增溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響因土壤類型而不同

趙紅飛，潘仕球，喬云發(fā)，高雅曉玲，苗淑杰

（應(yīng)用氣象學(xué)院，南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

0 引言

IPCC指出，全球年均氣溫增加趨勢(shì)明顯，預(yù)測到2100年前后中國大陸平均氣溫將升高2℃[1-2]。溫度的逐漸增加勢(shì)必會(huì)影響小麥生長和產(chǎn)量，進(jìn)而影響中國糧食安全[3]。盡管已經(jīng)對(duì)增溫條件下小麥產(chǎn)量變化作了大量研究，但是增溫對(duì)小麥產(chǎn)量的影響一直存有爭議。譚凱炎等[4]發(fā)現(xiàn)，偏冷年份增溫會(huì)導(dǎo)致生長在河北地區(qū)典型褐土上的冬小麥增產(chǎn)，而偏暖年份增溫會(huì)導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)。王鶴齡等[5]發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)導(dǎo)致生長在蘭州黃綿土上的春小麥產(chǎn)量下降。田云錄等[6]發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)導(dǎo)致生長在南京地區(qū)棕壤土上的冬小麥增產(chǎn)。李娜等[7]發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)導(dǎo)致生長在寧夏地區(qū)白疆土上的春小麥減產(chǎn)。前人研究所獲得的不一致的結(jié)果可能是由于小麥品種、氣候條件和土壤類型的差異所導(dǎo)致的。其中，土壤類型是影響小麥產(chǎn)量對(duì)增溫響應(yīng)的一個(gè)重要因素[8]。姬景紅等[9]研究發(fā)現(xiàn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收、利用和積累會(huì)因不同地區(qū)的土壤和氣候存在差異。車京玉等[10]的研究發(fā)現(xiàn)春小麥產(chǎn)量在不同類型土壤的表現(xiàn)為沙壤質(zhì)黑土＞淋溶黑鈣土＞草甸黑鈣土。郭丹丹等[11]發(fā)現(xiàn)黑土條件下春小麥株高、穗長、千粒重和籽粒產(chǎn)量均優(yōu)于潮土條件下的小麥。Ludwig[12]發(fā)現(xiàn)與西澳大利亞的黏土相比，酸性沙壤土上的小麥生產(chǎn)更容易受到氣候變暖的影響。Chami[13]發(fā)現(xiàn)與英格蘭東部的沙壤土相比，增溫可能對(duì)粉質(zhì)粘土壤土上的小麥產(chǎn)生更大的負(fù)面影響。這些研究結(jié)果表明在理化性質(zhì)不同的土壤類型中，小麥對(duì)增溫的響應(yīng)存在著差異[14]。

本研究的目的是揭示生長在不同類型土壤上的小麥對(duì)增溫的響應(yīng)。因?yàn)椴煌愋偷耐寥婪植荚诓煌臍夂騾^(qū)，為了剔除氣候條件的差異，筆者采取了空間移位的辦法[15]。將黑土、棕壤、風(fēng)沙土、潮土、紅壤和磚紅壤移到南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，利用開放式增溫系統(tǒng)進(jìn)行24 h全生育期增溫。調(diào)查小麥產(chǎn)量的變化，分析影響產(chǎn)量變化的因素，進(jìn)而揭示不同土壤類型條件下增溫的效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.16°N,118.86°E)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫為15.4℃。年平均降水為1106 mm，降水主要集中在5—8月。年平均相對(duì)濕度為76%，無霜期237天。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試小麥品種為‘濟(jì)麥22’，適宜播種溫度為14～16℃。

