于 飛, 侯雙雙, 何建文, 劉宇鵬, 陳 芳

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所/貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽 550002; 2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 3.貴州省辣椒研究所, 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】全球氣候變暖背景下,極端天氣氣候事件(極端高溫、極端降水和干旱等)頻發(fā)[1],氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化極大地影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。辣椒(CapsicumannuumL.)是世界范圍內(nèi)重要的蔬菜和調(diào)味品[2],氣候變化對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)的影響引起世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注[3]。水熱條件作為主要?dú)庀笠蜃?探明其對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的影響,能夠?yàn)楹侠硪?guī)劃辣椒種植和開展辣椒氣象防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù),同時(shí)能夠?yàn)槔苯贩N植科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,氣候條件變化對(duì)辣椒影響的研究主要集中于2個(gè)方面。一是通過調(diào)查方式得到氣候變化背景下辣椒產(chǎn)量的變化特征[4-5],從宏觀上證實(shí)氣候變化導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量下降,提出不同作物間套作等種植策略來應(yīng)對(duì)氣候變化。李建珉等[4]對(duì)比分析水熱條件變化與辣椒產(chǎn)量特征表明,水熱條件對(duì)辣椒產(chǎn)量的形成發(fā)揮重要作用;EVIZAL等[5]調(diào)查印度尼西亞辣椒種植農(nóng)戶對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)表明,極端天氣氣候?yàn)?zāi)害是辣椒減產(chǎn)的重要因素。二是利用人工氣候室,通過模擬不同氣候變化情景下的CO2濃度和溫度,研究氣候變化對(duì)辣椒的影響[3,6-8]。在人工氣候室中創(chuàng)造不同的CO2濃度和溫度環(huán)境,對(duì)比分析不同CO2濃度和溫度下辣椒生長(zhǎng)特征來反映氣候變化對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響,SANG等[3]以CO2濃度和溫度為指標(biāo),設(shè)置高、低2種水平氣候變化條件,對(duì)比分析不同氣候變化條件下辣椒生長(zhǎng)發(fā)育特征,結(jié)果表明,較強(qiáng)的氣候變化導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)下降。白瑞等[7]研究不同CO2濃度對(duì)辣椒光合作用的影響表明,不同辣椒品種的光合特性對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)特征不同?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于農(nóng)田是相互影響、相互協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng),人工氣候室對(duì)單一大氣環(huán)境的模擬不能準(zhǔn)確反映大田生態(tài)的實(shí)際情況。分期播種是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)方法,目前仍廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)作物理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐中。分期播種能夠在自然狀態(tài)下創(chuàng)造不同的氣候環(huán)境,最佳播種日期反映的實(shí)質(zhì)是最優(yōu)的氣候水熱條件配置,通過研究不同播種日期對(duì)各類農(nóng)作物的影響,可獲得作物的最佳播種日期[9-14]。然而不同播種日期下不同的水熱條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響被大多數(shù)的分期播種試驗(yàn)忽略?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以貴州主要辣椒品種“辣研1號(hào)”為研究對(duì)象,通過辣椒分期播種產(chǎn)生不同的氣候條件為基礎(chǔ),研究氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化對(duì)辣椒生長(zhǎng)速率的影響,為辣椒生產(chǎn)有效應(yīng)對(duì)未來氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種為辣研1號(hào),為貴州辣椒主栽品種之一,由貴州省辣椒研究所提供。氣象資料(降水量與氣溫即水熱條件)為貴陽清鎮(zhèn)暗流氣象站觀測(cè)資料,氣象站距離辣椒分期播種試驗(yàn)基地直線距離小于1 km。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019—2020年在貴陽國(guó)家一級(jí)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(位于貴陽清鎮(zhèn)市暗流鎮(zhèn))進(jìn)行辣椒分期播種試驗(yàn)。播期為2月25日至4月7日,各播期間隔7 d,共設(shè)7個(gè)處理(表1)。每個(gè)播期3個(gè)重復(fù),共21個(gè)小區(qū),小區(qū)面積20 m2。試驗(yàn)大壟雙行單株移栽,壟高10～20 cm,定植株行距分別為35 cm和50 cm。試驗(yàn)土壤條件及栽培方式均與大田種植一致。

