李 睿，婁運生**，張 震，馬 莉，李 君

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節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻生長發(fā)育的耦合影響*

李 睿1, 2，婁運生1, 2**，張 震2，馬 莉2，李 君2

（1．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；2．南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044）

采用兩因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，通過大田模擬試驗研究節(jié)水灌溉和遮光強度耦合對水稻生長及物候期的影響。灌溉方式設(shè)常規(guī)灌溉（F，水深5cm）和節(jié)水灌溉（W，無水層）2個水平；遮光強度設(shè)3個水平，即對照（CK，無遮光，自然光源）、輕度遮光（S1，單層遮光，光合有效輻射減弱60%）和重度遮光（S2，雙層遮光，光合有效輻射減弱90%）。在水稻主要生育期即分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，觀測株高、葉面積指數(shù)（LAI）、葉綠素含量（SPAD值）、稻穗含水率和冠層高光譜。用冠層高光譜數(shù)據(jù)提取增強型植被指數(shù)（EVI）時間序列，經(jīng)Spline法插值及小波濾波去噪后預(yù)測水稻抽穗盛期的日期。結(jié)果表明：隨著遮光強度的加重，水稻葉面積指數(shù)和葉綠素含量顯著下降，物候期明顯延遲。節(jié)水灌溉對遮光處理下水稻株高和葉綠素含量有抑制作用，對葉面積指數(shù)有促進作用，節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻物候期提前，使生育期縮短。在一定遮光強度下，水稻冠層光譜反射率在拔節(jié)期、抽穗期表現(xiàn)為節(jié)水灌溉（W）＞常規(guī)灌溉（F），而灌漿期、成熟期表現(xiàn)為常規(guī)灌溉（F）＞節(jié)水灌溉（W）。用去噪后的EVI時間序列預(yù)測水稻抽穗盛期，準確率為97%。

節(jié)水灌溉；遮光強度；水稻；生長發(fā)育；物候期

氣候變化背景下溫度、蒸散和水資源變化一定程度上均與太陽輻射變化有關(guān)[1]。太陽輻射是地球表層能量的根本來源，是維持地球氣候系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的重要因子[2]。中國近50a大氣氣溶膠濃度、大氣渾濁度及灰霾日數(shù)增加，導(dǎo)致到達地表的總太陽輻射呈降低趨勢，東南部地區(qū)降速為101.7MJ·m?210a?1[3]，長江三角洲地區(qū)降低較明顯[4]。華東地區(qū)在1961?2008年下降速率為2.05W·m?2·10a?1 [5?6]。太陽輻射減弱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已成為氣候變化研究的熱點問題之一。

弱光寡照對作物不同生育期生長及生理特性有不同程度的影響。研究表明，50%的遮光使水稻分蘗期葉綠素含量（SPAD值）增加，凈光合速率降低[7]；拔節(jié)期弱光使莖鞘物質(zhì)積累減少，株高降低，每穗粒數(shù)和千粒重下降，導(dǎo)致產(chǎn)量減少；始穗期弱光影響谷粒充實度，使結(jié)實率及千粒重下降，減產(chǎn)幅度加大[8?9]。太陽輻射減弱影響小麥籽粒灌漿期，使千粒重減少從而降低產(chǎn)量[10]。遮光使黃瓜葉綠素含量增加，光合能力降低[11]。遮光使小豆干物質(zhì)積累效率降低，葉面積指數(shù)減小，推遲開花，延遲成熟[12]。有關(guān)水稻生長發(fā)育對遮光響應(yīng)的報道多局限于某一生育期，而對不同生育期或整個生育期進行遮光的研究尚不多見。

中國的淡水資源嚴重缺乏，而農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率僅為40%左右，既加劇了水資源的短缺，也造成水資源的浪費[13]。水稻是需水量較大的作物，發(fā)展水稻節(jié)水灌溉，提高水分利用率是水稻可持續(xù)生產(chǎn)的必由之路。研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉可改善水稻土通氣條件，使根系活力增強[14]，抑制水稻株高生長，使莖稈粗壯，提高抗倒伏性，并減少無效分蘗，使產(chǎn)量提高[15]。研究表明，節(jié)水灌溉可使葉綠素含量、葉面積指數(shù)、凈光合速率及干物質(zhì)積累增加[16?21]。有關(guān)節(jié)水灌溉對水稻生產(chǎn)影響的研究，主要集中于生長、生理及產(chǎn)量方面，而對物候期影響的研究較少。

水稻物候信息，不僅是田間管理的決策指標，也是作物模型的重要參數(shù)[22?23]。抽穗期是水稻重要的物候期之一，標志著水稻由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的轉(zhuǎn)折期，是決定水稻產(chǎn)量最為重要的關(guān)鍵期，也是水稻全生育期中生長發(fā)育最迅速，對水分、光照等需求最多的時期。前人對水稻抽穗期的研究，主要采用田間直接觀測法和積溫法。田間直接觀測對于大面積水稻信息的提取，存在費時、費力且人為因素誤差大的缺點；積溫法因需要收集較多的資料致使該方法難于推廣。用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測水稻抽穗期，既節(jié)省人力物力且效率較高。作物物候期的高光譜監(jiān)測，一般基于植被指數(shù)時間序列數(shù)據(jù)的分析，但因受大氣因素的影響，需進行去噪重建，常用的方法有最大合成值法、最佳指數(shù)斜率提取法和小波濾波法等[24]。本研究采用小波濾波方式進行去噪重建，并預(yù)測水稻抽穗盛期的日期。