供試土壤為黑龍江黑土、遼寧棕壤、內(nèi)蒙古風(fēng)沙土、河南潮土、江西紅壤和海南磚紅壤。

試驗(yàn)采用農(nóng)田開放式增溫系統(tǒng)(FATI)，該裝置包括遠(yuǎn)紅外加熱和溫度監(jiān)測兩部分。遠(yuǎn)紅外加熱部分由165 cm×15 cm的紅外輻射加熱器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)構(gòu)成。溫度監(jiān)測部分由兩個(gè)L92-1+型溫濕度記錄儀組成。增溫裝置架設(shè)在小麥上方40 cm，溫度探頭始終保持在遠(yuǎn)紅外輻射加熱器下方的小麥冠層中，隨著小麥的生長調(diào)節(jié)增溫裝置與冠層之間的距離。增溫裝置和溫度探頭之間保持40 cm的距離，以保證適當(dāng)?shù)脑鰷胤取男←湷雒缰脸墒欤捎?4 h不間斷增溫模式。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組框栽設(shè)計(jì)，框栽材料為PVC，規(guī)格為直徑33 cm，深度50 cm，裝土量35 kg，調(diào)整土壤容重與當(dāng)?shù)靥镩g保持一致。框栽頂部高出地面5 cm，以防止土壤之間交叉污染。基肥用量為尿素(N:46%)每框1.00 g(117 kg/hm2)，磷酸氫二銨(N:18%,P2O5:46%)每框 3.50 g(409 kg/hm2)，硫酸鉀(K2O:51%)每框1.00 g(117 kg/hm2)，無追肥。試驗(yàn)包含3個(gè)區(qū)組（即3個(gè)重復(fù)），每組設(shè)置對(duì)照(CK)和增溫(eT)處理。在增溫處理中，整個(gè)生長季日平均增溫2℃。框栽試驗(yàn)于2018年10月27日進(jìn)行播種，每框3穴，每穴3粒種子，出苗后每穴，盡量保留長勢(shì)相近的植株一株，2019年5月18日收獲。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

（1）株高：在收獲時(shí)測量主莖的高度。

（2）生物量測定：收獲時(shí)，將每株小麥的葉片、葉鞘和莖干分開。用蒸餾水沖洗3遍，蒸餾水潤洗一遍。放入烘箱105℃殺青1 h，然后在80℃下烘至恒重，稱重。

（3）考種：小麥成熟后，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用WPS 2019和OriginPro 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，本研究中數(shù)據(jù)均顯示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)。雙因素方差分析(Two-way ANOVA)和LSD多重比較法分析各處理間差異。

2 結(jié)果

2.1 增溫對(duì)生長在不同類型土壤上冬小麥株高的影響

增溫有利于小麥植株長高（圖1）。增溫(eT)處理小麥的平均株高比對(duì)照(CK)增加了11.5%(P＜0.05)。eT對(duì)小麥株高的影響會(huì)因土壤類型的不同而變化。在eT條件下，生長在黑土、棕壤、風(fēng)沙土、潮土、紅壤和磚紅壤的小麥株高比CK分別增加11.3%、11.6%、9.1%、13.8%、13.7%和9.2%。其中增溫對(duì)小麥株高影響最小的發(fā)生在風(fēng)沙土上，而影響最大的發(fā)生在潮土上。

2.2 增溫對(duì)生長在不同類型土壤上冬小麥地上干重的影響

圖1 增溫對(duì)小麥株高的影響

圖2 增溫對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累的影響

增溫有利于莖、葉片和穗干物質(zhì)積累（圖2）。eT處理小麥的地上部平均干重比CK增加了17.7%，而eT處理的莖、葉片和穗的平均干重比CK分別增加25.2%、23.8%和17.6%(P＜0.05)。eT對(duì)小麥地上干重的影響因土壤類型而不同。eT顯著增加了生長在風(fēng)沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重，而生長在棕壤和磚紅壤上的小麥地上干重?zé)o明顯變化。eT對(duì)風(fēng)沙土、潮土和紅壤上生長的小麥地上干重的影響因子不同。對(duì)風(fēng)沙土和紅壤上生長的小麥來說，eT處理顯著增加了小麥穗干重。而對(duì)潮土上生長的小麥而言，eT處理顯著增加了小麥莖干重。eT對(duì)生長在黑土上小麥生物量的累積表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。eT條件下，生長在黑土上的小麥干重比CK下降了11.0%，其穗干重比CK下降了27.7%，而其莖干重和葉片干重比CK分別增長了10.0%和6.9%。這表明生長在黑土上的小麥地上干重的減少主要是由于穗部干重的降低引起的。