表1 辣椒分期播種試驗(yàn)的播種期與移栽期

1.3 分析方法

研究所用數(shù)據(jù)包括辣椒田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。辣椒田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取依照《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》,對(duì)出苗期、開花期和成熟期3個(gè)典型物候期進(jìn)行觀測(cè)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,不考慮土壤養(yǎng)分因素前提下,水熱條件是主要的氣候條件,其與作物生長(zhǎng)的關(guān)系大多通過線性回歸方式表達(dá)[10]。因此,根據(jù)辣椒分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用線性回歸方法,擬合辣椒不同生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率與水熱條件的關(guān)系。

y=f(x)

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同播期處理辣椒典型生育期及水熱條件特征

2.1.1 典型生育期特征 作物生育期長(zhǎng)短反映作物生長(zhǎng)速率。從圖1看出,不同分期播種處理下,各生長(zhǎng)階段的天數(shù)存在差異。隨著播種移栽期的推遲,各階段生長(zhǎng)天數(shù)均呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)。播期延遲導(dǎo)致苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期和全生育期分別縮短6 d、30 d、9 d和34 d。因此,不同播種期導(dǎo)致的水熱條件變化主要通過影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期而影響全生育期天數(shù)。

圖1 不同播期辣椒典型生長(zhǎng)期的天數(shù)特征

2.1.2 典型生育期的水熱條件特征 從圖2看出,播期推遲明顯改變辣椒典型生育期的水熱條件即日平均氣溫及降水量。

圖2 不同播期辣椒各生育階段的日均氣溫與降水量

1) 日平均氣溫。隨著播期推遲,除生殖生長(zhǎng)期外,日平均氣溫在苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和全生育期均表現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì),T7日均溫最高,T1日均溫最低;播期延遲導(dǎo)致的溫度升高在苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和全生育期分別為42%、25%和10%,因此播期延遲可有效提升辣椒生長(zhǎng)熱量條件;而對(duì)于生殖生長(zhǎng)期,播期改變對(duì)該生長(zhǎng)期熱量特征影響相對(duì)不明顯,平均溫度最高值為24.1 ℃,出現(xiàn)于T3和T5處理,平均溫度最低值為23.6 ℃,出現(xiàn)于T2處理,二者相差僅0.5 ℃;T1和T2播期下,生殖生長(zhǎng)期平均溫度<24 ℃,而T3～T7播期處理的生殖生長(zhǎng)期平均氣溫均≥24 ℃,對(duì)比圖1生長(zhǎng)期天數(shù)特征有高度的吻合,表現(xiàn)為T1和T2播期的生長(zhǎng)期天數(shù)≥46 d,而T3～T7播期的生長(zhǎng)期天數(shù)≤42 d。

2) 降水量。播期延遲產(chǎn)生的降水量變化程度在苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期和全生育期分別為187%、10%、28%和4%。播期推遲對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和全生育期降水量的影響較小,但明顯改變苗期和生殖生長(zhǎng)期水分特征,總體表現(xiàn)為以T3播期為界限分為2種類型:T3以前播期,苗期降水較少而生殖生長(zhǎng)期降水較多;T3以后播期,苗期降水相對(duì)較多而生殖生長(zhǎng)期則相對(duì)較少。主要原因是對(duì)于苗期而言,播期較早的T1和T2處理,春季溫度較低,雨季未到,隨著播期推遲(T3～T5),熱量條件改善,降水隨之增加;而對(duì)于生殖生長(zhǎng)階段而言,播期較早的T1和T2處理對(duì)應(yīng)的降水量略多于播期推遲的T3～T5,生殖生長(zhǎng)階段的降水過多不利于辣椒成熟。

