陳燕麗　馮利平　丁美花　莫偉華　匡昭敏

1中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100193;2廣西氣象減災研究所/國家衛(wèi)星氣象中心遙感應用試驗基地,廣西南寧 530022;3氣象GIS應用聯(lián)合實驗室,廣西南寧 530022

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氣象因子對廣西新植蔗和宿根蔗莖伸長的影響

陳燕麗1,2,3馮利平1,*丁美花2,3,*莫偉華2,3匡昭敏2,3

1中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100193;2廣西氣象減災研究所/國家衛(wèi)星氣象中心遙感應用試驗基地,廣西南寧 530022;3氣象GIS應用聯(lián)合實驗室,廣西南寧 530022

摘要:利用2000-2011年廣西4個農(nóng)業(yè)氣象試驗站的甘蔗旬莖伸長量和氣象資料,分析宿根蔗和新植蔗在氣象因子影響下莖伸長的差異。結(jié)果表明,新植蔗和宿根蔗莖生長具有明顯差異,新植蔗莖伸長期莖高明顯大于宿根蔗,進入莖生長期時的莖高本底值較小,莖總伸長量較大但其伸長期較短。多數(shù)氣象因子與新植蔗、宿根蔗旬莖伸長量極顯著相關(guān)(P<0.05),且對新植蔗的影響大于宿根蔗。對新植蔗、宿根蔗莖伸長起直接正作用的主要因子均為最低氣溫、相對濕度、最高氣溫,起直接負作用的主要因子為平均氣溫、氣壓,積溫、降雨量則通過其他氣象因子起明顯的間接作用。旬莖伸長量對降雨量存在較明顯的滯后性,新植蔗滯后期多為2旬,宿根蔗多為1旬,新植蔗對日照時數(shù)的響應也存在滯后現(xiàn)象,兩者對溫度類氣象因子及相對濕度均無滯后。

關(guān)鍵詞:甘蔗;莖伸長量;氣象因子;新植蔗;宿根蔗

本研究由國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB430200),國家公益性行業(yè)(氣象)專項重點項目(GYHY201406030)和廣西自然科學基金項目(2013GXNSFAA019282)資助。

This study was supported by the National Key Basic Research Program of China (2013CB430200),the Special Fund for Meteorological Research for Public Interest (GYHY201406030) and the National Natural Science Foundation of Guangxi (2013GXNSFAA019282).

第一作者聯(lián)系方式:E-mail:cyl0505@sina.com

廣西壯族自治區(qū)地處中國華南沿海,位于東經(jīng)104°26'～112°04'和北緯20°54'～26°24'之間,屬中亞熱帶季風氣候區(qū),南部偏向熱帶季風氣候。年平均氣溫在16.5～23.1℃之間,各地年降雨量均在1070 mm以上,大部分地區(qū)為1500～2000 mm。區(qū)內(nèi)雨熱資源豐富,利于發(fā)展熱帶和亞熱帶農(nóng)業(yè),是國內(nèi)最重要的甘蔗主產(chǎn)區(qū)和最大的蔗糖生產(chǎn)基地,2013年廣西甘蔗產(chǎn)量占全國66％,位居全國第一。

甘蔗是生物量最高的大田作物,光合能力強,生長迅速,其生長發(fā)育[1-5]及產(chǎn)量[6-10]與氣象條件密切相關(guān)。蔗莖長度是評價甘蔗生長優(yōu)劣及估測產(chǎn)量的最重要因素,而莖伸長與氣象條件密切相關(guān)。針對這一問題,已有學者在我國廣西、海南及云南等甘蔗主要種植省份開展相關(guān)研究。吳炫柯等利用相關(guān)分析[11]和通徑分析[12]研究廣西柳州甘蔗莖旬伸長量和氣象因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn),濕度是影響甘蔗莖伸長最重要的因子,其次是日照時數(shù)、降雨量和氣溫,空氣濕度的直接效應及其通過溫度和日照時數(shù)產(chǎn)生的間接正效應提高了莖的生長。此外,多個氣象水分參數(shù)對甘蔗莖伸長量影響顯著,其中水分吸入量是影響甘蔗莖伸長最重要的因子,對甘蔗莖伸長的影響具有滯后性和累積性[13]。蔣菊生等[14]研究發(fā)現(xiàn)海南新植蔗品種新臺糖1號生長發(fā)育期內(nèi)降雨、積溫、日照時數(shù)對株高影響顯著,并以Richards方程作為基本模型,通過Marquard迭代法建立了株高綜合預測模型。謝貴水等[15]利用通徑分析方法分析氣象因子對海南甘蔗株高的影響,認為平均氣溫是主要影響因子,其他氣象因子大多通過平均氣溫而起作用。鐘楚等[16]分析了云南耿馬縣2007—2010年新植蔗品種粵8388莖伸長量和同期多個氣象因子的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)積溫、平均氣溫、降雨量和日照時數(shù)與甘蔗莖伸長顯著正相關(guān),較好的雨熱光照條件可以促進莖生長發(fā)育。