2.3 增溫對(duì)生長在不同類型土壤上冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

增溫有利于小麥穗粒數(shù)和產(chǎn)量的增加（表1）。eT處理下小麥平均穗粒數(shù)和平均產(chǎn)量比CK分別增加12.3%和12.8%，而小麥的平均有效穗數(shù)和平均千粒重與CK相比無明顯差異(P＜0.05)。eT對(duì)小麥的產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響因土壤類型而不同。在eT條件下，生長在潮土和磚紅壤上的小麥穗粒數(shù)比CK分別增加24.3%和19.5%。在eT條件下，生長在風(fēng)沙土和紅壤上的小麥產(chǎn)量比CK分別顯著增加44.7%和43.2%，而eT對(duì)生長在其他土壤類型上的小麥產(chǎn)量無顯著影響。eT條件下黑土的小麥產(chǎn)量比CK顯著減少33.3%，造成黑土的小麥產(chǎn)量下降的原因可能是因?yàn)橛行霐?shù)和千粒重的減少。在eT條件下，生長在黑土的小麥有效穗數(shù)和千粒重分別下降了17.0%和20.1%。

3 討論

3.1 冬小麥株高受增溫和土壤類型的調(diào)控

株高是衡量作物生長速度的標(biāo)志之一[16]。本研究表明，增溫會(huì)顯著提高小麥的株高。這與田云錄等[6]的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)樵鰷販p少了小麥的無效分蘗。但該結(jié)果與張凱[17]等研究認(rèn)為增溫會(huì)導(dǎo)致干旱區(qū)春小麥株高產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)有所差異，這可能是由于小麥品種和地域之間的差異造成。

增溫對(duì)小麥株高的影響因土壤類型而不同。增溫對(duì)小麥株高影響最小的發(fā)生在風(fēng)沙土上。這與郭丹丹等[11]的結(jié)果相類似，主要是因?yàn)橥寥婪柿^高的土壤更有利于小麥的生長，而風(fēng)沙土土壤肥力較低，難以滿足增溫后小麥生長對(duì)養(yǎng)分的需求。而影響最大的發(fā)生在潮土上，說明增溫對(duì)生長在潮土上的小麥株高具有較好的促進(jìn)效應(yīng)。這可能是因?yàn)槌蓖翆?duì)氣候變化比較敏感，氣溫上升有利于提高微生物活性，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解，為小麥生長提供更多的養(yǎng)分[18]。

3.2 小麥地上干物質(zhì)積累對(duì)增溫和土壤類型的適應(yīng)

增溫有利于冬小麥莖、葉片和穗的干物質(zhì)積累，從而貢獻(xiàn)于其地上干物重的增加。這與前人的研究結(jié)果認(rèn)為增溫會(huì)加快植物的生長速率，以致干物質(zhì)得到有效累積，生物量增加[19]的結(jié)果相一致。孔瑞等[20]也曾提出，增溫可增加豆麥作物地上生物量和總生物量。這些研究結(jié)果表明，可能是增溫在一定程度上延長了活躍生長期（沒有越冬的生長期），促進(jìn)了小麥地上部生長和干物質(zhì)積累[21]。

各類型土壤上生長的冬小麥地上干重對(duì)增溫的響應(yīng)不同。增溫顯著增加了生長在風(fēng)沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重，而生長在棕壤和磚紅壤上的小麥地上干重?zé)o明顯變化，卻抑制了生長在黑土上小麥生物量的累積。這些結(jié)果表明，增溫對(duì)冬小麥地上干物質(zhì)的積累的正負(fù)效應(yīng)與土壤類型密切相關(guān)。尤其是對(duì)生長在黑土上的小麥地上干重的負(fù)效應(yīng)主要來源于穗部干重的降低，該結(jié)果與楊衛(wèi)君[22]等的結(jié)果類似，出現(xiàn)這些結(jié)果的可能原因是增溫促進(jìn)了小麥干物質(zhì)向營養(yǎng)器官的分配，而使光合產(chǎn)物向收獲器官的輸送受到抑制的結(jié)果。雖然本研究證實(shí)了增溫對(duì)冬小麥地上干物質(zhì)積累的影響因土壤類型而不同，但是針對(duì)生長在各土壤區(qū)域的冬小麥不同生育期之間的干物質(zhì)積累的情況尚未探明，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的田間試驗(yàn)。

表1 增溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3.3 小麥產(chǎn)量對(duì)增溫的響應(yīng)因土壤類型而不同