2.2 辣椒生長(zhǎng)速率與氣象因子的相關(guān)性

從表2看出,氣溫對(duì)辣椒任一生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率起到關(guān)鍵作用,氣溫與辣椒各階段的生長(zhǎng)速度相關(guān)性達(dá)極顯著水平;降水量和大氣干燥程度與辣椒各生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性。氣溫與降水量間相關(guān)性不顯著,即水熱氣象因子間無顯著相關(guān)性。全生育期:生長(zhǎng)速率與日平均氣溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量和大氣干燥程度(水熱條件的綜合反映指標(biāo))相關(guān)性不顯著,由于氣溫與降水量的相關(guān)性不顯著,因此在辣椒全生長(zhǎng)期氣溫是其生長(zhǎng)的主要限制性氣象因子。苗期:辣椒生長(zhǎng)速率與日平均氣溫和降水量分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)正相關(guān),與大氣干燥程度相關(guān)性不顯著,表明苗期氣溫是影響生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵因素。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段:生長(zhǎng)速率與日平均氣溫和大氣干燥程度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),表明氣溫和降水同時(shí)影響辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)。生殖生長(zhǎng)階段:生長(zhǎng)速率與日平均氣溫和大氣干燥程度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),表明氣溫升高可提高生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率,而降水量增加則減緩該階段的生長(zhǎng)速率。

表2 辣椒不同生長(zhǎng)階段氣象因子間及其與生長(zhǎng)速率間的相關(guān)系數(shù)

總體看,日平均氣溫是辣椒各生育階段生長(zhǎng)速率的主要影響因子,生長(zhǎng)期間平均氣溫越高,各階段生長(zhǎng)速率越大,其階段經(jīng)歷的時(shí)間越短。降水量與苗期和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率呈顯著正相關(guān),說明生長(zhǎng)期內(nèi)降水量大,苗期和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率則大,其階段經(jīng)歷的時(shí)間越短;而與生殖生長(zhǎng)階段呈極顯著負(fù)相關(guān),說明生殖生長(zhǎng)期內(nèi)降水量越大,階段生長(zhǎng)速率越小,其階段經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 不同環(huán)境溫度下辣椒苗期和全生育期的生長(zhǎng)速率

溫度是影響辣椒苗期和全生育期生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵氣候因子。從圖3看出,辣椒苗期平均氣溫上升1 ℃,苗期生長(zhǎng)速率提高0.11%,苗期歷期縮短1.1 d。辣椒全生育期內(nèi)平均氣溫上升1 ℃,生長(zhǎng)速率提高0.05%,全生育期縮短10.9 d。表明,辣椒生長(zhǎng)期內(nèi)氣溫升高有利于提高其生長(zhǎng)速率,縮短苗期和全生育期所需天數(shù)。

圖3 辣椒苗期及全生育期的生長(zhǎng)速率與日平均氣溫的線性關(guān)系

2.4 不同水熱條件下辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率

氣溫和降水共同影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率。從圖4看出,平均氣溫上升1 ℃,辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生殖生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率分別提高0.07%和0.28%,生育階段所需時(shí)間分別縮短1.1 d和6.0 d。大氣干燥程度表示水分的收支狀況,研究表明,大氣干燥程度變化對(duì)辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率的影響符合線性模型,當(dāng)大氣干燥程度增加時(shí),辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率下降,下降速率為-0.25%;生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率隨大氣干燥程度上升而上升,上升速率為0.16%。因此認(rèn)為,干旱減緩辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng),但適度干旱則可加快辣椒生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率。

圖4 辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率與水熱條件的線性關(guān)系

3 討論

分期播種試驗(yàn)?zāi)軌蛟谧匀粻顟B(tài)下產(chǎn)生不同大田氣候條件,從而為農(nóng)業(yè)科技工作者廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)作物研究中,以期獲得農(nóng)作物最佳播期。目前針對(duì)各類糧食作物[17-20]和經(jīng)濟(jì)作物[14,21-22]展開的分期播種試驗(yàn)均表明,氣溫升高可縮短各類農(nóng)作物的生育期;同時(shí)部分試驗(yàn)結(jié)果表明,氣溫過高影響水分利用率從而不利于作物生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)[21]。本研究表明,氣溫是辣椒苗期和全生育期生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵因子,而氣溫和降水共同影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率,與已有的農(nóng)作物分期播種試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