關(guān)于節(jié)水灌溉或遮光單因子對水稻生長的影響已有報道，但二者耦合對水稻生長及物候期影響的研究報道較少。本研究從水稻拔節(jié)期開始進行不同強度遮光和節(jié)水灌溉直至成熟，以探討節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻生長發(fā)育及物候期的耦合影響。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

田間試驗在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站（32.0°N，118.8°E）進行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量1100mm，年均氣溫15.6℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量26.1%，pH6.2 （1:1土水比），全碳、全氮含量分別為 19.4、1.45g·kg?1，供試水稻品種為南粳5055。水稻于2017年5月7日育苗，6月7日移栽，株行距20cm×20cm。在水稻移栽前每小區(qū)施用復(fù)合肥（15?15?15）315g。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在大田無遮雨中進行，采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計，灌溉方式設(shè)2個水平，即節(jié)水灌溉（W，水稻整個生育期田面無水層）和常規(guī)灌溉（F，水稻整個生育期田面水層深度5cm），節(jié)水灌溉處理采用自動定時噴灌的方法，即通過水管輸送進行定時噴灌，保持田面濕潤無積水層，如遇下雨天氣則通過排水措施排出田面多余水分。遮光強度設(shè)3個水平，即對照（CK，不遮光）、輕度遮光（S1，單層遮陽網(wǎng)遮光，光合有效輻射減弱60%）和重度遮光（S2，雙層遮陽網(wǎng)遮光，光合有效輻射減弱90%）。從2017年7月14日開始（拔節(jié)期），通過鋼支架將黑色遮陽網(wǎng)覆蓋于小區(qū)水稻植株冠層上方30cm處，并隨水稻生長，定期調(diào)整其高度。

試驗共設(shè)6個處理：（1）常規(guī)灌溉+無遮光（FCK）；（2）常規(guī)灌溉+輕遮光（FS1）；（3）常規(guī)灌溉+重遮光（FS2）；（4）節(jié)水灌溉+無遮光（WCK）；（5）節(jié)水灌溉+輕遮光（WS1）；（6）節(jié)水灌溉+重遮光（WS2）。每個處理重復(fù)3次，隨機排列，共18個小區(qū)，小區(qū)面積為2m×2m = 4m2。

1.3 測定方法

1.3.1 冠層光譜測定

采用便攜式高光譜儀（ASD FieldSpec HandHeld，美國）測定水稻冠層光譜反射率。2017年6月23日開始（分蘗期），每5～7d選擇天氣晴朗無云或少云、微風(fēng)或少風(fēng)的天氣，在10：00?14：00（太陽高度角＞45°）時進行測定。光譜儀的有效波段范圍在350?2500nm，350?1050nm區(qū)間光譜分辨率為3nm，光譜采樣間隔為1.4nm；1050?2500nm區(qū)間光譜分辨率為10nm，光譜采樣間隔為2nm，探頭視場角為25°。測定時，探頭垂直向下水平放置進行觀測，距冠層垂直高度0.6m，遮光處理的小區(qū)，先去除遮光網(wǎng)再進行測定。每次采集目標光譜前后均進行校正，每個小區(qū)重復(fù)測量3次，每個處理設(shè)3個重復(fù)，以其平均值作為該觀測點的光譜反射值。利用ASD ViewSpecPro4.5軟件對采集的原始光譜曲線進行分析處理，取其平均值。

1.3.2 葉面積指數(shù)（LAI）測定

采用手持式葉面積指數(shù)儀（LI?2000，美國）測定水稻葉面積指數(shù)（LAI）。2017年6月23日開始（分蘗期），每隔5～7d測定一次。LAI測定在天氣穩(wěn)定且光線良好的條件下進行，在水稻冠層采集1個點，在稻田水面處采集4個不同區(qū)域的點，讀出儀器上的LAI數(shù)值并記錄，作為該小區(qū)水稻的葉面積指數(shù)，每個小區(qū)重復(fù)測定3次，取其平均值。LAI和冠層反射光譜數(shù)據(jù)的測定時間和地點一致。

1.3.3 葉綠素含量（SPAD值）測定

葉綠素含量的測定采用手持便攜式葉綠素儀（SPAD?502），2017年6月23日開始（分蘗期），每隔5～7d與冠層光譜同步測定。在每個小區(qū)中選取3株水稻，每株水稻選取3片劍葉進行測定，測定時在每片葉的上、中、下部各測1次，取其平均值作為該小區(qū)水稻葉片的SPAD值。

1.3.4 株高測定

使用長卷尺，2017年6月23日開始（分蘗期），每隔5～7d與冠層光譜同步測定，從水稻底部測量至水稻冠層，每個小區(qū)選取3株水稻進行測量，取其平均值。

1.3.5 稻穗含水率測定

待水稻抽穗后每隔5～7d與冠層光譜同步測定。每個小區(qū)隨機選取3株水稻，每株水稻取1整穗，先測定鮮重，而后在105℃烘箱內(nèi)下殺青20min，80℃下烘至恒重，用天平稱重。

1.3.6 遮光率測定

遮光率的測定采用AccuPAR植物冠層分析儀（DECAGON LP?80，美國）。每個生育期選擇晴朗無云天氣，在11：00?13：00完成測定，使用前先對儀器進行校正，然后在每個小區(qū)水稻冠層處測量，記錄網(wǎng)下光強及網(wǎng)外光強，遮光率的計算式為

遮光率=1?網(wǎng)內(nèi)光強/網(wǎng)外光強 （1）

1.3.7 水稻物候期觀測

物候期觀測方法參考文獻[25]，具體見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用ASD ViewSpecPro4.5軟件對采集的原始光譜曲線進行分析處理。采用Matlab進行三次樣條插值（Spline插值）及小波濾波處理以預(yù)測水稻抽穗盛期。采用SPSS21.0進行顯著性檢驗。采用OriginPro 8.5和Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