一般來說,宿根蔗生育期約滯后于新植蔗15～20 d,兩者可利用的氣候資源存在差異,吳炫柯等[11]研究廣西柳州甘蔗品種新臺糖22發(fā)現(xiàn),2005年新植蔗旬莖伸長量與大氣濕度極顯著正相關(guān),與降雨量、溫度顯著正相關(guān);2006年宿根蔗莖旬伸長量與濕度、溫度極顯著正相關(guān),與降雨量顯著正相關(guān)。由于研究中只用到了單年、單個站點的試驗數(shù)據(jù),所得結(jié)論的普適性有待進一步研究。本文利用2000 —2011年廣西甘蔗主產(chǎn)區(qū)4個農(nóng)業(yè)氣象試驗站的甘蔗主栽品種莖伸長觀測資料和氣象數(shù)據(jù),分析多個氣象因子對新植蔗和宿根蔗莖伸長影響的差異,旨在為甘蔗生產(chǎn)的更科學合理管理及提高農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平提供參考。

1　材料與方法

1.1研究地區(qū)及甘蔗生長概況

廣西地處20°54′～26°24′ N,104°26′～112°04′ E,屬亞熱帶季風氣候區(qū),區(qū)內(nèi)雨熱同期,是我國最大的蔗糖生產(chǎn)基地,蔗糖產(chǎn)量已連續(xù)18年穩(wěn)居全國首位,占全國總產(chǎn)量60％以上。區(qū)內(nèi)90％以上甘蔗主要種植在無灌溉條件的旱地、坡地和丘陵山地。新植蔗一般于3月開始播種,5月進入分蘗期,6月至10月為莖伸長期,11月為工藝成熟期。上年甘蔗收獲之后,留在蔗地土中的蔗蔸的芽在適宜的環(huán)境條件下萌生出土(稱為發(fā)株)長成蔗株,稱宿根蔗。廣西甘蔗生產(chǎn)中宿根年限多為2～3年,一般于次年3月中旬開始發(fā)株,6月中旬進入莖伸長期,10月中下旬進入工藝成熟期。

1.2資料來源

甘蔗觀測資料和氣象數(shù)據(jù)均由廣西氣象信息中心提供,包括廣西沙塘、宜州、平果和貴港4個農(nóng)業(yè)氣象試驗站(表1),是廣西中部甘蔗主產(chǎn)區(qū)的代表站點,選用的甘蔗資料品種為臺糖系列,為廣西主栽品種,種植面積約70％。4個試驗站甘蔗均以旱地種植,土壤類型為沙壤土,肥力中等,宜州、貴港土壤為微酸性,沙塘、平果為中性。

甘蔗數(shù)據(jù)由觀測而來。按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》要求[17],甘蔗進入莖伸長發(fā)育期當旬開始,于每旬末測量甘蔗莖高度,直至莖高基本不變時停止觀測。設(shè)置4個測點,從每個測點隨機連續(xù)取10株進行固定測量,株高為從地面至最上部一片展開葉基部葉枕的距離。

氣象數(shù)據(jù)包括4個試驗站甘蔗進入莖伸長期當旬及前1～4旬的逐日降雨量、相對濕度、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、氣壓、日照時數(shù)。

