田思勰等

摘要：采用被動(dòng)式夜間增溫系統(tǒng)，設(shè)置4個(gè)處理：增溫（W）、免耕（NT）、增溫+免耕（WNT）及常溫+翻耕（CK），研究夜間增溫及免耕對(duì)小麥生物量、籽粒產(chǎn)量構(gòu)成及營(yíng)養(yǎng)元素（N、P）吸收利用的影響。結(jié)果表明：夜間增溫（W、WNT處理）促進(jìn)了小麥葉片生長(zhǎng)，葉面積增加，同時(shí)地上生物量也顯著提高，而籽粒產(chǎn)量卻降低，顯著低于對(duì)照。夜間增溫（W、WNT處理）顯著提高了小麥抽穗期至開花期植株的葉面積，而在灌漿中后期葉片SPAD值卻迅速降低，顯著低于對(duì)照。夜間增溫（W、WNT處理）處理下，小麥氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著增加，但是轉(zhuǎn)運(yùn)率無(wú)明顯差異。免耕處理（NT）對(duì)小麥株高、葉面積、生物量無(wú)明顯影響，對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成也無(wú)顯著影響。

關(guān)鍵詞：夜間增溫；免耕；氮轉(zhuǎn)運(yùn)；磷積累

中圖分類號(hào)： S512.1+10.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0111-04

氣候變暖是全球氣候變化的主要特征之一，溫室氣體排放加快了全球變暖趨勢(shì)。與工業(yè)革命前相比，全球地表平均氣溫已經(jīng)升高0.4～0.8 ℃[1]。2100年，全球地表溫度可能再升高1.4～5.8 ℃。全球變暖存在明顯的時(shí)空差異，即北半球夜間最低氣溫增幅明顯高于白天最高氣溫增幅，冬春季增溫大于夏秋季，北方寒帶增溫幅度大于南方溫?zé)釒?。我?guó)氣候變暖特征與全球基本一致，冬春季增溫顯著，夏季增溫最弱，且高于全球同期平均增溫幅度，預(yù)計(jì)到2050年再升溫12～2.0 ℃，2100年增幅將達(dá)到2.2～4.2 ℃[2-3]。溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必要?dú)庀笠刂?，夜間溫度升高極可能對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量產(chǎn)生潛在影響。已有研究報(bào)道，夜間氣溫升高（日較差減少）導(dǎo)致玉米、水稻產(chǎn)量增加[4]。田云錄等也發(fā)現(xiàn)，夜間增溫處理下冬小麥單位面積產(chǎn)量提高了18%[5]。Sandvik等研究表明，溫度升高能促進(jìn)植物生長(zhǎng)[6]。Kudo等認(rèn)為，夜間增溫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響并不顯著[7]。夜間增溫對(duì)不同地區(qū)植物生長(zhǎng)影響各異，探明其內(nèi)在機(jī)制對(duì)分析氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響具有重要意義。 免耕是保護(hù)性耕作方式之一，可以減少生產(chǎn)中勞動(dòng)力、機(jī)械投入，提高產(chǎn)投比。研究表明，免耕播種可減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤水分含量[8]。也有學(xué)者認(rèn)為，免耕種植與傳統(tǒng)耕作相比，作物產(chǎn)量差異不顯著[9]。探討免耕對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響，對(duì)制定耕作措施意義重大。有關(guān)夜間增溫對(duì)我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)影響的研究已有一些報(bào)道，將夜間增溫與耕作措施結(jié)合起來(lái)探索未來(lái)氣候變暖背景下農(nóng)作物對(duì)保護(hù)性耕作措施的響應(yīng)研究尚未見報(bào)道。小麥?zhǔn)俏覈?guó)最重要的糧食作物之一，本研究以冬小麥為研究對(duì)象，采用增溫與免耕相結(jié)合的方法，分析夜間增溫及免耕對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素（穗數(shù)、單株粒數(shù)、千粒質(zhì)量等）和生長(zhǎng)發(fā)育過程中營(yíng)養(yǎng)元素（氮、磷）吸收利用的影響，揭示夜間增溫及免耕對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的機(jī)制，旨在為研究氣候變化、耕作方式對(duì)我國(guó)小麥生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

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。該試驗(yàn)站屬于亞熱帶溫潤(rùn)氣候，年平均溫度為15.6 ℃，年平均降水量為1 100 mm，年平均日照時(shí)數(shù)超過1 900 h。供試土壤耕層質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。種植小麥前采集0～20 cm的土層土壤進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析，土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小麥品種為慶豐188，為當(dāng)?shù)貜V泛栽種品種。按照

