MJ/m2,總?cè)照諘r數(shù)為496.8 h,2015年太陽總輻射為2055.6 MJ/m2,總?cè)照諘r數(shù)為705.3 h,兩年的太陽總輻射和總?cè)照諘r數(shù)分別相差了562.1 MJ/m2(27.34%)和208.5 h(29.56%)。由于日照時數(shù)與太陽總輻射有良好的線性相關(guān)性[35],兩者差異的比例較為一致。當(dāng)?shù)?981-2010年30年歷史同期日照時數(shù)為647.1 h。2014年較歷史同期偏少150.3 h,代表了日照條件明顯偏差的年份;2015年較歷史同期偏多58.2 h,代表了日照條件比較好的年份。可見兩年的光照條件具有典型性和代表性。T的太陽總輻射在2014年、2015年分別比CK減少了236.4 MJ/m2(15.83%)、427.1 MJ/m2(20.78%),T的散射輻射占總輻射的比例在2014年、2015年分別較CK增加了22.13%、24.64%(表1)。
表1 2014年和2015年水稻大田生長期間太陽輻射及日照時數(shù)分布
溫度特征。通過紅外測溫儀測得2014年CK和T的水稻冠層平均溫度分別為25.3 ℃和25.1 ℃,T較CK的變化范圍為-0.8~0.2 ℃,平均降低0.2 ℃。2015年CK和T的冠層平均溫度分別為24.5 ℃和24.3 ℃,T較CK變化范圍為-0.9~0.2 ℃,平均降低0.2 ℃。
(1)株高生長的變化特征
利用遮膜模擬灰霾環(huán)境,其對水稻株高的影響如圖2所示。兩年試驗中,株高在拔節(jié)-抽穗期間的平均增速分別為:2014年的1.40 cm/d(T)和1.33 cm/d(CK),2015年的1.41 cm/d(T)和1.36 cm/d(CK)。與CK相比,拔節(jié)-抽穗期間株高的變化率在2014年增加了5.26%、2015年增加了3.68%;灌漿開始后株高的變化率在2014年增加了1.36%、2015年增加了2.96%。同一時期T株高比CK的均略有增加,且在灌漿開始之后差異較大,在灌漿-成熟期達(dá)到最高,該時段株高平均值:2014年的為115.10 cm(T)和113.56 cm(CK),2015年的為110.05 cm(T)和106.89 cm(CK),差異達(dá)到極顯著水平(P=0.01)。對比2014年及2015年的結(jié)果,植株在光照少的2014年較高,與CK的差異在光照多的2015年較大。
圖2 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照試驗中各組水稻株高的生長曲線圖中觀測值上部的*、**分別表示處理間在 0.05、0.01水平上的差異顯著性,下同
(2)葉片生長的變化特征
上層葉面積的變化特征。圖3為T和CK生長季內(nèi)水稻上層葉片平均面積的變化曲線。T的上三葉葉面積在同期較CK的均有所增加,且在分蘗末期之后二者差異最大。兩類年份上層葉面積相比,T上層葉面積在光照少的2014年較高,T和CK上層葉面積的差異主要出現(xiàn)在分蘗末-拔節(jié)期和灌漿后期-成熟期,最大葉面積差異出現(xiàn)在拔節(jié)期,為2.70 cm2(4.96%),其次在成熟期,為2.42 cm2(5.75%)。T上層葉面積在灌漿開始之后的減少速率低于CK的。在光照多的2015年,灰霾處理與CK的上層葉面積差距較大,在分蘗末期之后二者上層葉面積出現(xiàn)顯著差異,最大葉面積差異出現(xiàn)在乳熟期,為6.41 cm2(21.2%)。2014年、2015年在分蘗末期之后上層葉面積分別增加了1.55 cm2(3.16%)、3.98 cm2(11.81%),表明光照多的年份上層葉面積增加更多。
圖3 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照試驗中各組上層葉面積的生長曲線
下層葉面積的變化特征。圖4是遮膜光照條件下水稻下層葉片平均面積的生長曲線。T下三葉葉面積比CK的均有所增加,且在灌漿成熟期差異顯著,光照少的年份(2014年)差異主要出現(xiàn)在灌漿期,最大差值為4.03 cm2(10.99%);光照多的年份(2015年)差異主要出現(xiàn)在成熟期,最大差值為2.16 cm2(7.36%),表明下層葉面積在光照少的年份增加相對較多,但在兩類年份試驗中相差不大。對比圖3,遮陰處理后,上層葉面積的差距總是要大于同期下層葉面積的差距,說明遮膜處理對上部葉片面積的影響大于對下部葉片的影響。
圖4 2014年(a)和2015年(b)遮膜光照試驗中各組下層葉面積的生長曲線