表1　廣西4個農(nóng)業(yè)氣象試驗站的有關(guān)信息Table 1　Related information of four agricultural meteorological stations in Guangxi province

1.3數(shù)據(jù)處理

1.3.1旬莖伸長量以進入莖伸長期時測量的初始蔗莖高度為本底值,進入莖伸長期后的第1次測量時間為第1旬,依次為第2旬、第3旬……第n旬。

式中,DH為莖旬伸長量,Hn為第n旬測量的莖高,H本底為莖高本底值。

1.3.2氣象數(shù)據(jù)分別計算甘蔗莖伸長量對應的同旬及前n旬的氣象因子統(tǒng)計值,其中降雨量、日照時數(shù)、積溫(大于0℃)為求和統(tǒng)計,其余氣象因子為均值統(tǒng)計。如6月上旬的莖伸長量,其對應的同旬氣象因子為6月上旬,前1旬氣象因子為5月下旬,前2旬為5月中旬,依次類推。

2　結(jié)果與分析

2.1新植蔗宿根蔗莖伸長對比分析

對比分析臺糖系列新植蔗和宿根蔗多年莖高平均值、最小值及最大值(圖1)得知:(1)甘蔗莖伸長期莖高平均值新植蔗為189 cm,宿根蔗為173 cm,相差約16 cm,新植蔗在大多數(shù)年份均大于宿根蔗。(2)新植蔗和宿根蔗進入莖伸長期時的莖高本底值差別較大,新植蔗平均約57 cm,宿根蔗平均約68 cm;兩者停止伸長時的莖高差別也較大,新植蔗平均約258 cm,宿根蔗平均約232 cm。(3)兩者的莖總伸長量差異明顯,新植蔗為170～255 cm,平均200 cm,宿根蔗為74～219 cm,平均164 cm。(4)兩者的莖伸長期也有差別,新植蔗為13～15旬,宿根蔗為13～18旬。綜上所述,新植蔗莖伸長期莖高明顯大于宿根蔗,進入莖生長期時的莖高本底值較小,莖總伸長量較大且其伸長期較短,兩者的莖生長具有較大差異。

圖1　歷年新植蔗和宿根蔗莖高平均值、最大值和最小值Fig.1　Stalk height statistics of new planting sugarcane and ratooning sugarcane

2.2同旬氣象因子影響差異

表2表明,新植蔗和宿根蔗旬莖伸長量與降雨量、相對濕度、積溫、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫多呈極顯著(P <0.05)正相關(guān),與氣壓均呈極顯著負相關(guān),但與日照時數(shù)、風速的相關(guān)性不顯著。積溫、最高氣溫、相對濕度對新植蔗、宿根蔗莖伸長量影響有差異,三者對新植蔗的影響為積溫>最高氣溫>相對濕度,對宿根蔗影響為相對濕度>積溫>最高氣溫。

由于氣象因子相互作用,某些氣象因子之間存在較強的相關(guān)性,通徑分析結(jié)果表明(表3),對于新植蔗,各氣象因子的直接作用為平均氣溫>最低氣溫>最高氣溫>氣壓>相對濕度>積溫>日照時數(shù)>降雨量,其中平均氣溫、氣壓為負效應,其余氣象因子為正效應。最低氣溫的直接正效應最大(pc = 1.23),其次為最高氣溫(pc = 0.51)、相對濕度(pc = 0.25),日照時數(shù)和降雨量的直接正效應不明顯。平均氣溫的總間接正效應最大(pc = 2.16),其次為積溫(pc = 0.51)、降雨量(pc = 0.32);各個氣象因子均通過最低氣溫、平均氣溫、氣壓起著較強的間接作用。對于宿根蔗,各氣象因子的直接作用為平均氣溫>最低氣溫>氣壓>相對濕度>最高氣溫>日照時數(shù)>積溫>降雨量。其中平均氣溫、氣壓為負效應,其余氣象因子為正效應。最低氣溫的直接正效應最大(pc = 1.12),其次為相對濕度(pc = 0.26)、最高氣溫(pc = 0.16)、日照時數(shù)(pc = 0.14),積溫和降雨量的直接正效應不明顯。平均氣溫的總間接正效應最大(pc = 1.69),其次為積溫(pc = 0.46)、降雨量(pc = 0.40);各個氣象因子均通過最低氣溫、平均氣溫、氣壓起著較強的間接作用。

