不同類型土壤下增溫對小麥養分吸收和分配的影響

馮 茜,苗淑杰,喬云發

(南京信息工程大學應用氣象學院,江蘇南京 210044)

根據IPCC第六次評估報告,21世紀前20年(2001-2020年)的全球地表溫度比1850-1900年高0.99 ℃[1],2100年前后地表溫度將升高 2.2～4.2 ℃[2-3]。全球氣候變暖會導致的一系列環境問題,影響人類的正常生產和生活,目前已經成為全人類共同面對的重大危機與挑戰。溫度影響作物生長發育,溫度變化會改變作物對養分等資源的利用。目前,針對氣候變暖影響作物養分吸收的研究已有一些報道,但尚未達成一致的結論[4]。作物生長發育所需的養分主要來源于土壤,因而土壤養分的供應能力直接影響作物干物質積累和養分吸收[5]。不同類型土壤的肥力水平及基礎理化性質不同[6-7]。在黃棕壤下,夜間增溫后小麥干物質積累量和產量增加[8]。在改良龜裂堿土下增溫超過1.0 ℃以上時,小麥氮磷鉀養分吸收和干物質積累量與溫度呈顯著負相關[9]。在黑鈣土和沙壤土下,增溫促進了小麥地上部干物質積累,提高了氮素吸收量[10-11]。在褐潮土下增溫導致小麥產量及干物質量顯著降低[12]。由此可見,增溫對作物干物質積累及養分吸收的影響與供試土壤類型和生境差異密切相關[13]。有關溫度升高對小麥生產的影響已有較多研究,但大多數研究集中于單一類型土壤下小麥形態指標與產量性狀的分析[14-15],而就土壤類型與溫度互作對小麥干物質積累及養分吸收的影響鮮有報道。本研究于2020年11月在南京信息工程大學農業氣象實驗站,以冬小麥品種揚麥13為研究對象,采用開放式增溫系統對小麥進行全天增溫,通過裂區試驗,分析了增溫(日平均增溫1.5 ℃)后棕壤、灰鈣土、黃土、潮土、磚紅壤和黃棕壤等6個不同類型土壤下小麥成熟期根、秸稈及籽粒干物重和氮磷鉀含量的變化,以期為小麥生產應對未來氣候變暖的策略制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站(32.16°N,118.86°E)模擬氣候變暖定位平臺進行。南京位于北亞熱帶季風氣候區,四季分明,年平均氣溫15.4 ℃,多年平均降水1 106 mm,降水主要集中在5-8月,相對濕度為76%,無霜期237 d,年日照時數達1 902 h。

1.2 試驗設計

試驗于2016年開始,在冬小麥-夏大豆周年輪作體系下,采用裂區設計,主區設置常溫對照(aT)和增溫(eT,1.5 ℃)兩個水平,副區設置棕壤、灰鈣土、黃土,潮土、磚紅壤和黃棕壤等6個土壤類型。每個處理3次重復,處理間設有5 m保護行。本研究數據來源于2021年小麥成熟期測定結果。試驗前土壤基礎肥力如表1所示。

表1 試驗前不同地區土壤理化性質

試驗采用 PVC材料無底圓柱形桶(直徑33 cm)進行框栽,其深度50 cm,裝土量35 kg。增溫裝置采用野外開放式自動增溫系統(FATI),其高度根據小麥生長發育情況隨時調節并始終保持在冠層上方40 cm處,通過165 cm×15 cm的紅外輻射加熱器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)進行全天增溫。用兩個L92-1+型溫濕度記錄儀每隔1 h記錄一次小麥冠層溫度,以全天記錄數據的平均值作為當日溫度,試驗日平均增溫1.5 ℃(圖1)。本研究供試冬小麥品種為揚麥13,于2020年11月播種,每框3穴,每穴3粒,分布均勻,苗期每框定苗3株。按照當地冬小麥常規施肥方案,每框施用尿素 0.35 g、磷酸氫二銨3.50 g和硫酸鉀1.00 g。

圖1 小麥生育期內冠層日均溫的變化特征

1.3 測定項目與方法

成熟期采集植物樣品,用蒸餾水沖洗干凈后,分為根、秸稈、籽粒三個部分放置于烘箱中, 105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重。各部分干樣測定干物質質量后粉碎,用于氮磷鉀含量測定。全含量氮采用半微量凱氏定氮法測定,全磷含量采用鉬銻抗比色法測定,全鉀含量采用火焰分光光度法測定。