水熱條件的變化影響辣椒不同生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)速率。眾多分期播種試驗(yàn)研究均表明,氣候變化引起的水熱條件變化影響作物生長(zhǎng)速率[10,12-14],但目前已有的研究多限于分期播種產(chǎn)生的氣候條件對(duì)作物物候期或產(chǎn)量的影響,沒有進(jìn)一步展開兩者關(guān)系的定量表達(dá)。本研究表明,氣溫升高有利于提高辣椒生長(zhǎng)速率,縮短辣椒各生長(zhǎng)階段所需天數(shù),具體表現(xiàn)為縮短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段1.1 d/℃及生殖生長(zhǎng)階段6.0 d/℃。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段,除氣溫對(duì)生長(zhǎng)速率的影響外,降水的作用也不能忽視。氣溫和降水共同表現(xiàn)為大氣水分收支情況,反映大氣的干燥程度,隨著大氣干燥程度增加,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)速率下降(-0.25%),而生殖生長(zhǎng)速率增加(0.16%)。已有的辣椒分期播種研究表明,在辣椒開花以后,特別是成熟階段,降水較少有利于辣椒采收,本研究結(jié)果與前人一致[22]。氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化主要表現(xiàn)為干暖化和極端天氣氣候事件頻發(fā),依據(jù)氣候變化導(dǎo)致的水熱條件變化對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響,在充分掌握當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鞯那疤嵯?需合理調(diào)整辣椒種植方式。貴州年總降水量為1 100～1 300 mm,雨量充沛,氣候變暖提高辣椒生長(zhǎng)速率,縮短辣椒生育期,所以較晚播期意味著溫度升高,則可能縮短苗期過程導(dǎo)致植株羸弱;同時(shí)溫度升高加大大氣干燥程度,影響辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)。因此,氣候變暖背景下,辣椒播期適度提前更有利于其生產(chǎn)。此外,由于夏旱、冰雹、高溫等極端天氣氣候事件風(fēng)險(xiǎn)增大,采用合理的間套作和管理方式能夠營(yíng)造有利的農(nóng)田小氣候[23-24],對(duì)積極應(yīng)對(duì)辣椒生長(zhǎng)過程中的高溫、冰雹、干旱等氣象災(zāi)害有重要作用,但須在充分的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益論證下設(shè)計(jì)合理的種植模式,以獲得土地和氣候資源利用效率最大化。

4 結(jié)論

在貴陽國(guó)家一級(jí)農(nóng)業(yè)氣象站開展為期2年的辣椒分期播種試驗(yàn),通過分期播種創(chuàng)造不同的氣候條件,定量研究水熱條件變化對(duì)辣椒生長(zhǎng)速率的影響。結(jié)果表明,水熱條件變化對(duì)辣椒生長(zhǎng)速率的影響顯著。溫度是辣椒各生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率的主要影響因子,氣溫升高有利于提高辣椒生長(zhǎng)速率,縮短辣椒各生長(zhǎng)階段所需天數(shù),分別表現(xiàn)為縮短苗期1.1 d/℃、全生育期10.9 d/℃、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段1.1 d/℃及生殖生長(zhǎng)階段6.0 d/℃;營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段,除氣溫對(duì)生長(zhǎng)速率的影響外,降水的作用也不能忽視。氣溫和降水共同表現(xiàn)為大氣水分收支情況,反映大氣干燥程度,隨著大氣干燥程度增加,辣椒營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)速率下降0.25%,而生殖生長(zhǎng)速率增加0.16%。在掌握水熱條件與辣椒各生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)速率定量關(guān)系基礎(chǔ)上,結(jié)合貴州氣候變化引發(fā)的水熱條件變化特征與當(dāng)年春季氣候預(yù)測(cè),合理調(diào)整辣椒播期和大田移栽期,是貴州辣椒種植應(yīng)對(duì)未來氣候變化的有效措施。