表1 水稻物候期觀測方法

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻物候期的耦合影響

根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[25]，采用計算百分率及含水率的方法，記錄水稻主要生育期，包括分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期。表2為各生育期起止時間，由表可見，各處理分蘗期開始和結(jié)束時間基本一致，從拔節(jié)期開始，抽穗期、灌漿期和成熟期的起止時間逐漸出現(xiàn)差異。

在常規(guī)灌溉+無遮光條件下（FCK），水稻7月14日進入拔節(jié)期，8月20日結(jié)束，歷時37d；8月21日進入抽穗期，9月3日結(jié)束，歷時13d；9月4日進入灌漿期，9月10日結(jié)束，歷時6d；10月11日成熟收獲，整個生育期126d。而在節(jié)水灌溉+無遮光條件下（WCK處理），水稻拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別歷時32d、11d和5d，均比FCK縮短，成熟期提前，10月3日收獲，整個生育期縮短8d。說明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉使該品種水稻主要生育期縮短，成熟期提前。

常規(guī)灌溉條件下，各遮光處理（FS1和 FS2）與無遮光處理（FCK）相比，抽穗期、灌漿期和成熟期開始時間均有推遲，最少3d，最多10d，且隨著遮光程度的加重，推遲天數(shù)增多，F(xiàn)S1和FS2全生育期歷時131d和140d，比FCK延長5d和14d。可見，常規(guī)灌溉條件下，遮光使該品種水稻物候期延遲；節(jié)水灌溉條件下，各遮光處理（WS1和WS2）比無遮光處理（WCK）推遲進入抽穗期、灌漿期和成熟期，最少的推遲1d，最多9d，推遲天數(shù)隨遮光程度加重而加重，全生育期WS1和WS2比WCK分別延長6d和14d，可見，節(jié)水灌溉下遮光處理同樣使水稻物候期推遲，說明無論何種灌溉條件下，遮光均導(dǎo)致水稻物候期延長。

表2 各處理水稻主要生育期的起止日期（月.日）

注：FCK：常規(guī)灌溉+無遮光；FS1：常規(guī)灌溉+輕遮光；FS2：常規(guī)灌溉+重遮光；WCK：節(jié)水灌溉+無遮光；WS1：節(jié)水灌溉+輕遮光；WS2：節(jié)水灌溉+重遮光。下同。

Note: FCK: conventional irrigation + no shading; FS1: conventional irrigation + light shading; FS2: conventional irrigation + heavy shading; WCK: water-saving irrigation + no shading; WS1: water-saving irrigation + light shading; WS2: water-saving irrigation + heavy shading. The same as below.

由表2可知，在相同輕度遮光條件下，節(jié)水灌溉+輕度遮光條件（WS1）比常規(guī)灌溉+輕度遮光條件（FS1）分別提前4d、6d和7d進入抽穗期、灌漿期和成熟期，整個生育期縮短7d。在相同重度遮光條件下，節(jié)水灌溉+重度遮光條件（WS2）比常規(guī)灌溉+重度遮光條件下（FS2）分別提前4d、5d和6d進入抽穗期、灌漿期和成熟期，全生育期縮短8d，可見，節(jié)水灌溉使遮光處理下的水稻物候期提前，并縮短生育期。

2.2 節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻生長發(fā)育的耦合影響

2.2.1 株高

從圖1可以看出，在水稻生長初期，除節(jié)水灌溉（WCK）處理的株高與其它處理相比較低外，其余處理間株高均無明顯差異。隨著水稻生長進程推進，從抽穗期開始不同處理株高出現(xiàn)差異，之后至成熟期株高不再持續(xù)增長。常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理株高比無遮光處理（FCK）分別平均降低3.3%和4.9%，均達顯著水平（P＜0.05）；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理株高比無遮光處理（WCK）平均上升17.5%和15.6%，亦達顯著水平（P＜0.05）。

抽穗?成熟期，無遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的株高比節(jié)水灌溉（WCK）處理平均增加25.3%，差異均達顯著水平（P＜0.05），說明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對水稻株高有明顯抑制作用；在抽穗期和灌漿期內(nèi)，相同輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的株高比節(jié)水灌溉（WS1）分別平均增加2.3%和2.4%，差異達顯著水平（P＜0.05）；在相同重遮光處理下，常規(guī)灌溉（FS2）的株高比節(jié)水灌溉（WS2）分別上升2.0%和4.0%，且達顯著水平（P＜0.05）。說明節(jié)水灌溉對遮光處理下的水稻株高有顯著抑制作用。

圖1 水稻主要生育期處理間株高的比較

注：短線表示標準誤差。不同字母表示同一生育期處理間差異顯著（P＜0.05）。下同。

Note: The bar is standard errors. Different letters indicate significant difference between treatments during the same growth period (P＜0.05). The same as below.