表2　氣象因子與新植蔗和宿根蔗莖伸長量的相關(guān)系數(shù)Table 2　Relative correlation coefficient between meteorological factors and sugarcane stem elongation

表3　氣象因子對新植蔗和宿根蔗莖伸長影響的通徑分析Table 3　Path analysis of effects of meteorological factors on stem elongation in sugarcane

作物干物質(zhì)累積與溫度日較差密切相關(guān),而大氣濕度對作物生長的顯著影響已得到多方面論證,總之,對臺糖系列新植蔗、宿根蔗莖伸長起直接正作用的主要因子均為最低氣溫、相對濕度、最高氣溫,對兩者起直接負作用的主要因子為平均氣溫、氣壓。積溫、降雨量對兩類甘蔗莖伸長的直接正作用雖然不明顯,但其通過其他氣象因子所起的間接作用卻較大,各個氣象因子均通過最低氣溫、平均氣溫、氣壓起著較強的間接作用,各種氣象因子對新植蔗的影響稍大于宿根蔗。

2.3甘蔗莖伸長對氣象因子響應的滯后性

前旬相關(guān)系數(shù)高于本旬即表示滯后,如滯后期為2旬,即表示前1～2旬相關(guān)系數(shù)均高于本旬。

2.3.1水分類氣象因子(相對濕度、降雨量)新植蔗和宿根蔗旬莖伸長量對降雨量存在較明顯的滯后性,對相對濕度的響應基本無滯后(圖2)。對于新植蔗,宜州、平果站的滯后期都為2旬,相關(guān)性最高時期為前1旬(沙塘站無滯后);對于宿根蔗,貴港、沙塘站的滯后期均為1旬(宜州站無滯后)。對比分析得知,前期降雨條件對新植蔗的影響更大,即新植蔗對降雨的響應更滯后,但其對水分類氣象因子的響應一致性差于宿根蔗。廣西甘蔗莖伸長期集中在6月至10月,而雨季集中在6月至8月,莖伸長期跨越了整個雨季且在雨季是其莖節(jié)的快速伸長期。但由于廣西降雨具有相對集中且空間差異大的特點,雨季過后降雨減少,極易發(fā)生秋旱,對甘蔗莖生長不利。若雨季降雨充足,甘蔗在此期間生長旺盛,大田郁閉度提高,保水保墑能力和蔗莖的強壯度不斷增強,對后期降水減少或干旱的抵御能力也會增強,因此,前期降雨對甘蔗后期生長影響顯著。

圖2　新植蔗和宿根蔗莖伸長量與各旬水分類氣象因子相關(guān)性Fig.2　Relationship between sugarcane stalk elongation and climate variables related to water in Guangxi

2.3.2溫度類氣象因子(平均氣溫、積溫、最高氣溫、最低氣溫)新植蔗和宿根蔗旬莖伸長量對平均氣溫、積溫、最高氣溫及最低氣溫的響應均無滯后性(圖2),但新植蔗對各個溫度類氣象因子的響應一致性明顯優(yōu)于宿根蔗。廣西地區(qū)雨熱同期,雨季(6月至8月)發(fā)生在夏季,是全年熱量資源最豐富的時段,也是蔗莖生長最迅速的時期。進入莖伸長期后,作為光合能力強、大田生物量最高的C4作物,甘蔗對熱量資源的利用非常充分和及時。同時可能由于廣西地區(qū)夏季晝夜溫差小,逐日溫度變化不大導致新植蔗和宿根蔗對溫度響應無滯后。

