稻田小氣候特征及其對水稻產量和品質的影響

周立宏++李秀芬++王伯倫

摘要：為了研究不同水稻品種群體中的小氣候狀況及其對產量和品質的影響，以遼優20、遼粳294等8個品種為供試品種，觀測群體中的溫度、濕度和光照，收獲后測定產量和品質，分析各氣象因子在群體中的分布和變化情況及與產量和品質的關系。結果表明，不同品種群體中溫度、濕度生長后期差異較大，其中濕度差異大于溫度差異。水稻群體中溫濕度的日變化規律與大氣溫濕度一致，中午群體中的溫度在灌漿期高于大氣，成熟期低于大氣。群體中光照度從上至下逐漸減弱。太陽高度角較低時，群體上部光強減弱得快，下部減弱較慢；太陽高度角較高時，上部和下部減弱的差異不大。群體中平均透光率與產量成拋物線關系。品質與10：00—14：00時透光率的關系較為明顯，直鏈淀粉含量與10：00的透光率顯著負相關。

關鍵詞：水稻；小氣候特征；溫度；濕度；光照；產量；品質

中圖分類號： S162.5+.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0081-04

影響水稻產量和品質的因素主要是遺傳和環境兩大方面，同一品種在不同地點和不同栽培方式下的產量和品質表現并不一致，存在顯著的基因型×環境互作效應。彭俊華認為，產量總變異中環境效應最大，基因型×環境互作效應次之，基因型效應居第三[1]。現代株型育種通過群體結構和受光態勢的綜合改良來改善群體小氣候環境，從而提高群體的光合作用效率和物質生產能力，陳溫福等認為，直立穗型群體的光照、溫度、濕度、氣體擴散等生態條件優越，因此生物產量明顯高于半直立和彎曲穗型，但直立穗型品種品質不如彎曲穗型[2-3]。王伯倫等也認為，適口性特好的品種基本為彎曲穗型，半矮稈、半直立穗型品種產量較高，品質較好[4]。但大量研究表明，穗型和品質之間并無直接關系，產量和品質的關系也不密切，栽培技術卻與品質有密切關系，這可能是產量高的品種通常品質差的原因之一[2]。因此，對不同穗型水稻群體中的小氣候狀況還需進行深入研究，也可以為株型育種提供理論依據。

目前對影響水稻產量和品質的氣象因素的研究，主要集中在大范圍的氣候環境層面，而且具有地域性，但溫度普遍被認為是影響水稻產量與品質的最顯著因子，尤其是日均溫度[5-10]，其次是光照。李秀芬等認為，遼寧省沈陽地區8月中旬至9月中旬是影響稻米品質的氣候關鍵期，這一階段的溫度是影響品質的最主要因子，其次為日照總時數，降水的影響最小[11]。

小氣候觀測易受人為影響，尤其是溫度和濕度的測定準確性較差，研究難度較大，因此這方面的研究較少。本試驗研究不同穗型品種水稻群體中的光照、溫度和濕度分布及差異狀況，并初步探討小氣候條件與水稻產量和品質的關系。

1材料與方法

試驗于2012年在沈陽農業大學農學院教學科研基地試驗田進行。

選擇的品種有遼優20、遼粳294、奧羽316、遼粳326、遼粳9號、沈稻9號、沈稻8號、沈農8718共8個品種。其中，遼優20是遼寧省稻作研究所育成的彎穗雜交稻，沈農8718是彎穗常規品種，奧羽316是日本彎穗超高產品種，遼粳326是直立穗，其余是半直立穗品種。試驗采用隨機區組設計，3次重復；小區長5 m，寬1.8 m，小區面積9 m2；每小區6行，行、株距為30 cm×13.3 cm，單株插秧，施氮量180 kg/hm2，施磷量 20 kg/hm2，井水灌溉，本田管理參照水稻模式化栽培[12]。

測定選擇晴朗無風的天氣，于8月17日08：00、10：00、12：00、14：00、16：00時用GI-1型棍式照度計測定在植株 1/3、2/3、3/3高度的光照度。并于7月末、8月中旬和9月中旬水稻生長的不同時期，用HOBO（HO8-007-02）溫濕度采集器，每隔10 min采集1次數據，測得植株2/3高度的溫度和濕度。高士杰等研究發現，夜間不同水稻群體中溫濕度相差不大[3]，所以本試驗僅觀測白天的溫濕度。

收獲后自然風干，脫粒測定小區產量。儲藏3個月后測定米質的各項指標，包括糙米率、精米率、整精米率、堊白率、食味值、蛋白和直鏈淀粉含量等，測定標準采用農業部NY147—1988《米質測定方法》。