兩類光照條件年份,遮膜處理對水稻成熟期地上部分生物量及其分配系數(shù)的影響如表2所示。兩類年份下遮陰處理后,成熟期各項生物量要素值普遍降低。但是,葉片要素與穗分配系數(shù)卻有所不同。光照多的年份(2015年),T處理葉片要素都是增加的(其中單株葉重顯著增加(P=0.05),葉分配系數(shù)極顯著增加(P=0.01)),成熟期比葉面積增加(T和CK分別為412.8 cm2/kg和407.8 cm2/kg,T偏高了5.00 cm2/kg,即1.25%),穗分配系數(shù)幾乎維持不變(僅減少0.04%);光照少的年份(2014年),T處理成熟期比葉面積增加(T和CK分別為718.0 cm2/kg和583.9 cm2/kg,T偏高了134.10 cm2/kg,即22.97%),穗分配系數(shù)有所提升(增加1.26%)。
表2 兩類光照條件年份下遮膜試驗處理各組的水稻成熟期地上部分生物量及其分配系數(shù)
對于單株莖重、單株葉重、單株穗重和地上部分總生物量四項要素,與CK相比,T中均為極顯著減少;而比葉面積、穗分配系數(shù)有所增加。說明光照少的年份,干物質(zhì)顯著減少,但通過增加比葉面積而提高了穗分配系數(shù)。光照多的年份,只有單株莖重與莖分配系數(shù)呈極顯著減少,而單株葉重和葉分配系數(shù)是顯著增加的。說明在遮陰處理后,光照多的年份干物質(zhì)積累從莖稈轉(zhuǎn)移至葉片,從而維持了穗部的分配系數(shù)。同時還表明,遮陰處理后光照少的年份莖稈貯存的干物質(zhì)減少極顯著,而光照多的年份只有單株莖重呈極顯著減少,單株穗重、單株地上部分總生物量等減少不顯著。
表3是兩類光照年份下遮膜處理的水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子,T處理兩年的產(chǎn)量均極顯著降低(P=0.01)。其中光照多的年份(2015年)減產(chǎn)率為9.95%,光照少的年份(2014年)減產(chǎn)率為6.81%,前者高出后者46.11%。光照多的年份在遮膜處理后產(chǎn)量僅為8391.31 kg/hm2,甚至低于未加遮膜處理時光照少的年份的產(chǎn)量(8866.70 kg/hm2)。產(chǎn)量構(gòu)成因素中,遮膜處理后,每平方米成穗數(shù)兩年均呈極顯著減少,千粒重在2015年呈極顯著減小,而2014年減小不顯著;單株實粒數(shù)在2015年呈極顯著增加,而2014年增加不顯著;空秕率在2015年呈顯著增加。由此說明,遮膜處理造成產(chǎn)量下降的主要原因為減少了每平方米成穗數(shù)(兩年試驗期間均達(dá)極顯著水平);其次是影響了千粒重、單株實粒數(shù)和空秕率,造成千粒重減小和空秕率增加。同時單株實粒數(shù)有所增加,對產(chǎn)量形成產(chǎn)生了補償效應(yīng)。
表3 兩類光照年份下遮膜試驗處理各組的水稻產(chǎn)量與產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子
本試驗研究中,2014年和2015年兩年在大田觀測期間(7月上旬-10月中旬)的太陽總輻射與總?cè)照諘r數(shù)均相差近30%。通過對兩類代表年份下水稻蓋膜遮陰處理的田間對比試驗分析,模擬評估了晴天霾情景下太陽總輻射量減少、散射輻射比例增加的太陽光照環(huán)境,分析了總?cè)照諘r數(shù)偏多、總?cè)照諘r數(shù)偏少兩類典型年份水稻生長及其產(chǎn)量,揭示了不同類型光照年份水稻受霾影響的作用機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),灰霾處理主要影響水稻形態(tài)指標(biāo)中的株高、上層葉要素,地上部分生物量中的莖要素,產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子中的每平方米成穗數(shù),進(jìn)而影響產(chǎn)量,且在光照多的年份中影響程度整體高于光照少的年份。具體結(jié)論如下:
(1)遮陰處理后水稻植株的株高、葉片的生長量均有所增加。遮陰后株高在拔節(jié)-抽穗期變化率增加最快,株高差異在灌漿-成熟期達(dá)到最高。遮陰對上層葉面積的影響大于對下層葉面積的影響,上三葉葉面積在分蘗末期之后差異顯著,下三葉葉面積在灌漿成熟期差異顯著。
