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基于ORYZA 2000模型评估双季早稻灌浆期低温阴雨影响

范文

姚俊萌蔡哲舒婷郭瑞鸽杨爱萍曾凯黄伟

摘要：6月中旬至7月中旬是江西省双季早稻经历抽穗—灌浆的生育历程，是产量形成的关键时期和容易受灾的敏感时期。针对2017年江西罕见持续阴雨寡照天气对双季早稻抽穗灌浆和产量形成造成的严重影响，基于ORYZA 2000模型定量评估灾害影响和损失。结果表明，本地化的ORYZA 2000模型对江西双季早稻的生育进程以及生长量变化具有良好的模拟效果;模型结果表明，持续低温阴雨寡照导致灌浆期热量和光照不足，造成各站点早稻成熟期普遍偏晚1～3 d;早稻穗干质量和地上部干质量增长趋势显著变慢，且与基准气候环境的差值随时间持续而扩大，总体来看，对茎叶干质量的影响较小，平均损失率为2.8%;但对穗质量和产量影响较大，地上部干质量、穗干质量和產量平均损失率分别为4.7%、6.8%、8.1%。

关键词：ORYZA2000模型;早稻;低温阴雨;灾害评估

中图分类号： S162.5+3? 文献标志码： A? 文章编号：1002-1302（2019）05-0059-05

收稿日期：2018-11-15

基金项目：中国气象局气候变化专项（编号：CCSF201840）;江西省气象局2014年重点科研项目。

作者简介：姚俊萌（1981—），男，江西九江人，硕士，工程师，主要从事作物模型及农业气候资源利用相关研究。E-mail：meng_jackyyao@sina.com。

通信作者：蔡哲，硕士，高级工程师，主要从事农业气象相关研究。E-mail：caizheread@163.com。

江西是研究长江中下游区双季稻的典型区域，6月中旬至7月中旬是江西省双季早稻抽穗—灌浆期，是产量形成的关键时期和容易受灾的敏感时期，也是降雨多发期，每年6月降雨量约占早稻生长季总雨量的30%，降雨集中造成的洪涝和持续低温阴雨灾害，一方面对水稻有洗花影响，导致空秕粒增多[1]，另一方面严重阻碍水稻的光合及呼吸等生理活动，使其结实率下降、千粒质量减少[2]，最终造成早稻减产。有关水稻灌浆期的灾害影响研究较多，殷剑敏等分别从洪涝灾害指标、洪涝对产量影响、不同温度下受淹减产规律等方面对涝灾开展了研究[3-7];章起明等通过试验研究了阴雨天气对水稻产量、生育期的影响[8-11];刘博等分别研究了弱光条件对水稻生理和品质的影响[11-12]。但以上研究多以调查统计和生理试验方法为主，前者不能较好地揭示农业过程的内在动态数量关系，后者具有很强的机理性，但试验结果在气候差异大的地区适用性没有把握。而作物生长模型由于其机理性强、可动态模拟作物生长过程等优势[13]，已广泛应用于灾害影响评估和决策管理。因此，本研究旨在通过ORYZA 2000模型在江西双季稻区的本地化，进一步探讨和研究灌浆期低温连阴雨灾害对江西早稻影响的定量评估。

1 材料与方法

1.1 资料及其来源

1.1.1 气象资料 2011—2017年江西省农田生态气象观测站（南昌县、广丰区、南康区）逐日气象资料（包括最低气温、最高气温、降水量、相对湿度、风速、日照时数）。

1.1.2 农业气象观测资料 2011—2015年江西省农田生态气象观测站（南昌县、广丰区、南康区）双季早稻农业气象观测资料，包括生育期、叶干质量、茎干质量、穗干质量、地上部干质量、叶面积指数、田间密度等观测资料以及管理措施、灌溉水平等田间管理资料。

1.2 工具和方法

ORYZA 2000是荷兰瓦赫宁根大学和国际水稻研究所联合研制的水稻模型，是在ORYZA系列模式ORYZA 1（潜在生产水平）、ORYZA-W（水分胁迫生产水平）和ORYZA-N（氮素胁迫生产水平）的基础上进一步完善、更新和集成而来的。该模型对水稻生长各过程特别是高温、水分胁迫等有更深入的定量描述，已经在一些地区进行了检验和应用。ORYZA 2000主要描述潜在、水分胁迫和氮素胁迫等3种生产水平上水稻的生长、发育及产量形成过程。准确定量的物候发育在植物生长模拟中非常重要。ORYZA 2000模型用发育阶段（development stage，简称DVS）定量描述生理年龄、温度、昼长为影响水稻物候发育的因子。模型考虑了水稻移栽对发育进程的影响，秧苗秧龄越长，对物候延迟的影响越大。ORYZA 2000模型的主要生长参数包括比叶面积、同化物分配系数、叶片相对生长速率、叶片死亡速率、茎同化物向穗转移系数、最大粒质量等。