溫度是植物生長發(fā)育的重要?dú)庀笠蜃樱瑴囟鹊纳邥?huì)使作物產(chǎn)量發(fā)生變化[23]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，增溫明顯提高了各處理小麥產(chǎn)量，這與Qian等[26]和zhao等[27]的結(jié)果相類似。主要是因?yàn)樵鰷卦黾恿诵←溨旮撸嵘斯趯拥耐腹饴剩欣诠夂献饔玫倪M(jìn)行和光合產(chǎn)物的積累，從而促進(jìn)小麥增產(chǎn)[6]。然而，高美玲[24]等利用整合分析量化了田間不同增溫幅度及不同時(shí)段增溫對(duì)中國小麥產(chǎn)量及生育期的影響程度，發(fā)現(xiàn)全天增溫對(duì)中國小麥產(chǎn)量無明顯影響。卞曉波等[25]研究發(fā)現(xiàn)花后全天增溫處理會(huì)顯著降低小麥產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重。譚凱炎等[4]發(fā)現(xiàn)在不同氣候背景下增溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響不同，在偏暖年份增溫會(huì)導(dǎo)致冬小麥穗粒數(shù)增加、千粒重下降；而偏冷年份增溫會(huì)增加冬小麥的有效穗數(shù)。在本研究條件下，增溫引起小麥穗粒數(shù)的增加，而對(duì)千粒重和有效穗數(shù)無明顯影響。高麗莉等[28]和田云錄等[6]均發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)增加冬小麥穗粒數(shù)和千粒重。這是因?yàn)樵谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)，株高與小麥的產(chǎn)量和穗粒數(shù)之間呈極顯著正相關(guān)[21]。然而與石嬌嬌等[29]和楊衛(wèi)君等[22]認(rèn)為增溫對(duì)小麥穗粒數(shù)和千粒重?zé)o明顯影響的結(jié)果不同。這些不同的研究結(jié)果表明，在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，增溫對(duì)小麥產(chǎn)量的影響會(huì)因?yàn)樵鰷胤取⒃鰷貢r(shí)期、環(huán)境條件和小麥品系的不同而產(chǎn)生差異。

冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子對(duì)增溫的響應(yīng)因土壤類型而不同。增溫顯著增加了生長在風(fēng)沙土和紅壤上的小麥產(chǎn)量，而對(duì)生長在其他土壤類型上的小麥產(chǎn)量無顯著影響。這與高濤等[30]的研究結(jié)果不同，其研究發(fā)現(xiàn)，增溫會(huì)導(dǎo)致風(fēng)沙土上生長的小麥產(chǎn)量下降。引起這種差異可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，水熱條件較好，增溫有利于風(fēng)沙土生產(chǎn)能力提升。增溫條件下生長在黑土上的小麥產(chǎn)量顯著降低，造成黑土上小麥產(chǎn)量下降的原因是有效穗數(shù)和千粒重的減少。這可能是因?yàn)樵鰷亟档土撕谕恋南趸饔肹15]，從而導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮含量相對(duì)降低。而冬小麥?zhǔn)堑湫偷南蚕踝魑铮寥乐邢鯌B(tài)氮含量下降引起冬小麥產(chǎn)量降低。雖然生長在不同類型土壤上的小麥產(chǎn)量對(duì)增溫的響應(yīng)存在明顯差異，然而本研究僅僅為1年試驗(yàn)的結(jié)果，不能給出大田生產(chǎn)的可靠證據(jù)，本試驗(yàn)結(jié)果有待于進(jìn)一步的長期和田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

增溫促使冬小麥株高、地上干重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量分別增加了11.5%、17.7%、12.3%和12.8%，這表明增溫所致的穗粒數(shù)增加是冬小麥產(chǎn)量增加的主要因素。增溫增加了生長在風(fēng)沙土、紅壤、潮土、黑土、磚紅壤和棕壤上小麥株高，其中生長在潮土上的小麥株高增幅最大，生長在風(fēng)沙土上的小麥株高增幅最小。然而，因?yàn)樯L在不同類型土壤上的冬小麥對(duì)增溫的適應(yīng)能力不同，小麥產(chǎn)量對(duì)增溫的響應(yīng)趨勢(shì)出現(xiàn)明顯差異。增溫提高了生長在風(fēng)沙土、紅壤上的小麥產(chǎn)量，卻降低了黑土上的小麥產(chǎn)量。雖然本研究結(jié)果證實(shí)了生長在不同類型土壤上的冬小麥產(chǎn)量對(duì)增溫的響應(yīng)存在明顯差異，但是僅為1年試驗(yàn)結(jié)果，不能給出大田生產(chǎn)的可靠依據(jù)，研究結(jié)果有待進(jìn)一步長期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。