2結果與分析

2.1不同品種群體內溫濕度變化特征

2.1.1不同品種群體內溫度的變化遼寧沈陽地區7月下旬至8月上旬為雨季，以多云天氣為主，晴天較少，8月中旬以后晴天多，陰天少。本試驗于7月23日上午、7月28日、8月17日、8月18日和9月17日分別觀測不同品種群體內 2/3 高度處的溫度和濕度。

7月23日和7月28日是多云天氣，各群體內氣溫非常相近。不同品種間的溫度差異很小，溫差基本不超過0.8 ℃，方差分析結果表明，各群體內的溫度差異不顯著。

8月17日、8月18日和9月17日為晴天，白天不同品種群體內氣溫的變化趨勢相同，各品種間的氣溫差異明顯大于7月下旬陰天的2 d。圖1是8月18日和9月17日遼粳294的溫度變化曲線及回歸曲線，回歸方程中的x為時間比率，將1 d 24 h設為1，00：00—12：00為0.5。從圖1可見，群體中溫度變化呈明顯的單峰曲線，中午溫度高，早晚溫度較低，與大氣溫度日變化一致，并且9月17日溫度變化大于8月17、18日，這是因為8月晝長大于9月，空氣濕度又大，大氣晝夜溫差小于9月，加之9月水稻生長后期，田間基本無水，水分對群體中溫度的調節作用減小，使群體內氣溫變化幅度增大。群體中最高溫度出現時間要早于大氣，大氣最高溫度出現在14：00左右，群體中最高溫度則出現在 12：30—13：00。8月17、18日，群體中溫度在中午時高于大氣溫度，早晚則低于大氣溫度；9月17日白天群體中溫度都低于大氣溫度。

2.1.2不同品種群體內濕度的變化8月17日、18日不同品種群體內相對濕度的變化相似。圖2是8月18日和9月17日遼粳294相對濕度的變化曲線和回歸曲線，x是時間比率，與溫度回歸方程中的相同。7月28日陰天的相對濕度變化明顯小于8月17日、18日和9月17日，無論是不同群體中的總變化范圍還是單個群體中的變化量，均是7月28日最小，9月17日最大。這主要是受空氣濕度的影響，沈陽地區7月下旬至8月上旬為雨季，空氣濕度大，日變化比較小，8月中旬以后空氣濕度逐漸減小，相對濕度的日變化增大。

相對濕度不僅與水汽含量有關，還與溫度有關，9月17日群體中的露點溫度整體低于8月中旬，說明水汽含量少于8月中旬，但因溫度低，尤其是早晚的時候，所以相對濕度比8月18日還要高。

各群體間濕度的差異也比溫度大，方差分析結果表明，除7月23日相對濕度和露點溫度差異不顯著外，其余幾日均為差異極顯著。表2是這幾日相對濕度變化的統計數據，可以看出，9月17日群體間相對濕度的差異大于8月17日、18日。總體來說，沈稻9號群體內的相對濕度最高，遼粳326相對濕度較低，遼粳294、遼粳9號最接近。

2.2不同品種群體內光照的分布特征

2.2.1光照度的日變化各品種群體中的光照度日變化趨勢基本一致。圖3是遼粳294在1 d中不同時刻光照度的變化，冠層頂的光照度日變化即是到達地面的太陽輻射日變化，

群體中光照度的變化總體趨勢與冠層頂相同，早晚低，隨太陽高度角的增大而增大，中午光照度達最大，上下午基本是對稱的。但群體內光照度的增加沒有冠層頂快，維持高光照度的時間也短于冠層頂，尤其是1/3高度，光照度在10：00之前和14：00變化比較緩慢。2/3高度光照度的日變化介于冠層頂和1/3高度之間。圖3中3個高度的光照度日變化回歸方程見表3，x為北京時間。

2.2.2群體內不同層次的光照度各群體內光照度從冠層頂向下減弱，1 d中不同時刻群體內光照度隨高度減弱的快慢而不同。圖4分別是08：00和12：00測得的4個品種群體內不同層次的太陽光照度，其余品種光照度略小于遼粳294，高于奧羽316和遼優20。由此可以看出，08：00從冠層到2/3高度光照強度減弱較快，2/3高度到1/3高度光照強度減小得較慢；在12：00各群體內從上到下光照度的變化接近一條直線，上部與下部光照度的減弱速度差別不大；10：00群體中的光照度變化介于08：00和12：00之間；14：00和10：00近似；16：00和08：00近似。說明在早晚太陽高度角較小時，冠層截獲光能的比率較大，下層得到光能的比率較小，隨著太陽高度角的增大，透過冠層到達下層的光照比率增大。直立穗和半直立穗品種群體中的光照度高于彎穗品種。