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培技術(shù)規(guī)程種植。種前施用135 kg/hm2尿素、50 kg/hm2 過磷酸鈣、50 kg/hm2氯化鉀作為底肥。2012年10月31日播種小麥，采用條播方式，種植密度為 300 kg/hm2。小麥生育期雨量充沛，達(dá)到作物用水需求，故本試驗(yàn)未進(jìn)行人工灌溉補(bǔ)水。參照田云錄等的被動(dòng)式夜間增溫方法[10]進(jìn)行增溫，即采用紅外線反射膜將地面發(fā)射出的長(zhǎng)波輻射反射回地面，從而減少熱量損失，以提高農(nóng)作物冠層及地表的夜間溫度。采用鋁箔玻纖布作為增溫材料，用鐵支架支撐鋁箔玻纖布，在整個(gè)生育期內(nèi)使其與小麥冠層始終保持 20 cm。設(shè)4個(gè)處理：常溫+翻耕（CK）、夜間增溫+翻耕（W）、常溫+免耕（NT）、夜間增溫+免耕（WNT）。每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行排列。每個(gè)小區(qū)面積為3 m×4 m，其中有效增溫面積為2 m×3 m。冬小麥整個(gè)生育期（播種至收獲期）每天下午19：00覆蓋反光膜進(jìn)行增溫處理，次日06：00揭開反光膜。為了消除增溫系統(tǒng)的遮光干擾，常溫處理小區(qū)也安裝增溫系統(tǒng)支架，但無(wú)反光膜。為保持降水量的一致性，雨雪天氣不覆蓋反光膜進(jìn)行增溫處理，大風(fēng)天氣也不覆蓋以避免增溫設(shè)施被破壞。使用ZDR-41型溫度數(shù)據(jù)記錄儀（杭州澤大儀器有限公司），在田間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5 cm土層溫度。本試驗(yàn)采用的增溫系統(tǒng)可使該層地溫的季節(jié)平均夜溫升高1.2 ℃。

1.3植株生理特性分析

分別在小麥各個(gè)關(guān)鍵生育期進(jìn)行采樣，測(cè)定株高、頂葉SPAD值、總?cè)~面積。將每株植物分成莖、葉、穗、籽粒，分別殺青后70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定植株各部位的干質(zhì)量。每個(gè)小區(qū)預(yù)留1 m×1 m測(cè)產(chǎn)區(qū)，用于成熟期收獲后，測(cè)定籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子等。

葉面積=葉片長(zhǎng)×葉片寬×0.83。

烘干部分植物樣品，粉碎后測(cè)定植物各器官的氮、磷含量。采用半微量凱氏法測(cè)定植物全氮含量。采用鉬黃比色法測(cè)定植物全磷含量。植物氮（磷）累積量為各器官氮（磷）素含量與其干物質(zhì)量乘積之和。

在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，植物從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素累積到營(yíng)養(yǎng)器官中，之后這些營(yíng)養(yǎng)元素向生殖器官（主要是籽粒）運(yùn)轉(zhuǎn)。植株?duì)I養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運(yùn)量指植株生殖生長(zhǎng)階段，從植株?duì)I養(yǎng)器官中轉(zhuǎn)移出的元素總量。植株?duì)I養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運(yùn)量、營(yíng)養(yǎng)器官氮（磷）素轉(zhuǎn)運(yùn)率計(jì)算公式如下：

植株?duì)I養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期植株地上部各營(yíng)養(yǎng)器官中氮（磷）積累總量-成熟期植株地上部各營(yíng)養(yǎng)器官中氮（磷）積累總量；

營(yíng)養(yǎng)器官氮（磷）素轉(zhuǎn)運(yùn)率=開花期氮（磷）素的轉(zhuǎn)運(yùn)量/營(yíng)養(yǎng)器官中元素累積總量×100%。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)，用SPSS 11.5 軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析和多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1增溫及免耕對(duì)小麥生物量的影響

由圖1可以看出，與對(duì)照區(qū)（CK）相比，夜間增溫處理（W）下植株生物量顯著增加。孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期植株生物量分別比對(duì)照增加18%、6%、11%、9%、11%。免耕處理（NT）與對(duì)照區(qū)（CK）相比，植株生物量在整個(gè)生育期下降2%～6%，差異不顯著。增溫疊加免耕處理（WNT）下，整個(gè)生育期植株生物量與對(duì)照相比增加了7%～24%，顯著高于對(duì)照?？梢姡归g增溫促進(jìn)了小麥生物量的累積，免耕則對(duì)小麥生物量無(wú)明顯影響，兩者疊加處理對(duì)小麥整個(gè)生育期的生物量表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。

