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水稻是我國(guó)最重要的糧食作物。水稻單產(chǎn)的提高,雜交稻制種起到了關(guān)鍵作用。超級(jí)雜交稻是通過理想株型塑造與雜種優(yōu)勢(shì)利用相結(jié)合選育的,單產(chǎn)大幅度提高、品質(zhì)優(yōu)良、抗性較強(qiáng)的新型水稻品種,具有分蘗適中、劍葉挺直、植株矮中求高、莖稈堅(jiān)韌抗倒、穗大粒多的形態(tài)特征,光合效率高、根系活力強(qiáng)、庫(kù)源流協(xié)調(diào)的生理機(jī)能,以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、抗病性狀聚合的遺傳基礎(chǔ)[1-3]。推廣超級(jí)雜交稻是我國(guó)提高水稻單產(chǎn)、穩(wěn)定水稻總產(chǎn)確保糧食安全的必然選擇,是提高我國(guó)糧食綜合生產(chǎn)能力的重要舉措,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收的有效途徑。

自石明松1973年發(fā)現(xiàn)水稻育性可由光周期控制的兩用不育系農(nóng)墾58S后[4],對(duì)水稻光溫敏核不育系的研究已有近40年。根據(jù)袁隆平提出的不育系選育技術(shù)策略[1],育種學(xué)家已先后轉(zhuǎn)育成一大批光溫敏核不育系,并對(duì)其育性敏感期[5]、育性轉(zhuǎn)換指標(biāo)[6-8]、生態(tài)適應(yīng)性[9]及遺傳[10]和氣象機(jī)理[11-13]等基礎(chǔ)理論問題開展了大量的深入研究,取得了卓有成效的研究成果。袁隆平院士在總理基金的資助下,主持并在國(guó)內(nèi)率先育成了兩優(yōu)培九、培矮64S/E32等超級(jí)雜交稻苗頭組合。然而超級(jí)雜交稻制種對(duì)氣象條件的依賴性很大,存在較大的氣候風(fēng)險(xiǎn),尤其是兩系超級(jí)雜稻制種,存在的氣候風(fēng)險(xiǎn)更大[14-16]。當(dāng)前生產(chǎn)上應(yīng)用的超級(jí)雜交稻不育系的臨界不育起點(diǎn)溫度指標(biāo)大多在23.5℃左右,在制種時(shí),盛夏低溫過程可導(dǎo)致不育系雄性出現(xiàn)可育,造成雜交種子不純,影響超級(jí)雜交稻的大面積推廣。為了有效避免這一氣候風(fēng)險(xiǎn),筆者根據(jù)溫光條件對(duì)不育系雄性育性轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律,確定了超級(jí)雜交稻制種的氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo);并利用氣象臺(tái)站歷史氣象資料,采用細(xì)網(wǎng)格地理信息數(shù)據(jù),對(duì)超級(jí)雜交稻制種氣候風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算分析,為超級(jí)雜交稻制種基地布局提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料包括湖南省1961~2000年97個(gè)氣象觀測(cè)站6~9月的逐日平均氣溫資料以及湖南省1∶250000地形高程矢量數(shù)據(jù)等地理信息資料。

1.2方法一般情況下,細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)上的氣候要素值決定于該點(diǎn)的緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度和坡向等地理要素值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Y=Y(φ,λ,h,D,X)。式中,Y表示某氣候要素值,φ、λ、h、D、X分別為緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向。根據(jù)這些地理要素值,應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立氣候要素值與地理要素值之間的關(guān)系模型,確定不同時(shí)段溫度遞減率,然后根據(jù)超級(jí)雜交稻制種基地氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo),結(jié)合細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和海拔高度等地理信息數(shù)據(jù),進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算和分析。

2結(jié)果與分析

2.1超級(jí)雜交稻制種基地氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo)由于超級(jí)雜交稻制種對(duì)光、溫、水等氣象因子反應(yīng)十分敏感,加上氣候年際間存在一定的波動(dòng),給超級(jí)雜交稻制種帶來氣候風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)年進(jìn)行超級(jí)雜交稻種子生產(chǎn)的基地而言,不育系的關(guān)鍵生育期時(shí)段應(yīng)盡可能安全,出現(xiàn)不利氣候生態(tài)條件的幾率應(yīng)足夠小,尤其是育性轉(zhuǎn)換敏感期更應(yīng)如此。在進(jìn)行超級(jí)雜交稻制種時(shí),不育系的育性敏感期間如果出現(xiàn)了溫光要素值低于育性轉(zhuǎn)換臨界指標(biāo)的天氣條件,不育系的雄性就會(huì)部分恢復(fù)或全部恢復(fù)可育,出現(xiàn)所謂的“打擺子”現(xiàn)象,造成雜交稻種子純度下降,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致雜交稻制種完全失敗,生產(chǎn)的雜交稻種子不能推廣應(yīng)用到大田生產(chǎn)。為此,袁隆平認(rèn)為育性轉(zhuǎn)換的臨界起點(diǎn)溫度是實(shí)用兩系不育系的最重要、最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),制種時(shí)需要一段育性安全期,育性轉(zhuǎn)換敏感期間出現(xiàn)臨界溫光指標(biāo)以下的幾率至少應(yīng)是30年一遇,最好是百年不遇[1]。對(duì)于同一地點(diǎn),光長(zhǎng)年際間的變化幅度不大,而溫度的年際間變化可能相當(dāng)劇烈,超級(jí)雜交稻制種的氣候風(fēng)險(xiǎn)主要來自于溫度的異常[14-16]。我國(guó)當(dāng)前廣泛使用的不育系又大多是秈型溫敏不育系,如培矮64S,育性主要受控于溫度的高低,日照長(zhǎng)度只起到一定程度的補(bǔ)償作用[8,13]。