2.3.3其他氣象因子(日照時數(shù)、氣壓)新植蔗和宿根蔗旬莖伸長量對日照時數(shù)的響應均無明顯滯后,且新植蔗各站點響應一致性略優(yōu)于宿根蔗;兩者對氣壓的響應無滯后且較一致(圖3)。類似于溫度類氣候因子,由于甘蔗的光合作用能力較強,其對日照時數(shù)的響應無滯后,但由于夏季云雨天氣較多且空間分布差異大,各個站點甘蔗莖生長對日照時數(shù)的響應差異較大。而氣壓對蔗莖生長的作用是間接的,即通過影響其他氣象因子而起作用,此外,氣壓的變幅較小,因此各個站點與氣壓響應一致性較好。

3　討論

廣西是我國最大的甘蔗生產(chǎn)基地,區(qū)內(nèi)90％以上的原料蔗種植在無灌溉條件、耕作層比較淺薄的旱地,其產(chǎn)量和糖分高低除受品種、施肥水平和耕作技術(shù)影響外,極大程度上受氣象條件的制約。現(xiàn)有的對氣象因子與甘蔗莖生長的影響多集中在新植蔗上。

圖3　新植蔗和宿根蔗莖伸長量與各旬溫度類氣象因子相關(guān)性Fig.3　Relationship between sugarcane stalk elongation and climate variables related to temperature in Guangxin:新植蔗;r:宿根蔗。n:new plant sugarcane;r:ratooning cane.

圖4　新植蔗和宿根蔗莖伸長量與各旬日照時數(shù)、氣壓相關(guān)性Fig.4　Relationship between sugarcane stalk elongation and other climate variables in Guangxin:新植蔗;r:宿根蔗。n:new plant sugarcane;r:ratooning cane.

本研究發(fā)現(xiàn)溫度類氣象因子與新植蔗莖生長密切相關(guān),且最低氣溫>平均氣溫>積溫>最高氣溫。對云南省耿馬縣新植蔗的研究發(fā)現(xiàn)相似結(jié)論,但積溫>平均氣溫[16]。旬平均氣溫也是影響海南儋州市新植蔗株高生長的主要氣象因子[15]。按萌芽分蘗、莖伸長、成熟三個時期進行分析,旬均溫與海南新植蔗株高的生長不存在顯著的線性或非線性相關(guān),但全生育期新植蔗株高與各旬積溫呈極顯著的線性正相關(guān)[14]。本研究得出,平均氣溫對新植蔗蔗莖生長有較強的直接作用,其他氣象因子通過平均氣溫對蔗莖生長起較強的間接作用,與海南[15]、云南[16]的分析結(jié)論相似。對比其他研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),溫度對新植蔗莖生長作用為:云南>廣西>海南,且溫度的累積效應(積溫)對云南地區(qū)新植蔗莖生長影響大于廣西地區(qū)。

水分類氣象因子是影響新植蔗莖伸長的重要因素。本研究結(jié)果表明,降雨量和相對濕度與多數(shù)站點甘蔗莖生長顯著相關(guān)。相似結(jié)論已在多個地區(qū)得到驗證,大氣濕度是影響廣西柳州新植蔗、宿根蔗莖生長最重要的因素[11];降水量在播種—發(fā)芽期、莖伸長—莖成熟期對云南耿馬縣新植蔗莖生長有顯著影響[1];旬降雨量與海南儋州市新植蔗株高連旬生長量之間呈線性正相關(guān)[15]。

本研究中日照時數(shù)對蔗莖生長的作用并不顯著,與相關(guān)學者在云南耿馬縣[16]和廣西沙塘鎮(zhèn)[11]的分析結(jié)論一致,但謝貴水等[15]對海南儋州市新植蔗的研究發(fā)現(xiàn),萌芽分蘗期、伸長期、成熟期的株高與日照時數(shù)不存在明顯的相關(guān)性,但各旬連續(xù)累計日照時數(shù)與株高存在極顯著的線性相關(guān)?？梢?由于地域氣候資源差異及分析時間段的不同,各種氣象因子對不同地區(qū)新植蔗莖生長的影響并不完全一致。