2.2增溫及免耕對(duì)小麥葉面積、SPAD值的影響

由圖2可以看出，與對(duì)照區(qū)（CK）相比，夜間增溫處理（W）在抽穗期、開花期顯著提高了植株葉面積，增加了2%～7%。免耕處理（NT）下植株葉面積在整個(gè)生育期均未受到明顯影響。增溫疊加免耕處理（WNT）下單株葉面積在抽穗期、開花期顯著高于對(duì)照區(qū)（CK）?？梢?，夜間增溫處理（W）與增溫疊加免耕處理（WNT）均促進(jìn)了植株葉片生長(zhǎng)，免耕處理（NT）則對(duì)植株葉片生長(zhǎng)無(wú)明顯影響，這與植株的干質(zhì)量結(jié)果一致，說明不同處理間葉片生長(zhǎng)差異是導(dǎo)致植株干質(zhì)量產(chǎn)生顯著差異的重要原因之一。

植物葉片SPAD值與葉綠素含量有很強(qiáng)的相關(guān)性。由圖3可以看出，與對(duì)照組（CK）相比，增溫處理（W）下，開花后0～9 d內(nèi)葉片SPAD值均有所增加，比對(duì)照提高6%～7%，花后9～15 d SPAD值下降，比對(duì)照降低1%～15%，說明在作物灌漿初期，增溫能夠促進(jìn)旗葉葉綠素含量增加，在灌漿中期增溫促進(jìn)旗葉衰老，導(dǎo)致葉片SPAD值迅速降低。免耕處理（NT）與對(duì)照CK 相比，SPAD值增加幅度較小，對(duì)小麥旗葉SPAD值影響不大。增溫疊加免耕（WNT）處理下，小麥生長(zhǎng)前期SPAD值有所提高，比對(duì)照提高6%～8%；花后9～15 d顯著降低，降幅約70%；花后15～21 d，旗葉SPAD值均低于對(duì)照區(qū)（CK）和免耕處理（NT），差異不顯著?？梢?，小麥旗葉SPAD值在灌漿前期相對(duì)較穩(wěn)定，中期則迅速下降，增溫處理（W）與增溫疊加免耕（WNT）處理均提高了灌漿初期旗葉SPAD值，對(duì)小麥籽粒生長(zhǎng)具有重要意義。

2.3增溫、免耕對(duì)小麥氮、磷吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由圖4可知，小麥植株地上部氮素累積總量隨小麥生育期的推進(jìn)而增加。與對(duì)照組（CK）相比，增溫（W）處理下小麥氮素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個(gè)時(shí)期分別上升了2%、4%、9%、17%、14%、8%，由此看出，增溫處理對(duì)小麥氮素累積起促進(jìn)作用。免耕處理（NT）下，與對(duì)照相比，小麥氮素累積量減少了2%～6%，差異不顯著。增溫疊加免耕處理（WNT）下，與對(duì)照相比，小麥氮素累積量明顯提高，在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個(gè)時(shí)期分別升高11%、7%、12%、12%、12%、13%。由此可知，增溫處理（W）、增溫免耕處理（WNT）對(duì)小麥氮素吸收具有明顯促進(jìn)作用，免耕處理則對(duì)植物氮素累積無(wú)明顯影響，這與不同處理間小麥干物質(zhì)累積量結(jié)果一致，說明干物質(zhì)累積差異可能是氮素累積產(chǎn)生差異的重要原因。植物磷素累積量也隨著小麥生長(zhǎng)而逐漸增加，表現(xiàn)與氮素累積量相似的遞增規(guī)律。與對(duì)照組（CK）相比，增溫（W）處理下植物磷素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個(gè)時(shí)期分別上升了8%、18%、10%、10%、8%、22%。由此可知，增溫處理對(duì)小麥磷素累積有促進(jìn)作用，尤其在孕穗期、成熟期對(duì)小麥磷素累積影響較大。免耕處理（NT）下小麥磷素累積量與對(duì)照相比在整個(gè)生育期內(nèi)減少2%～5%。增溫疊加免耕處理（WNT）下，磷素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個(gè)時(shí)期分別增加了10%、21%、6%、11%、6%、14%。可見，免耕對(duì)小麥磷素累積量無(wú)明顯影響，夜間增溫（W）、增溫疊加免耕處理（WNT）對(duì)磷素累積有促進(jìn)作用，尤其在成熟期更為明顯。說明在本試驗(yàn)處理?xiàng)l件下，W、WNT處理對(duì)小麥氮元素、磷元素吸收累積的影響效果是一致的。