2.2.2 葉面積指數(shù)

由圖2可見，在水稻生長初期，由于分蘗數(shù)不斷增加，LAI不斷升高，在抽穗期達最大值，在生長后期因葉片衰老，LAI值呈下降趨勢。全生育期內(nèi)，常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理葉面積指數(shù)比無遮光（FCK）處理分別平均降低21.5%和39.5%，且差異達顯著水平（P<0.05）；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理葉面積指數(shù)比無遮光（WCK）分別降低11.5%和17.8%，除分蘗期外，其余均達顯著水平（P＜0.05）。說明隨著遮光程度的加重，水稻葉面積指數(shù)顯著下降。

圖2 主要生育期處理間水稻葉面積指數(shù)的比較

無遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WCK）有所下降，說明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對水稻葉面積指數(shù)有促進作用；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WS1）平均降低14.6%，均通過顯著性檢驗（P＜0.05）；重遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS2）的葉面積指數(shù)比節(jié)水灌溉（WS2）平均降低29.4%，均達顯著水平（P＜0.05）?？梢?，節(jié)水灌溉對遮光處理下的水稻葉面積指數(shù)有促進作用。

2.3 節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻葉片葉綠素含量和冠層光譜反射率的耦合影響

2.3.1 葉綠素含量

由圖3可見，水稻生長初期各處理間SPAD值差異不顯著，水稻SPAD值從分蘗期開始呈上升趨勢，在抽穗期達最高，此后開始緩慢下降。

圖3 主要生育期處理間水稻SPAD值的比較

從水稻拔節(jié)期開始，常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重遮光（FS2）處理的SPAD值比無遮光處理（FCK）均有所減少，且FS1高于FS2；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理的SPAD值比無遮光（WCK）處理減少，其中WS2與WCK的差異均達顯著水平（P＜0.05）。說明遮光使水稻葉綠素含量降低，且隨著遮光程度的加重，水稻葉片葉綠素含量（SPAD值）的降幅加大。

拔節(jié)?成熟期，無遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）的SPAD值高于節(jié)水灌溉（WCK），說明在自然光照條件下，節(jié)水灌溉對水稻SPAD值有抑制作用；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）的SPAD值與節(jié)水灌溉（WS1）相比有所增加；重度遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS2）的SPAD值比節(jié)水灌溉（WS2）平均降低4.8%，達顯著水平（P＜0.05）。說明節(jié)水灌溉對遮光處理下水稻葉綠素含量（SPAD值）有抑制作用。

2.3.2 冠層光譜反射率

選取400?1000nm可見光和近紅外波段分析水稻實測冠層光譜特征。由圖4可見，在可見光波段（450? 760nm），各處理均表現(xiàn)為兩“谷”一“峰”，即在500nm附近出現(xiàn)藍光低谷，550nm附近有明顯的綠峰，680nm附近出現(xiàn)紅光低谷；拔節(jié)?成熟期內(nèi)，自然光照條件下，節(jié)水灌溉+無遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率大于常規(guī)灌溉+無遮光處理（FCK）；遮光條件下，常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）的冠層光譜反射率均大于節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）。

圖4 主要生育期處理間水稻冠層光譜反射率的比較

在近紅外波段（760?1000nm），水稻冠層反射率出現(xiàn)反射高臺，在拔節(jié)期和抽穗期，輕遮光處理反射率大于重遮光處理；自然光照條件下，節(jié)水灌溉+無遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率大于常規(guī)灌溉+無遮光處理（FCK）；遮光條件下，節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）的冠層光譜反射率與常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）反射率表現(xiàn)為WS1＞FS1，WS2＞FS2。在灌漿期和成熟期，節(jié)水灌溉+無遮光處理（WCK）的冠層光譜反射率小于常規(guī)灌溉+無遮光處理（FCK）；在遮光條件下，節(jié)水灌溉+遮光處理（WS1和WS2）的冠層光譜反射率與常規(guī)灌溉+遮光處理（FS1和FS2）反射率表現(xiàn)為FS1＞W(wǎng)S1，F(xiàn)S2＞W(wǎng)S2。

2.4 節(jié)水灌溉和遮光強度對稻穗含水率的耦合影響

水稻的成熟期可以分為乳熟、蠟熟和完熟3個時期，在完熟末期稻穗含水率下降至23%時為水稻收獲的最佳時期[26?28]。由表3可知，移栽后92～140d稻穗含水率的變化，以乳熟期下降速率最大。48d內(nèi)，6組不同處理的稻穗含水率日平均下降速度，以節(jié)水灌溉+無遮光（WCK）處理最大，其次為常規(guī)灌溉+無遮光（FCK）處理，常規(guī)灌溉+重遮光（FS2）處理最小。

常規(guī)灌溉條件下，輕遮光（FS1）和重度遮光（FS2）處理稻穗含水率降至23%比無遮光（FCK）處理分別延遲約5d和14d；節(jié)水灌溉條件下，輕遮光（WS1）和重遮光（WS2）處理稻穗含水率比無遮光（WCK）處理延遲約6d和14d。說明遮光處理會延遲水稻收獲期，且隨著遮光加重水稻最佳收獲期明顯延遲。

無遮光條件下，常規(guī)灌溉（FCK）處理稻穗含水率降至23%比節(jié)水灌溉（WCK）延遲8d；輕遮光條件下，常規(guī)灌溉（FS1）處理稻穗含水率比節(jié)水灌溉（WS1）延遲7d；重遮光下條件，常規(guī)灌溉（FS2）處理稻穗含水率比節(jié)水灌溉（WS2）延遲8d。說明節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻的成熟期提前。

表3 處理間稻穗含水率的比較（%，平均值±標準誤）

2.5 節(jié)水灌溉和遮光強度對EVI的耦合影響

采用冠層高光譜數(shù)據(jù)（ASD）提取各處理移栽45d以后的增強型植被指數(shù)（EVI）值，經(jīng)過三次樣條插值法（Spline插值法）填補中間空缺的數(shù)值，構(gòu)建逐日增強型植被指數(shù)時間序列集。采用小波濾波對其進行去噪處理，得到反映水稻生長過程的日時間序列曲線（圖5）。