2.2.3不同品種群體內的透光率根據測得的光照度計算出不同品種水稻群體中的透光率，圖5是8個品種2個高度的透光率。從圖5可以看出，2/3高度和1/3高度的透光率均為中午最大，早晚較小。無論是1/3高度還是2/3高度，彎穗沈農8718、遼優20和奧羽316的透光率小于其他直立和半直立穗品種，2個雜交稻品種最接近，透光率最小，5個直立、半直立穗品種相差不太大。

2.3光照與產量和品質的關系

2.3.1光照與水稻產量的關系相關分析結果（表4）表明，產量與透光率之間有顯著的相關性。平均產量與不同高度和不同時間的透光率之間均為負相關，說明群體中透光率大不利于產量的提高。平均產量與2/3高度透光率的關系大于1/3高度，并且與12：00的透光率相關性最顯著。2/3高度在10：00、12：00的透光率和平均透光率與產量的相關都達到顯著水平，08：00、14：00、16：00的相關雖未達到顯著水平，但相關系數也是比較大的。1/3高度的相關系數只有12：00達到顯著水平，16：00的相關系數也較大。

通過回歸分析可知，平均產量（y）與08：00時1/3高度透光率（L8）和12：00時1/3高度透光率L12呈線性關系：

y=847.181-11.035L12+10.078L8 ，R2=0.961。

中午時下層的透光率高，使產量降低；而早晨下層透光率高，則產量增加。

取2個高度平均透光率的平均值為群體總平均透光率。平均產量與群體中2個高度的平均透光率和總平均透光率的關系非常相近，均為二次曲線，圖6為平均產量和群體總平均透光率的回歸曲線，由此可以看到，透光率過高或過低對產量均不利，透光率在一定范圍內，可維持較高的產量。

2.3.2光照與水稻品質的關系稻米品質與透光率的相關性見表5（表中未列出的時段透光率與品質各指標相關均不顯著）。整精米率與10：00時2/3高度的透光率顯著負相關，堊白率與10：00時1/3高度的透光率、糙米率與12：00時2/3高度的透光率顯著正相關；食味值、蛋白含量與08：00時1/3高度的透光率顯著相關，其中食味值與透光率是負相關，蛋白含量與透光率則為正相關。直鏈淀粉含量與10：00的透光率相關最大，在2個高度上都為極顯著負相關，說明透光率高則直鏈淀粉含量減少。

總體來說，10：00的透光率與品質的關系最大，08：00的1/3高度的透光率與營養品質的關系比外觀品質更明顯。14：00的2/3高度的透光率與各品種指標的相關性雖均未達到顯著水平，但除精米率和堊白率外，與其他幾個指標的相關系數都是比較大的。糙米率、堊白率和蛋白含量與透光率之間基本是正相關，整精米率、食味值和直鏈淀粉含量與透光率基本為負相關。

3結論與討論

張文香等認為，寒冷地區灌漿期到成熟期溫度高有利于提高產量和品質[13]；矯江等認為，東北地區水稻堊白率的發生與當地的活動積溫呈顯著負相關[14]；秦陽等認為，灌漿結實期溫度日較差對品質性狀的影響較大，且為正效應[15]。在本試驗中，根據溫濕度與產量和品質的相關分析，雖然多數未達到顯著水平，但總的來說，溫度與產量和品質的關系比濕度更大一些，并且8月的影響大于9月，8月中旬的溫度對品質指標中的食味值、蛋白含量、糙米率、精米率的影響較為明顯。

本試驗測得8月中旬和9月中旬灌漿期、成熟期水稻群體內中午的溫度高于大氣溫度，這與以前的研究結果[3]不相符，但在東北地區，溫度高無疑對產量和品質是有利的。本試驗中各彎穗和半直立穗品種的溫濕度表現不太一致，彎穗沈農8718的溫度較低，但雜交稻的溫濕度表現較為復雜，因此單考慮穗型對溫濕度的影響可能具有片面性，還應該有品種本身的影響。本試驗并未發現彎穗群體中相對濕度明顯大于直立穗群體的現象。根據現有觀測數據，溫度、濕度與產量和品質的具體關系尚無法確定。因群體中的溫濕度變化較為復雜，須要長期連續觀測，困難較大，還須做進一步的研究工作。