1.4 數據分析

用Excel 2019對數據進行整理,運用JMP10.0軟件進行雙因素方差分析,并比較不同處理間的差異顯著性。用Origin 2021軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 增溫對小麥生物量的影響

增溫對小麥生物量的影響因土壤類型而不同(圖2)。在棕壤和灰鈣土下增溫后小麥總生物量(秸稈+根+籽粒)較常溫對照分別增加了 46.3%和37.2%,而黃土下降低了17.6%,其他三種類型土壤下小麥總生物量對增溫反應不明顯。從生物量組成來看,棕壤下增溫后小麥根、秸稈和籽粒生物量分別增加了58.0%、45.7%和 42.6%;灰鈣土下增溫僅增加了秸稈和籽粒生物量,對根生物量幾乎沒有影響;而黃土下小麥根生物量收到增溫的抑制,增溫處理比常溫處理降低了 43.6%;潮土下增溫降低了小麥秸稈生物量;而磚紅壤下增溫后小麥的籽粒生物量有所增加。這說明,增溫對小麥干物質生產有一定的影響,但影響程度、植株部位因土壤類型而異。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理間差異在0.05水平上顯著。下圖同。

2.2 增溫對小麥氮含量的影響

增溫對小麥植株(秸稈+根+籽粒)氮素含量有一定的負效應,表現為在棕壤、灰鈣土、潮土和黃棕壤下增溫處理的小麥植株氮含量較常溫對照分別降低了14.6%、13.5%、22.7%和10.9%,而黃土和磚紅壤上的小麥含氮量未受到顯著影響(圖3)。在潮土下增溫后小麥根系含氮量較常溫對照降低了45.6%,在其他類型土壤下均無顯著變化,說明增溫對根系氮素含量總體上影響不大。此外,與常溫對照相比,增溫后小麥籽粒氮含量在灰鈣土下降低12.0%,在其他類型土壤下均未發生顯著變化。由此可見,增溫后小麥植株氮含量的降低主要是因為根系吸收的氮向秸稈的運輸被抑制,進而導致秸稈氮含量顯著降低(磚紅壤除外)。

圖3 增溫對不同土壤類型下小麥氮含量的影響

2.3 增溫對小麥磷含量的影響

增溫對小麥植株磷含量有所抑制,在棕壤、黃土、潮土和黃棕壤下增溫后小麥植株磷含量較常溫對照分別降低了29.5%、26.4%、27.1%和 20.0%,而灰鈣土和磚紅壤下小麥磷含量變化不顯著(圖4)。在棕壤和黃土下增溫后小麥根系磷含量較常溫對照分別降低了25.1%和39.4%,其他類型土壤下未表現出顯著變化。棕壤、黃土、潮土和黃棕壤下增溫導致小麥秸稈磷含量均顯著降低,降幅分別為45.9%、33.3%、27.5%和 23.8%。此外,小麥籽粒磷含量在兩種溫度間無顯著差異。增溫后小麥植株磷含量的降低可能是因為增溫減弱了根對磷素的吸收以及所吸收的磷素向秸稈的分配。

圖4 增溫對生長在不同土壤類型上小麥磷含量的影響

2.4 增溫對小麥鉀含量的影響

增溫后小麥植株鉀含量在棕壤、潮土和磚紅壤下較常溫對照分別降低了28.0%、18.9%和18.5%,而在黃土下增加了16.5%,在灰鈣土和黃棕壤下變化不明顯(圖5)。增溫處理的小麥秸稈鉀含量在黃土下較常溫處理增加了78.6%,而在磚紅壤和潮土下分別降低了37.2%和29.2%,而根部鉀含量未有顯著變化。增溫使小麥籽粒鉀含量在棕壤和潮土下分別降低了37.8%和 21.2%。這說明增溫主要是通過影響根部鉀向秸稈和籽粒的分配來影響整體的小麥鉀含量。

圖5 增溫對不同土壤類型下小麥鉀含量的影響

2.5 增溫對小麥養分總積累量的影響

增溫對小麥氮、磷、鉀總積累量的影響因土壤類型而異(圖6)。在黃土和潮土下小麥氮、磷、鉀積累量顯著受增溫的影響。與常溫對照相比,增溫后小麥氮、磷積累量在黃土下分別降低了 21.6%和39.6%,鉀積累量雖有降低趨勢,但未表現出顯著變化;潮土下增溫使小麥內氮、磷、鉀積累量分別降低了31.3%、34.8%和27.9%。這說明小麥氮、磷、鉀積累在潮土下對溫度反應最敏感,在其他類型土壤下受溫度影響較小。