由圖5可見，各處理中EVI時間序列均呈現(xiàn)單峰型變化過程。虛線表示經(jīng)過三次樣條插值后的EVI時間序列，虛線上的圓點表示實測值；實線表示經(jīng)過小波濾波后的EVI時間序列，用于預(yù)測水稻抽穗盛期。根據(jù)水稻抽穗期的生理特征可推斷，該最大EVI值出現(xiàn)在水稻從營養(yǎng)生長進入生殖生長的轉(zhuǎn)折時期，為水稻抽穗盛期，因此，可將其對應(yīng)的時間估計為水稻抽穗盛期的日期[24,29?30]。由圖中可見，不同處理達到最高點的天數(shù)及其EVI最大值存在差異，EVI值最大的為常規(guī)灌溉+無遮光處理（FCK），常規(guī)灌溉+重遮光處理最?。‵S2）。表明在無遮光條件下，節(jié)水灌溉使EVI值下降，在相同遮光處理下，節(jié)水灌溉使EVI值上升。對比實測抽穗盛期（表4）可以看出，各處理與對應(yīng)實測天數(shù)中，最大誤差天數(shù)出現(xiàn)在WS2處理（3d），最小誤差天數(shù)出現(xiàn)在FS2和WS1處理，為0d。標準偏差最大值為2.12d，預(yù)測準確度為97%，表明在節(jié)水灌溉和遮光強度處理下用EVI時間序列預(yù)測水稻抽穗盛期是可行的。

3 結(jié)論與討論

水稻為喜陽作物，對光照條件的需求較大。遮光處理使水稻葉面積指數(shù)下降，隨著遮光強度增加，葉面積指數(shù)降低越多，主要原因在于遮光引起光合產(chǎn)物運輸受阻，降低葉面積擴展速率，使葉面積減少。但也有研究表明，插秧?孕穗期對水稻進行遮光處理可以明顯提高水稻劍葉面積，遮光后，光照強度減弱且以散射光為主，水稻葉面積的增加有利于其截獲更多的光能，以適應(yīng)弱光逆境[31]。本試驗中，從拔節(jié)期?成熟期，遮光處理的水稻葉綠素含量均低于自然光照條件下（CK）水稻的葉綠素含量（SPAD值），且在抽穗期、灌漿期與無遮光處理（CK）相比下降速率最大。前人研究認為，在灌漿結(jié)實期水稻上三葉的葉綠素含量下降幅度隨光照減弱而增大，其中倒三葉的葉綠素含量下降幅度最大[32?34]，這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，遮光處理會延遲水稻物候期，隨遮光強度加重，延遲時間越長，主要原因是太陽輻射的減弱改變了地表的熱傳導(dǎo)、光反射和熱散射，使土壤及冠層空氣溫度上升緩慢，引起物候期的延遲。

有關(guān)節(jié)水灌溉對水稻生長發(fā)育影響的相關(guān)報道不一。楊生龍等研究發(fā)現(xiàn)[35]，常規(guī)灌溉使水稻分蘗高峰期提前，株高和葉綠素含量增加；但也有學(xué)者認為[36]，節(jié)水灌溉下水稻分蘗提早，成熟期提前，節(jié)水灌溉顯著增加了水稻株高、葉面積指數(shù)和葉綠素含量。本試驗表明，節(jié)水灌溉對遮光處理下的水稻株高和葉綠素含量有抑制作用，對葉面積指數(shù)有促進作用，節(jié)水灌溉可使遮光處理下水稻物候期提前，并縮短生育期。主要原因在于，節(jié)水灌溉下水稻生長在水分較少的環(huán)境中，不利于干物質(zhì)積累和傳輸，導(dǎo)致株高下降，但節(jié)水灌溉改善了土壤通氣條件，有利于土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和根系生長，從而促進植株生長，使物候期提前，生育期縮短。

圖5 各處理抽穗?成熟期增強型植被指數(shù)（EVI）的變化過程

注：虛線表示經(jīng)過三次樣條插值后的EVI時間序列，虛線上的圓點表示實測值；實線表示經(jīng)過小波濾波后的EVI時間序列，用于預(yù)測水稻抽穗盛期。

Note: The dashed line represents the EVI time series after spline interpolation. Dots on the dashed line represent measured values, and solid lines represent wavelet-filtered EVI time series to predict the heading stage of rice.

表4 EVI預(yù)測抽穗盛期與實測抽穗盛期的比較（d）

節(jié)水灌溉和遮光強度耦合對水稻冠層光譜反射率有明顯影響。在近紅外波段內(nèi)，拔節(jié)期和抽穗期表現(xiàn)為節(jié)水灌溉+遮光處理的水稻反射率大于常規(guī)灌溉+遮光處理，這主要是因為前期節(jié)水灌溉+遮光水稻的葉面積指數(shù)高，而近紅外光譜反射率高低主要取決于生物量和葉面積指數(shù)的大小[37]。在灌漿期和成熟期節(jié)水灌溉的反射率小于常規(guī)灌溉，主要是因為節(jié)水灌溉下的水稻水分含量少，導(dǎo)致節(jié)水灌溉下的水稻加速衰老。研究表明，水稻衰老或環(huán)境脅迫下，近紅外波段反射率會下降[38]，說明節(jié)水灌溉+遮光處理對水稻后期生長有一定的抑制作用，導(dǎo)致水稻成熟期提前。水稻拔節(jié)?成熟期是江蘇沿江地區(qū)水稻高溫?zé)岷Χ喟l(fā)期[39?40]，遮光處理對水稻有一定的降溫緩解作用，因此，遮光處理的水稻衰老較慢，近紅外反射率較高。