一般而言,超級(jí)雜交稻制種田不育系的盛花時(shí)間在12d以內(nèi),不育系育性轉(zhuǎn)換敏感期出現(xiàn)在始穗前10~15d,持續(xù)時(shí)間大致在20d左右。因此,不育系雄性不可育時(shí)間長(zhǎng)度為20d時(shí),可以基本滿足超級(jí)雜交稻安全制種的要求,時(shí)間長(zhǎng)度在22d以上時(shí)更好,超級(jí)雜交稻制種生產(chǎn)安排可以更加靈活,時(shí)間長(zhǎng)度在17d以下時(shí)難以滿足正常生產(chǎn)需求,因此,將最小時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為17d[14-16](表1)。

2.2細(xì)網(wǎng)格推算分析應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分別建立6~9月各月平均氣溫與觀測(cè)站點(diǎn)緯度、經(jīng)度、海拔高度等地理要素值之間的關(guān)系模型,得到湖南省6~9月平均氣溫隨海拔高度的遞減率分別為0·48、0·67、0·67、0·46℃/100m。計(jì)算宜章、汝城兩縣300~500m海拔高度超級(jí)雜交稻制種無氣候風(fēng)險(xiǎn)的育性安全時(shí)段(表3),確定氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由表3可見,隨著海拔高度的變化,超級(jí)雜交稻制種基地氣候風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布變化很大,如在300m海拔高度的宜章縣,有2個(gè)時(shí)段連續(xù)22d未出現(xiàn)連續(xù)3d日平均溫度<23.5℃的低溫,分別為7月3~24日及7月30日~8月20日,將不育系的育性敏感期安排在此2個(gè)時(shí)段內(nèi),超級(jí)雜交稻制種氣候風(fēng)險(xiǎn)為0,制種很安全。但將海拔升高到400m時(shí),只有一個(gè)時(shí)段連續(xù)13d未出現(xiàn)連續(xù)3d日平均溫度<23·5℃的低溫,氣候風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。因此,對(duì)超級(jí)雜交稻制種基地氣候風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算和分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,可以指導(dǎo)我們選擇那些氣候風(fēng)險(xiǎn)較低(甚至為零)的地方做為制種基地,從而趨利避害。

按不同溫度遞減率,在臨界溫度為23·5℃下,計(jì)算全省6~9月期間各地不同海拔高度不同時(shí)間長(zhǎng)度低溫年出現(xiàn)幾率,確定各地不同海拔高度超級(jí)雜交稻制種氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(表4)。由表4可見,隨著海拔的增高,超級(jí)雜交稻制種氣候風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。然后利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程,根據(jù)全省500m×500m網(wǎng)格點(diǎn)海拔高度進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算分析,采用GIS技術(shù),對(duì)細(xì)網(wǎng)格推算結(jié)果進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換,制作含有地理信息數(shù)據(jù)的細(xì)網(wǎng)格分布圖,從而確定具體的制種地段。筆者選用不育系育性轉(zhuǎn)換臨界溫度指標(biāo)為23·5℃為例進(jìn)行分析,結(jié)果如表5、圖1所示。當(dāng)不育系的育性轉(zhuǎn)換臨界溫度指標(biāo)為23·5℃時(shí),其無風(fēng)險(xiǎn)制種區(qū)域主要分布在祁東、祁陽(yáng)、常寧、耒陽(yáng)及陽(yáng)明山以南的道縣、寧遠(yuǎn)、新田、臨武、宜章及平江等地,面積約0.8萬(wàn)km2,占全省土地面積的4.0%;低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在湘中及湘東,面積約5.9萬(wàn)km2,占全省土地面積的27·7%;中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在湘北中部及湘西部分地方,其他地方為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

利用育性轉(zhuǎn)換臨界溫度指標(biāo)為23.5℃的不育系制種時(shí),不育系的育性敏感期一般宜作如下安排:湘東,如炎陵縣的最佳時(shí)段中值在7月20日,安全期長(zhǎng)度22d,揚(yáng)花高峰期在7月底左右。陽(yáng)明山以南,如江永、臨武、宜章等地可將不育系的育性敏感期中值安排在7月15日或8月10日前后,此種安排下安全期長(zhǎng)度有22~28d,揚(yáng)花高峰期在7月25日或8月20日左右。

3結(jié)論

(1)湖南省6~9月各月平均氣溫隨海拔高度的遞減率分別為0.48、0.67、0.67、0.46℃/100m。

(2)隨著海拔的增高,超級(jí)雜交稻制種氣候風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。因此,對(duì)超級(jí)雜交稻制種基地氣候風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算和分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

(3)不育系的育性轉(zhuǎn)換臨界溫度指標(biāo)為23.5℃時(shí),其無風(fēng)險(xiǎn)制種區(qū)域主要分布在祁東、祁陽(yáng)、常寧、耒陽(yáng)及陽(yáng)明山以南的道縣、寧遠(yuǎn)、新田、臨武、宜章等地,面積約0.8萬(wàn)km2;低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在湘中及湘東,面積約5.9萬(wàn)km2。