圖6 增溫對在不同土壤類型下小麥養分總累積量的影響

3 討 論

3.1 增溫對小麥氮磷鉀吸收和分配的影響

增溫直接或間接影響作物對養分的吸收,進而影響產量的形成[16]。增溫對作物養分含量的影響還沒有定論:一方面認為,增溫促進了土壤養分的礦化速率,有利于植物吸收,從而增加了作物地上部養分含量[17];另一方面認為,增溫對氮素礦化的促進作用持續時間較短,隨著時間的推移,升溫導致作物葉片氮含量顯著下降[18]。本研究發現,在增溫條件下,小麥植株生物量較常溫對照增加了9.9%,植株氮磷鉀含量較常溫對照分別降低了 10.6%、17.7%和12.1%。這說明增溫在促進小麥干物質積累的同時對養分產生了稀釋效應[9]。張立極等的研究結果顯示,溫度升高2 ℃后,水稻葉片和穗的氮含量較常溫均增加[19]。Wang等研究認為,溫度升高使作物氮磷鉀含量提高,引起干物質量及產量減少[20]。試驗結果的不同可能是由于增溫幅度、作物種類及氣候區環境差異所造成的。本研究中增溫使小麥秸稈和籽粒的氮磷鉀含量較常溫對照均降低,說明小麥養分含量減少主要是由于增溫使根部向秸稈和籽粒分配的養分減少引起的[21]。這可能是因為增溫提前了小麥物候期,縮短了生育期,減少了小麥從土壤中吸收養分的時間以及養分從秸稈轉運到籽粒的時間。有研究表明,增溫后小麥整個生育期縮短4～6 d[22],而小麥抽穗至開花以后,隨著生殖器官的不斷發育,各營養器官運轉養分增加[23],生育期縮短會影響作物營養元素輸送。這些結果支撐了我們的猜測。

3.2 土壤類型對小麥氮磷鉀吸收和分配的影響

在增溫條件下作物對養分的吸收規律在不同土壤下各不相同[24]。本研究表明,在棕壤下小麥生物量、氮素積累量在增溫條件下較常溫對照均顯著增加,但秸稈氮含量較常溫對照顯著下降,說明氮素總積累量的增加是由干物質量所貢獻的。這與地上部氮、磷、鉀累積吸收量與其干物質累積量之間呈顯著正相關這一研究結論一致[25]。然而,增溫使黃土下小麥干物質量,磷鉀含量較常溫對照顯著降低,氮磷素總積累量的降低以秸稈養分降低為主。這可能是因為黃土有機質含量少,基礎肥力弱,供肥能力較差,同時土壤含水量較低,在增溫條件下植物蒸騰速率加快,土壤水分供應不足而導致植株生長發育受到抑制[26]。有研究認為,土壤有機碳累積礦化量和礦化速率均隨培養溫度的升高而增加[27]。本研究中,增溫對潮土下小麥的氮磷鉀含量及積累量產生負效應,這可能是因為潮土較為貧瘠,且堿性強,保水保肥能力差,在增溫環境下加劇了水分和肥料的損失,不利于作物對養分的吸收利用。增溫促進了磚紅壤下小麥生物量及氮磷含量,且以增加秸稈氮磷含量為主。磚紅壤來自我國的海南省,當地氣溫較高,土壤微生物長期處于高溫環境下,通過把土壤空間移位到江蘇,常溫不是微生物群落的最適溫度條件,不利于土壤有機質礦化,而增溫有利于其土壤養分的轉化與釋放[28]。有研究發現,夜間增溫后黃棕壤下大豆全生育期內植株干物質量、產量及其構成因素減少,分枝期和開花期的氮磷鉀積累量均下降[29]。這與本研究中生長在黃棕壤上的小麥各養分累積量趨勢相一致。黃棕壤來自江蘇省,與該試驗地氣候條件一致,生物群落在長期的環境適應中較為穩定,不受外界干擾,溫度升高會改變其原有生境,減弱土壤養分釋放能力。

4 結 論

晝夜增溫影響小麥根系對氮磷鉀的吸收,進而調控氮磷鉀向秸稈和籽粒的運移,最終影響不同類型土壤下小麥干物質的積累。增溫在棕壤和灰鈣土下提高了小麥生物量,在黃土下降低了小麥生物量,而對潮土、磚紅壤和黃棕壤下小麥生物量沒有顯著影響。增溫后在黃土下小麥生物量的降低是氮磷養分限制的結果,而潮土下歸因于小麥養分吸收能力降低,表現出對植株內養分的稀釋效應。因此,增溫和土壤類型對小麥養分吸收和產量形成具有交互效應。