用EVI時間序列預(yù)測節(jié)水灌溉和遮光強度耦合下水稻抽穗盛期，預(yù)測準確度為97%，說明用EVI預(yù)測水稻抽穗盛期是可行的。最大合成值法和最佳指數(shù)斜率提取法是常用的濾波方法，最大合成值法的計算過程較簡便，但在處理過程中沒有考慮大氣條件地表的雙向反射和數(shù)據(jù)傳輸錯誤等因素的影響，使得濾波重建的結(jié)果存在很大偏差；最佳指數(shù)斜率提取法的選擇主要依靠實踐經(jīng)驗，帶有一定的主觀性[41?42]。本研究中，經(jīng)小波濾波后的 EVI 曲線能較好地反映出水稻隨時間連續(xù)變化的生長過程。此外，本研究得到的EVI時間序列曲線對種植模式識別、作物生長模型、數(shù)據(jù)同化等相關(guān)研究也有一定的參考意義。

綜上所述，節(jié)水灌溉對遮光處理下水稻葉面積指數(shù)有促進作用，使水稻物候期提前，生育期縮短。未來可進一步研究節(jié)水灌溉和遮光對水稻光合作用及產(chǎn)量構(gòu)成等方面的影響，采用DSSAT等作物模型模擬水稻物候期，以提高區(qū)域水稻生產(chǎn)應(yīng)對和適應(yīng)太陽輻射減弱及水資源短缺的能力。

[1] 石廣玉.大氣輻射學(xué)[M].科學(xué)出版社,2007.Shi G Y.Atmospheric radiology[M].Science Press,2007.(in Chinese)

[2] 龐嘉棠.旬太陽總輻射氣候?qū)W計算方法[J].氣象,1979,(2):20-21.Pang J T.The calculation method of total solar radiation climatology[J].Meteorological Monthly,1979,(2):20-21.(in Chinese)

[3] 汪凱,葉紅,陳峰,等.中國東南部太陽輻射變化特征、影響因素及其對區(qū)域氣候的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2010,19(5):1119-1124.Wang K,Ye H,Chen F,et al.Long-term change of solar radiation in southeastern China:variation,factors,and climate forcing[J].Ecology and Environmental Sciences,2010,19(5):1119-1124.(in Chinese)

[4] Abraha M G,Savage M J.Comparison of estimates of daily solar radiation from air temperature range for application in crop simulations[J].Agricultural & Forest Meteorology,2008,148(3):401-416.

[5] Chen Y,Wang P,Zhang Z,et al.Rice yield development and the shrinking yield gaps in China,1981-2008[J].Regional Envir- onmental Change,2017,17(8):2397-2408.

[6] 尹青,張華,何金海.近48年華東地區(qū)地面太陽總輻射變化特征和影響因子分析[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報,2011,6(1):37-46.Yin Q,Zhang H,He J H.Long-term change of surface total solar radiation and influencing factors over east China in recent 48 years[J].Journal of Atmospheric and Environmental Optics,2011,6(1):37-46.(in Chinese)

[7] 李汶珊,曾發(fā)梁,王雪瑩,等.分蘗期遮光對水稻氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報,2018,(2):289-295.Li W S,Zeng F L,Wang X Y,et al.Effect of shading on gas exchange and chlorophyll fluorescence of rice leaves in tillering stage[J].Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2018,(2):289-295.(in Chinese)

[8] 楊東,段留生,謝華安,等.不同生育期弱光對超級稻Ⅱ優(yōu)航2號產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,28(2):107-112.Yang D,Duan L S,Xie H A,et al.Effect of light deficiency during different growth stages on grain yield and quality of super-hybrid rice,ⅡYouhang 2[J].Fujian Journal of Agricultural Sciences,2013,28(2):107-112.(in Chinese)

[9] Vaz J,Sharma P K.Photoinhibition and photosynthetic acclimation of rice (L.cv) plants grown under different light intensities and photoinhibited under field conditions[J].Administrative Radiology Ar,2009,10(8):60-62.

[10]江曉東,陳惠玲,姜琳琳,等.弱光條件下散射輻射比例增加對冬小麥籽粒灌漿進程的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(12):753-760.Jiang X D,Chen H L,Jiang L L,et al.Effect of increasing diffuse radiation fraction under low light condition on the grain-filling process of winter wheat (L)[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2017,38(12):753-760.(in Chinese)

[11]熊宇,楊再強,薛曉萍,等.遮光處理對溫室黃瓜幼齡植株葉片光合參數(shù)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(2):222-230.Xiong Y,Yang Z Q,Xue X P,et al.Effect of shading on photosynthetic parameters in greenhouse cucumber leaves[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(2):222-230.(in Chinese)

[12]鄒長明,王允青,曹衛(wèi)東,等.不同品種小豆光合作用和生長發(fā)育對弱光的響應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2015,26(12):3687-3692. Zou C M,Wang Y Q,Cao W D,et al.Response of photos- ynthesis and growth to weak light regime in different Adzuki bean() varieties[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26(12):3687-3692.(in Chinese)

[13]姚林,鄭華斌,劉建霞,等.中國水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].生態(tài)學(xué)雜志,2014,33(5):1381-1387.Yao L,Zheng H B,Liu J X,et al.Current situation and prospect of rice water-saving irrigation technology in China[J].Chinese Journal of Ecology,2014,33(5):1381-1387.(in Chinese)

[14]孫彥坤,曹印龍,付強,等.寒地井灌稻區(qū)節(jié)水灌溉條件下土壤溫度變化及水稻產(chǎn)量效應(yīng)[J].灌溉排水學(xué)報,2008,27(6):67-70.Sun Y K,Cao Y L,Fu Q,et al.Changing of soil temperature and rice yield under water-saving irrigate on condition in well irrigated field of the cold region[J].Journal of Irrigation and Drainage,2008,27(6):67-70.(in Chinese)