ORYZA 2000模型表征品种间差异的作物参数大部分是根据大量试验结果分析得出，具有普适性，但有10%左右的作物参数表示当地品种习性，须通过田间试验进行确定，这些参数包括发育速率、干物质分配系数、比叶面积、叶片相对生长速率、叶片死亡速率、茎同化物转移系数以及最大粒质量等。

利用独立的一套数据验证模型，分别验证早稻发育期、叶面积系数、各器官生物量及产量的模拟性能，检验评价模型的有效性与适应性。

2 结果与分析

2.1 ORYZA 2000模型参数校准及检验

利用南昌县、广丰区、南康区等3个农业气象观测站2012年和2015年气象资料以及双季早稻生育期、生物量（叶面积指数、水稻分器官干物质）等田间观测资料，对模型参数进行本地化参数校准，获得不同品种各发育阶段的发育速率、干物质分配系数、比叶面积及叶片相对生长速率等参数。由于所选站点观测田块水分保证率均达到99%以上，肥料供应充足，因此，在模型本地化调试时选择气候生产潜力模式，即不存在水分胁迫和养分胁迫，仅受气象条件限制。

2.1.1 发育参数校正与检验 ORYZA 2000模型中发育速率参数是完成某一发育阶段（如从开花到成熟）所需要的时间倒数，反映的是该品种在某一个生育阶段对热量条件的需求。模型将水稻生命期分为基本营养生长阶段（basic vegetative growth period，简称BVP，从出苗到光周期敏感开始）、光周期敏感阶段（photopefiod sensitivephase，简称PSP，从基本营养生长阶段结束到孕穗）、穗形成阶段（panicleformationphase，简称PFP，从孕穗到开花）和灌浆阶段（GFP，从开花到生理成熟）等4个发育阶段，根据不同发育阶段的发育速率常数、热量单位日增量和光周期来计算发育速率，用DVS=0、0.65、1.0、2.0分别表示作物出苗、孕穗、开花和生理成熟。

发育参数校正：利用2012、2015年南昌县、广丰区、南康区观测站双季早稻生育期观测资料，分别调试校正嘉早312、73-07和佳优615等3个品种的发育期参数。表1为调试校正后双季早稻各品种不同发育期参数，可见不同品种间营养生长期参数和生殖生长期参数变化较大，与模型中默认品种IR72的参数值相比也变化较大。其中，营养生长阶段73-07对热量的需求最大，佳优615其次;在穗分化期，嘉早312对热量的需求最大，73-07最低;而在生殖生长期，对热量需求最大的则是佳优615，其次是嘉早312。

发育参数回代检验：表2为将调试校正后的双季早稻品种发育参数回代到2012年和2015年后的检验结果。在开花期和成熟期2个关键生育期，双季早稻66.7%的生育期模拟误差在±1 d以内，93.3%的模拟误差在±4 d以内。

发育参数外推检验：利用2011、2013、2014年的独立数据，对校正后的ORYZA 2000模型在进行外推检验。在开花期和成熟期2个关键生育期，双季早稻平均误差为1.5 d，其中，88.9%模拟误差在±4 d内（表3）。综合回代和外推检验结果可以看出，校正后的本地化ORYZA 2000模型能够较好地模拟江西省双季早稻生育进程。

2.1.2 生长量调试与检验比叶面积（specific leaf area，简称SLA）是指叶的单面面积与其干质量之比。ORYZA 2000模型中，在指数阶段之后[当叶面积指数（leaf area index，简称LAI）大于1时]，叶面积增长取决于用于叶片生长的碳水化合物的多少，在这个线性生长阶段，叶面积增加等于叶质量增加乘以1个作为发育期函数的比叶面积。由表4可看出，在双季早稻3个品种中，73-07的比叶面积在不同阶段基本上是最小的，嘉早312与佳优615的比叶面积基本一致，而3个品种均与模型初始值变化均较大。

OYRZA 2000模型遵循逐日计算植株器官干物质生产速率和物候发育速率的方案，可在整个生长季进行干物质生产和发育阶段的模拟。每天的净生长量按照分配系数（该分配系数是发育进程的函数），生产的碳水化合物分配到根、叶片、茎和穂部器官。其中，绿叶分配系数（FLVTB）表示不同阶段分配到绿叶的净生长量比率;茎分配系数（FSTTB）表示不同阶段分配到茎秆中的净生长量比率;穗分配系数（FSOTB）表示不同阶段分配到生殖器官的净生长量比率，三者加起来须等于1。