有研究認為，直立穗群體中透光率高于彎穗群體[3]。在本試驗的8個品種中，彎穗的遼優20、奧羽316、沈農8718透光率較低，其余直立、半直立、彎穗品種并無明顯差異。透光率最低的遼優20反而產量較高，表明產量與透光率并不是簡單的線性關系，而是呈拋物線，透光率在適當范圍內才能取得較高的產量。

從本試驗產量和08：00、12：00 1/3高度透光率的線性關系來看，早晚太陽輻射較弱時，群體下層的透光率高，有利于提高產量；而中午太陽輻射強，下層透光率高反而會使產量下降。

關于光照與品質的關系，總體來說，10：00—14：00光照對品質的影響較為明顯。蛋白含量、堊白率與透光率呈正相關，與前人的研究結果[16-17]一致。

水稻群體中溫濕度的日變化規律與大氣溫濕度一致。不同品種水稻群體中溫度差異在8月中旬小于9月中旬；中午群體內的最高溫度高于大氣溫度；直立穗群體中的溫度較高。群體中相對濕度的差異大于溫度，8月中旬至9月中旬差異均極顯著，且9月差異大于8月。

群體中光照度從上至下逐漸減弱。太陽高度角較低時，群體上部光強減弱得快，下部減弱較慢；太陽高度角較高時上下減弱的速度差異不大。群體中平均透光率與產量成拋物線關系。品質與10：00—14：00透光率的關系較為明顯，直鏈淀粉含量與10：00的透光率呈極顯著負相關，糙米率、堊白率、蛋白含量與透光率之間基本是正相關，整精米率、食味值和直鏈淀粉含量與透光率基本為負相關。

參考文獻：

[1]彭俊華. 水稻產量的基因型×環境互作分析及生態類型區的劃分[J]. 四川農業大學學報，1991，9（3）：327-333.

[2]陳溫福，徐正進. 水稻超高產育種理論與方法[M]. 北京：科學出版社，2007：211-227.

[3]高士杰，張龍步，陳溫福. 直立穗型水稻群體小氣候環境研究[J]. 中國農業氣象，2000，21（3）：23-26.

[4]王伯倫，王術，黃元財，等. 水稻優化育種方法的研究[J]. 沈陽農業大學學報，2004，35（4）：298-303.

[5]季彪俊. 影響水稻產量因子的研究[J]. 西南農業大學學報：自然科學版，2005，27（5）：579-583.

[6]劉建. 環境因子對稻米品質影響研究進展[J]. 湖北農學院學報，2002，22（6）：550-554.

[7]孟亞利，高如嵩，張嵩午. 影響稻米品質的主要氣候生態因子研究[J]. 西北農業大學學報，1994，22（1）：40-43.

[8]楊化龍，楊澤敏，盧碧林. 生態環境對稻米品質的影響[J]. 湖北農業科學，2001（6）：14-16.

[9]楊聯松，白一松，李少恒，等. 氣候條件對稻米品質性狀的影響[J]. 安徽農業科學，2003，31（3）：341-342， 344.

[10]呂文彥，邵國軍，曹萍，等. 灌漿結實期日均溫度對稻米品質之影響[J]. 遼寧農業科學，1998（4）：3， 5， 4， 7-8.

[11]李秀芬，賈燕，黃元財. 沈陽地區氣候因子對稻米品質的影響[J]. 沈陽農業大學學報，2005，36（5）：523-527.

[12]王伯倫. 水稻優化栽培[M]. 北京：農業出版社，1993：99-124.

[13]張文香，王成璦，王伯倫，等. 寒冷地區溫度、光照對水稻產量及品質的影響[J]. 吉林農業科學，2006，31（1）：16-20.

[14]矯江，王伯倫. 我國東北地區稻米堊白發生規律研究[J]. 作物學報，2003，29（2）：311-314.

[15]秦陽，蔣文春，張城，等. 不同水稻品種播期與品質的關系[J]. 沈陽農業大學學報，2004，35（4）：328-331.

[16]李林，沙國棟，陸準淮. 灌漿結實期溫光因子對稻米品質的影響[J]. 中國農業氣象，1996，5（2）：33-38.

[17]Kato T. Effect of the shading and rachis branch clipping on the grain filling process of rice cultivars differing in the grain[J]. Japan J Crop Sci， 1986， 55（2）：252-260.王小虎，方云霞，張棟，等. 水稻根基粗適宜取樣量及其與抗倒伏性狀的相關分析[J]. 江蘇農業科學，2016，44（5）：85-89.