[15]陳厚存,李桂云,吳中華,等.水稻間歇灌溉增產(chǎn)機理與防治蚊媒應(yīng)用研究[J].中國稻米,2012,18(2):33-36.Chen H C,Li G Y,Wu Z H,et al.Mechanism of rice yield increasing by intermittent irrigation and its application in mosquito control[J].China Rice,2012,18(2):33-36.(in Chinese)

[16]張曼義,楊再強,侯夢媛.水分脅迫下黃瓜葉片光響應(yīng)過程的模擬[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(10):644-654.Zhang M Y,Yang Z Q,Hou M Y.Simulation of light response of photosynthesis ofL.leaves under water stress[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2017,38(10):644-654.(in Chinese)

[17]李沅媛,龔道枝,嚴為光,等.兩種水分條件下夏玉米葉片氣孔行為對光質(zhì)的瞬時響應(yīng)[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(2):113-120.Li Y Y,Gong D Z,Yan W G,et al.Instantaneous response of leaf stomatal behavior to light quality under two irrigation levels in summer maize[J].Chinese Journal of Agrometeo- rology,2017,38(2):113-120.(in Chinese)

[18]Kumar A,Nayak A K,Pani D R,et al.Physiological and morphological responses of four different rice cultivars to soil water potential based deficit irrigation management strategies[J].Field Crops Research,2017,205:78-94.

[19]朱士江,孫愛華,張忠學(xué),等.不同節(jié)水灌溉模式對水稻分蘗、株高及產(chǎn)量的影響[J].節(jié)水灌溉,2013,(12):16-19.Zhu S J,Sun A H,Zhang Z X,et al.Effect of different water-saving irrigation modes on rice tellering,height and yield in cold area[J].Water Saving Irrigation,2013,(12):16-19.(in Chinese)

[20]劉立軍,王康君,卞金龍,等.結(jié)實期干濕交替灌溉對籽粒蛋白質(zhì)含量不同的轉(zhuǎn)基因水稻的生理特性及產(chǎn)量的影響[J].中國水稻科學(xué),2014,28(4):384-390.Liu L J,Wang K J,Bian J L,et al.Effect of alternate wetting and soil drying irrigation during grain filling on the physiological traits and yield of transgenic rice with different protein content in grains[J].Chinese Journal of Rice Science,2014,28(4):384-390.(in Chinese)

[21]夏瓊梅,陳清華,李叢英,等.淺濕交替節(jié)水灌溉對水稻產(chǎn)量及生物學(xué)特性的影響[J].中國稻米,2015,21(4):114-117.Xia Q M,Chen Q H,Li C Y,et al.Effect of different wet-shallow alternate irrigation patterns on rice grain yield and biological characteristics[J].China Rice,2015,21(4):114-117.(in Chinese)

[22]Sun J L.Dynamic monitoring and yield estimation of crops by mainly using the remote sensing technique in China[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing,2000,66(5): 645-650.

[23]Chmielewski F M,Müller A,Bruns E.Climate changes and trends in phenology of fruit trees and field crops in Germany,1961-2000[J].Agricultural & Forest Meteorology,2004,121(1):69-78.

[24]楊浩,黃文江,王紀華,等.基于HJ-1A/1BCCD時間序列影像的水稻生育期監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4):219-224.Yang H,Huang W J,Wang J H,et al.Monitoring rice growth stages based on time series HJ-1A/1B CCD images[J].Transactions of the CSAE,2011,27(4):219-224.(in Chinese)

[25]國家氣象局.農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范(上卷) [M].北京:氣象出版社,1993.National Meteorological Administration.Standard for agrometeorological observation (roll up)[M].Beijing: China Meteorology Press,1993.(in Chinese)

[26]雍忠,盛玉波,姜國先.不同收獲時間對保墑旱直播栽培水稻品質(zhì)的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2017,(23):7.Yong Z,Sheng Y B,Jiang G X.Effects of different harvest time on quality of rice grown in soil moisture and dry direct seeding[J].Modern Agricultural Science and Technology,2017,(23):7.(in Chinese)

[27]王百靈,張文忠,商全玉,等.不同收獲時期對超級稻沈農(nóng)014主要稻米品質(zhì)影響[J].北方水稻,2009,39(3):7-9.Wang B L,Zhang W Z,Shang Q Y,et al.Effect of harvest time on main rice quality of super rice Shennong 014[J].North Rice,2009,39(3):7-9.(in Chinese)

[28]莫亞麗,謝惠,任澤民,等.雙季稻收割時稻谷含水量的差異及原因分析[J].作物研究,2008,22(4):282-284.Mo Y L,Xie H,Ren Z M,et al.Differences in water content in grains at harvesting stage and its causes analysis in double cropping rice[J].Crop Research,2008,22(4):282-284.(in Chinese)

[29]Zheng H,Cheng T,Yao X,et al.Detection of rice phenology through time series analysis of ground-based spectral index data[J].Field Crops Research,2016,198:131-139.