由表2可見，夜間增溫處理下（W）小麥營(yíng)養(yǎng)器官的氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)量均極顯著高于對(duì)照（CK），比CK分別提高了28%、22%，兩者轉(zhuǎn)運(yùn)率也高于對(duì)照組，但差異不顯著。免耕處理（NT）下小麥營(yíng)養(yǎng)器官中氮轉(zhuǎn)運(yùn)量稍有下降，磷素的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率分別比對(duì)照略有降低。夜間增溫疊加免耕處理（WNT）下小麥營(yíng)養(yǎng)器官的氮素、磷素轉(zhuǎn)運(yùn)量均極顯著高于對(duì)照，氮素、磷素轉(zhuǎn)運(yùn)率均高于對(duì)照（CK）?？梢?，增溫處理（W）提高了小麥N、P轉(zhuǎn)運(yùn)量，而對(duì)N、P轉(zhuǎn)運(yùn)率無(wú)明顯影響。夜間增溫疊加免耕處理（WNT）對(duì)小麥N、P轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率均有促進(jìn)作用。免耕處理對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用情況影響不明顯。

2.4增溫、免耕對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3可見，與CK相比，增溫處理（W）下小麥每穗穗數(shù)、單株粒數(shù)均減小，分別比對(duì)照少6%、9%；空粒數(shù)、千粒質(zhì)量均有一定程度增加。由于單位面積穗數(shù)降低，導(dǎo)致最終產(chǎn)量也顯著低于對(duì)照。免耕處理（NT）下小麥單株粒數(shù)稍有減少，但不明顯；每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、單位面積穗數(shù)均有一定程度增加，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量提高，但與對(duì)照差異不顯著。與對(duì)照相比，增溫疊加免耕（WNT）處理下小麥單株粒數(shù)、單位面積穗數(shù)下降，最終產(chǎn)量也下降；千粒質(zhì)量、空粒數(shù)均有所增加。由此可知，夜間增溫對(duì)小麥單位面積有效穗數(shù)有抑制作用，免耕處理對(duì)小麥產(chǎn)量、籽粒質(zhì)量均無(wú)明顯影響，夜間增溫疊加免耕處理會(huì)影響小麥的籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成，與單獨(dú)增溫處理影響效應(yīng)相同。

3結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，夜間增溫（W、WNT處理）促進(jìn)了小麥葉片生長(zhǎng)、葉面積增加，同時(shí)地上生物量也顯著提高，而籽粒產(chǎn)量卻降低，顯著低于對(duì)照，這與之前的研究結(jié)果[9]一致。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，夜間增溫提高了小麥株高、葉面積，平均產(chǎn)量也提高了18.3%[10]，本試驗(yàn)結(jié)果與之相反。這可能是由于小麥品種不同或生育期內(nèi)水肥條件差異造成的。本試驗(yàn)中，夜間增溫（W、WNT處理）顯著提高了小麥抽穗期至開花期植株表3不同處理下小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的葉面積，而在灌漿中后期葉片SPAD值卻迅速降低，顯著低于對(duì)照，說明增溫處理雖然促進(jìn)了小麥葉面積的增加，但其造成葉片早衰不利于光合產(chǎn)物累積，這可能是導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降的重要因素之一。夜間增溫（W、WNT）處理下，小麥氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著增加，但是轉(zhuǎn)運(yùn)率無(wú)明顯差異，這可能是因?yàn)槎←溤谝归g增溫條件下促進(jìn)了植物地上部生物量的累積，后期增溫影響小麥的開花及有效分蘗，使得有效穗數(shù)降低，因此轉(zhuǎn)運(yùn)率并無(wú)明顯變化。增溫處理導(dǎo)致小麥單位面積有效穗數(shù)及產(chǎn)量均顯著下降，這與房世波等的研究結(jié)果[11]相同。另外，氣候變暖容易造成小麥冬前迅速生長(zhǎng)，不利于過冬返青，花后氣溫太高，甚至出現(xiàn)高溫脅迫，會(huì)降低冬小麥生物量、產(chǎn)量[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，夜間增溫使小麥生物量增加，但有效穗數(shù)減少，這可能是由于前期有效分蘗率降低，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。此外，本試驗(yàn)增溫處理時(shí)間為每天19：00至次日06：00。由于增溫反光膜不透光，因此在12月底和1月初白晝最短之時(shí)進(jìn)行蓋膜增溫，可能減短了增溫時(shí)間，對(duì)農(nóng)作物后期生長(zhǎng)產(chǎn)生潛在不利影響。本研究結(jié)果表明，免耕處理（NT）對(duì)小麥株高、葉面積、生物量無(wú)明顯影響，對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成也無(wú)顯著影響，說明本試驗(yàn)中溫度效應(yīng)比耕作效應(yīng)對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響更大。前人研究結(jié)果表明，免耕措施在冬前和春季具有“降溫效應(yīng)”，延遲了冬小麥出苗、返青，使得分蘗率降低，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育[13]。也有學(xué)者認(rèn)為，半干旱地區(qū)的少免耕技術(shù)使小麥出苗率增加，且葉面積系數(shù)、干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量均有所提高。

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