(2)在霾天氣影響下,葉片要素一般都有所增加,但不同類型年份間的變化情況不同。遮陰處理后,兩類年份的上、下層葉的葉面積、比葉面積均有所增加,增加了光照的截獲面積。葉重、葉分配系數(shù)在光照少的年份減少,在光照多的年份顯著增加。成熟期比葉面積在光照多的年份增加少(1.25%),在光照少的年份增加多(22.97%)。
(3)因霾天氣影響,莖稈貯存的干物質(zhì)比例減少,增加了葉片要素的比重,干物質(zhì)分配傾向于維持穗部的分配系數(shù)。光照少的年份,成熟期單株莖重、單株葉重、單株穗重和地上部分總生物量等4項要素均呈極顯著減少;比葉面積、穗分配系數(shù)增加。光照多的年份,只有單株莖重與莖分配系數(shù)呈極顯著減少;單株葉重、葉分配系數(shù)顯著增加,穗分配系數(shù)基本維持。說明遮陰處理后,莖稈貯存的干物質(zhì)顯著減少,其中光照少的年份減少更為嚴(yán)重;莖稈貯存的干物質(zhì)比例減少,通過增加葉片要素的比重來維持穗分配系數(shù);光照多的年份,干物質(zhì)積累從莖稈轉(zhuǎn)移至葉片,從而維持了穗分配系數(shù);光照少的年份,干物質(zhì)減少后增加了比葉面積,單位重量葉片的面積增加,通過增加光照截獲面積提高了穗分配系數(shù)。
(4)受霾天氣影響后,水稻產(chǎn)量顯著減少,且光照多的年份減產(chǎn)率高于光照少的年份減產(chǎn)率,與此同時,霾條件下散射輻射所占比例增加,對水稻產(chǎn)量有一定補償效應(yīng)。兩類光照條件年份下,遮陰處理后經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量都會受到顯著影響,其中光照多的年份減產(chǎn)率為9.95%,光照少的年份減產(chǎn)率為6.81%,光照多的年份減產(chǎn)高出46.11%。霾天氣造成減產(chǎn)的主要原因是減少了每平方米成穗數(shù),其次是造成千粒重減小和空秕率增加;同時單株實粒數(shù)有所增加,對產(chǎn)量有補償效益。依據(jù)太陽總輻射與水稻產(chǎn)量的減少比例約為1∶0.75進(jìn)行計算[17],則2014年、2015年試驗中散射輻射所占比例增加分別獲得了5.06%、5.63%的產(chǎn)量補償效應(yīng)。
本研究遮膜模擬了晴天有霾的太陽輻射條件下,水稻產(chǎn)量、結(jié)實率、千粒重、有效穗數(shù)、地上部干物質(zhì)重等有所下降,植株高度和增長速率均呈現(xiàn)增加的狀態(tài),葉片厚度變薄,變化趨勢與遮陽網(wǎng)遮陰試驗、日照時數(shù)減少的研究結(jié)果是相似的[22,36-40]。而任萬軍等[41]利用遮陽網(wǎng)研究遮陰對地上部分干物質(zhì)分配的影響時,認(rèn)為莖分配系數(shù)增加,穗分配系數(shù)降低。本研究中PE膜遮陰處理試驗結(jié)果表明,莖分配系數(shù)減少,而穗分配系數(shù)基本維持不變,說明晴天霾天氣下與遮陽網(wǎng)覆蓋的影響有所不同,霾天氣下植株干物質(zhì)在分配上維持了穗分配系數(shù)。Shao等[25-26]的 PE膜遮陰試驗研究表明,散射輻射增加的“增肥”效應(yīng)造成植株葉面積指數(shù)增加,但無法完全補償產(chǎn)量損失,與本試驗研究結(jié)果一致。同時,本研究進(jìn)一步揭示出,霾天氣造成的產(chǎn)量損失在光照條件好的年份明顯高于光照差的年份的損失,對葉片面積的增加主要發(fā)生在上層葉片,下層葉片面積差異相比較小,且光照條件好的年份上層葉片面積的增幅更大,相關(guān)結(jié)論可為水稻霾天氣影響的預(yù)警、監(jiān)測、評估提供重要技術(shù)支撐。
本研究試驗使用3層PE塑料膜覆蓋,使得遮膜樣地T的晴天太陽總輻射量比CK減少了30.7%,散射輻射比例增加了20.4%,遮膜試驗期間內(nèi)太陽總輻射平均減少了18.3%,散射輻射所占比例平均增加了23.4%,較好地模擬了霾天氣情況下的太陽輻射條件[10-11]。此外,IPCC第五次報告表明,綜合霾對于太陽輻射和云層的影響效應(yīng),霾對氣溫的影響整體是降溫效應(yīng)[42]。本試驗遮膜后,水稻冠層平均溫度較CK的變化范圍為-0.9~0.2 ℃,平均降低0.2 ℃,與IPCC報告結(jié)果一致。說明本試驗可為模擬霾條件下太陽輻射變化試驗裝置提供技術(shù)參考。另一方面,本研究僅模擬研究了霾天氣條件下太陽輻射變化的影響,尚未涉及霾天氣重金屬顆粒物含量增加[43]造成的影響。有關(guān)霾天氣下重金屬粒子增加對水稻光合作用、植株生長、產(chǎn)量形成等造成的影響、作用機(jī)制及其與太陽輻射改變造成的綜合影響,尚需進(jìn)一步試驗研究。