有學者對比分析廣西沙塘鎮(zhèn)2005年新植蔗與2006年宿根蔗指出,氣象因子作用對于新植蔗是大氣濕度>降雨量>平均氣溫,對于宿根蔗是大氣濕度>平均氣溫>降雨量[11];而本研究結(jié)論是新植蔗和宿根蔗均為:平均氣溫>相對濕度>降雨量,相對濕度對宿根蔗影響稍大于新植蔗。此外,在蔗莖生長對氣象因子響應的滯后性方面,吳炫柯等[13]指出水分收入量對蔗莖生長的影響具有滯后性和累積性[13],鮮見本研究中所分析的氣象因子對蔗莖生長的滯后性報道,但植被長勢對氣象因子響應的滯后性已得到諸多驗證[19-20]。

4　結(jié)論

氣象因子與新植蔗、宿根蔗旬莖伸長量多呈極顯著相關(guān),且對新植蔗的影響大于宿根蔗。對新植蔗、宿根蔗莖伸長起直接正作用的主要因子均為最低氣溫、相對濕度、最高氣溫,起直接負作用的主要因子為平均氣溫、氣壓,積溫、降雨量通過其他氣象因子起明顯的間接作用。新植蔗和宿根蔗旬莖伸長量對降雨量均存在較明顯的滯后性,新植蔗對日照時數(shù)的響應也存在滯后現(xiàn)象,兩者對溫度類氣象因子及相對濕度均無滯后。

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URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160125.1622.008.html

Effects of Meteorological Factors on Stalk Elongation in New-planting and Ratooning Sugarcane

CHEN Yan-Li1,2,3,FENG Li-Ping1,*,DING Mei-Hua2,3,MO Wei-Hua2,3,and KUANG Zhao-Min2,31College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193,China;2Guangxi Meteorological Disaster Mitigation Institute/Remote Sensing Application and Validation Base of NSMC,Nanning 530022,China;3Joint Laboratory for GIS Application,Nanning 530022,China

Abstract:Sugarcane stalk elongation is the most important factor for the development evaluation and yield estimation,on which meteorological factors have significant effects.Differences between new planting sugarcane and ratooning sugarcane in development and response to meteorological factors need to be analyzed for promoting agricultural production.In this paper,taking new-planting sugarcane and ratooning sugarcane of Guangxi as the research materials,observed sugarcane agronomic data and meteorological information at four agro-meteorological experimental stations from 2000 to 2011 were used to analyze the relationship between stalk elongation and meteorological factors that were precipitation,relative humidity,maximum temperature,minimum temperature,mean temperature,air pressure,and sunshine hours at different stages.The results show that there was an obvious difference between new-planting sugarcane and ratooning sugarcane in stalk height.During the sugarcane stem elongation,compared with ratooning sugarcane,new-planting sugarcane had a higher stalk height with a lower background in most of years,besides,its total stem elongation amount was much more but elongation duration was short.There was a significant correlation between stalk elongation and most meteorological factors in both new-planting sugarcane and ratooning sugarcane.The effect of most meteorological variables was larger in new-planting sugarcane than in ratooning sugarcane.The correlation between new-planting sugarcane and meteorological factors are obviously higher than that of ratoon sugarcane.Minimum temperature,relative humidity and maximum temperature played a direct positive role on stalk elongation in both new-planting sugarcane and ratooning sugarcane,and average temperature and air pressure played a direct negative role,meanwhile,accumulated temperature and rainfall play a significant indirect effect through other meteorological factors.There was a significant lag in the response ofbook=584,ebook=123stem elongation to rainfall for both new-planting sugarcane and ratooning sugarcane.Compared with ratooning sugarcane,lag of new-planting sugarcane was longer.The total lag time was about 20 days for new-planting sugarcane and 10 days for ratooning sugarcane.There was also a lag in response to sunshine hours for new-planting sugarcane,but no lag to temperature for both sugarcanes.

Keywords:Sugarcane;Stalk elongation;Meteorological factors;New-planting sugarcane;Ratoon sugarcane

收稿日期Received():2015-04-07;Accepted(接受日期):2016-01-11;Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期):2016-01-25.

*通訊作者(

Corresponding authors):馮利平,E-mail:fenglp@cau.edu.cn;丁美花,E-mail:E-mail:dding1030@163.com

DOI:10.3724/SP.J.1006.2016.00583