生长量参数回代检验：图1、图2、图3分别为校正后的ORYZA 2000模型对2012、2015年南昌县、广丰区、南康区双季早稻的回代模拟检验结果。校正后的ORYZA 2000模型可以较好地模拟出双季早稻叶干质量、茎干质量、穗干质量和地上部干质量的变化趋势，与实测值保持一致。

由表5、表6、表7的回代模拟结果与实测值的比较可以看出，在乳熟期和成熟期等产量形成关键时期，2年3个站点的茎叶干质量平均相对误差为12.1%，穗干质量平均相对误差为-7.7%，地上部总干质量平均相对误差为3.0%，说明模型对早稻各器官生长量的总体模拟结果较好，可以认为通过回代检验。

生长量参数外推检验：图4为调试校正后的ORYZA 2000模型在2011、2013、2014年的独立数据中进行外推检验的双季早稻各器官生物量模拟值与实测值综合对比分析结果。可以看出，模型对早稻茎叶干质量、穗干质量和地上部干质量的模拟值与实测值呈良好的一致性，回归系数α分别为 0.959 0、0.818 5、0.927 3，均接近于1，决定系数r2分别为 0.889 6、0.929 2、0.963 4，说明各器官生长量的模拟性能良好，模拟值与实测值总体相关性较好，可以用于江西双季早稻生长量模拟。

2.2 基于ORYZA 2000模型评估早稻灌浆期低温连阴雨灾害影响

2017年6月11日至7月20日江西出现罕见持续阴雨寡照天气（表8），平均气温较近30年（1981—2010年）同期偏低1.2 ℃，日照时数偏少76.0 h（为1961年以来第3低值年），全省均降雨日数达到24.2 d，低温寡照天气对江西双季早稻灌浆和产量形成造成了严重的影响。

为评估此次低温阴雨灾害对早稻生长和产量的损失，基于本地化的ORYZA 2000模型，以近30年（1981—2010年）各气象要素平均值为基准气候环境，与2017年持续阴雨寡照气候情景下的模拟结果进行对比分析，定量评估此次灾害对早稻产量的损失。

受持续低温阴雨影响，从6月11日起，南昌县早稻的穗干质量和地上部干质量增长趋势显著慢于常规气候情景，且随着时间持续，差距不断扩大，而在抽穗期以后，茎叶干质量的下降趋势则显著快于常规气候情景，绿叶衰亡加快（图5）。说明持续低温阴雨对早稻的光合作用能力有明显抑制作用，造成每日植株的净光合产量降低，最终对产量造成直接影响。

结果表明，持续低温阴雨寡照导致灌浆期热量和光照不足，造成早稻生育期推迟，各站点成熟期普遍偏晚1～3 d;早稻穗干质量和地上部干质量增长趋势显著变慢，且与基准气候环境的差值随时间持续而扩大，定量评估来看，将2种气候情景的模拟数据进行定量化对比，可以看出，光温缺乏严重影响作物光合作用，抑制各器官生物量增长。定量评估结果（表 9）来看，对茎叶干质量的影响较小，平均损失率为

2.8%，在生殖生长期，净光合产物基本全部分配给生殖器官，因而对穗质量和产量影响较大，地上部干质量、穗干质量和产量平均损失率分别为4.7%、6.8%、8.1%。

3 结论与讨论

利用江西省双季早稻区3个代表农业气象观测站2年的观测资料、气象数据和土壤资料，对水稻生长模拟模型ORYZA 2000进行本地化校正，并利用3年的独立观测资料进行检验，结果表明，不同品种间发育期参数、干物质分配系數以及比叶面积在不同时期有不同的表现，反映了品种的独特性质。从检验结果看出，参数校正后的ORYZA 2000模型能够较好地模拟江西省早稻生育期进程和生物量变化趋势，对不同品种在不同气象条件下影响有较好的模拟性能，在江西双季稻区具有广泛的适用性。

基于校正后的ORYZA 2000模型，定量分析了低温连阴雨灾害对江西省早稻生长发育和产量形成的影响，结果表明，早稻灌浆期低温连阴雨灾害延迟了早稻生长发育进程，对茎叶干质量影响较小，但对穗质量和产量影响较大。

本研究只针对江西3个代表点进行影响评估，没有展开区域性评价，还有待进一步研究模型区域化应用，从而在大尺度上进行灾害影响评估。同时，模型中没有考虑暴雨造成的水稻结实率下降影响，研究结果有一定局限性。

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