[30]徐巖巖,張佳華,Yang L M.基于MODIS-EVI數(shù)據(jù)和Symlet11小波識別東北地區(qū)水稻主要物候期[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(7):2091-2098.Xu Y Y,Zhang J H,Yang L M.Detecting major phenological stages of rice using MODIS-EVI data and Symlet11 wavelet in Northeast China[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(7):2091-098.(in Chinese)

[31]劉奇華,周學(xué)標,楊連群,等.生育前期遮光對水稻灌漿期劍葉生理特性及籽粒生長的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20(9):2135-2141.Liu Q H,Zhou X B,Yang L Q,et al.Effects of shading at early growth stage on physiological characteristics and grain growth of flag leaves in rice during grain filling stage[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2009,20(9):2135-2141.(in Chinese)

[32]杜彥修,季新,張靜,等.弱光對水稻生長發(fā)育影響研究進展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,21(11):1307-1317.Du Y X,Ji X,Zhang J,et al.Research progress on the impacts of low light intensity on rice growth and development[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21(11):1307-1317.(in Chinese)

[33]楊東,段留生,謝華安,等.花前光照虧缺對水稻物質(zhì)積累及生理特性的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2011,19(2):347-352.Yang D,Duan L S,Xie H A,et al.Effect of pre-flowering light deficiencyon biomass accumulation and physiological characteristics of rice[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011,19(2):347-352.(in Chinese)

[34]Liu B,Han Y,Xie W X,et al.Influence of low light on rice yield,physiology and grain quality in grain filling stage[J].China Rice,2008,14(5):36-40

[35]楊生龍,王興盛,強愛玲,等.不同灌溉方式對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響[J].中國稻米,2010,16(1):49-51.Yang S L,Wang X S,Qiang A L,et al.Effects of different irrigation methods on yield and yield components of rice[J].China Rice,2010,16(1):49-51.(in Chinese)

[36]張武益,朱利群,王偉,等.不同灌溉方式和秸稈還田對水稻生長的影響[J].作物雜志,2014,(2):113-118.Zhang W Y,Zhu L Q,Wang W,et al.Affect of sowing date on yield and main characteristics of buck wheat[J].Crops,2014,(2):113-118.(in Chinese)

[37]朱懷衛(wèi),婁運生,石一凡,等.UV-B增強下施硅對水稻冠層反射光譜特征的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(3):172-180.Zhu H W,Lou Y S,Shi Y F,et al.Effects of silicon supply on reflectance spectroscopy characteristics of rice canopy under elevated UV-B radiation[J].Chinese Journal of Agromete- orology,2017,38(3):172-180.(in Chinese)

[38]黃敬峰,王福民,王秀珍.水稻高光譜遙感實驗研究[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2010:36-94.Huang J F,Wang F M,Wang X Z,et al.Experimental study on hyperspectral remote sensing of rice[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2010:36-94.(in Chinese)

[39]于堃,宋靜,高蘋.江蘇水稻高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生規(guī)律與特征[J].氣象科學(xué),2010,30(4):530-533.Yu K,Song J,Gao P.Characteristics of heat damage for rice in Jiangsu province[J].Journal of the Meteorological Sciences,2010,30(4):530-533.(in Chinese)

[40]王穎,婁運生,石一凡,等.夜間增溫對稻田甲烷排放的影響及其高光譜估算[J].生態(tài)學(xué)報,2018,38(14):5099-5108. DOI:10.5846/stxb201707201304. Wang Y,Lou Y S,Shi Y F,et al.Methane emission in response to nighttime warming and its hyperspectral estimation in a paddy field[J].Actra Ecological Sinica,2018,38(14):5099- 5108. DOI:10.5846/stxb201707201304. (in Chinese)

[41]孫華生,徐愛功,林卉,等.基于不同算法的時間序列植被指數(shù)去噪效果分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(5):375-379.Sun H S,Xu A G,Lin H,et al.Analysis of time series vegetation index denoising effect based on different algorithms[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2012,40(5):375-379.(in Chinese)

[42]賈玉秋.基于物候差異分析的冬小麥長勢監(jiān)測[D].鄭州:河南大學(xué),2014.Jia Y Q.Growth monitoring of winter wheat based on analysis of phenological differences[D].Zhengzhou:Henan University,2014.(in Chinese)

Coupling Effects of Water-Saving Irrigation and Shading Intensity on Growth and Development for Rice

LI Rui1, 2, LOU Yun-sheng1, 2, ZHANG Zhen2, MA Li2, LI Jun2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044)

A field experiment was conducted to reveal the coupling effects of water-saving irrigation and shading intensity on rice growth and phenological period. Irrigation was designed with 2 levels, conventional irrigation (F, flooding with 5cm water depth layer) and water-saving irrigation (W, wetting without water layer); shading intensity was set at 3 levels, control (CK, natural light source without shading), light shading (S1, single layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 60%) and heavy shading (S2, double layer shading, photosynthetically active radiation decreased by 90%). Rice growth parameters were measured in main stages, tillering, jointing, heading, filling and maturing, which included plant height, leaf area index (LAI), chlorophyll content (SPAD value), and water content in single ear as well as canopy hyperspectral data. Using canopy hyperspectral data to extract the enhanced vegetation index (EVI) time series, heading date was predicted by denoising through spline interpolation and wavelet filtering. The results showed that with higher shading intensity, leaf area index and SPAD value decreased, and phenological periods delayed. Water-saving irrigation inhibited plant height and SPAD value of rice, promoted leaf area index under shading conditions. Water-saving irrigation advanced phenophase and shortened phenological periods of rice under shading conditions. Under the same shading conditions, the spectral reflectance on rice canopy was higher in water-saving irrigation (W) than that in conventional irrigation (F) at jointing stage and heading stage, but higher in conventional irrigation (F) than in water-saving irrigation (W) at filling stage and maturity stage. The denoised EVI time series were used to predict heading date in rice, with prediction accuracy being 97%, and extremely significant correlation (P < 0.01).

Water-saving irrigation; Shading intensity; Rice; Growth; Phenophase

2018?05?09

。E-mail：yunshlou@163.com

國家自然科學(xué)基金（41375159）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20131430）

李睿（1993?），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：461917970@qq.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.11.002

李睿,婁運生,張震,等.節(jié)水灌溉和遮光強度對水稻生長發(fā)育的耦合影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(11):702-714