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(cè)到2100年前后中國(guó)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(zhǎng)和產(chǎn)量，進(jìn)而影響中國(guó)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(zhēng)議。譚凱炎等[4]發(fā)現(xiàn)，偏冷年份增溫會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)型的差異所導(dǎo)致的。其中，土壤類(lèi)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(chē)京玉等[10]的研究發(fā)現(xiàn)春小麥產(chǎn)量在不同類(lèi)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(zhǎng)、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(lèi)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(zhǎng)在不同類(lèi)型土壤上的小麥對(duì)增溫的響應(yīng)。因?yàn)椴煌?lèi)型的土壤分布在不同的氣候區(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(kāi)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(lèi)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(wú)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(kāi)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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?。從小麥出苗至成熟，采?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?？蛟皂敳扛叱龅孛? cm，以防止土壤之間交叉污染?；视昧繛槟蛩?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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)勢(shì)相近的植株一株，2019年5月18日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

（1）株高：在收獲時(shí)測(cè)量主莖的高度。

（2）生物量測(cè)定：收獲時(shí)，將每株小麥的葉片、葉鞘和莖干分開(kāi)。用蒸餾水沖洗3遍，蒸餾水潤(rùn)洗一遍。放入烘箱105℃殺青1 h，然后在80℃下烘至恒重，稱(chēng)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(zhǎng)在不同類(lèi)型土壤上冬小麥株高的影響

增溫有利于小麥植株長(zhǎng)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(lèi)型的不同而變化。在eT條件下，生長(zhǎng)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(zhǎng)在不同類(lèi)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(lèi)型而不同。eT顯著增加了生長(zhǎng)在風(fēng)沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重，而生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的小麥來(lái)說(shuō)，eT處理顯著增加了小麥穗干重。而對(duì)潮土上生長(zhǎng)的小麥而言，eT處理顯著增加了小麥莖干重。eT對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)了10.0%和6.9%。這表明生長(zhǎng)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(zhǎng)在不同類(lèi)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(wú)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(lèi)型而不同。在eT條件下，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)在其他土壤類(lèi)型上的小麥產(chǎn)量無(wú)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(zhǎng)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(lèi)型的調(diào)控

株高是衡量作物生長(zhǎng)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(wú)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(lèi)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(lèi)似，主要是因?yàn)橥寥婪柿^高的土壤更有利于小麥的生長(zhǎng)，而風(fēng)沙土土壤肥力較低，難以滿足增溫后小麥生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求。而影響最大的發(fā)生在潮土上，說(shuō)明增溫對(duì)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)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(zhǎng)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?？兹鸬萚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(zhǎng)了活躍生長(zhǎng)期（沒(méi)有越冬的生長(zhǎng)期），促進(jìn)了小麥地上部生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累[21]。

各類(lèi)型土壤上生長(zhǎng)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(zhǎng)在風(fēng)沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重，而生長(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)型密切相關(guān)。尤其是對(duì)生長(zhǎng)在黑土上的小麥地上干重的負(fù)效應(yīng)主要來(lái)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(lèi)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(yíng)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(lèi)型而不同，但是針對(duì)生長(zhǎng)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(lèi)型而不同

溫度是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要?dú)庀笠蜃?，溫度的升高?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(lèi)似。主要是因?yàn)樵鰷卦黾恿诵←溨旮?，提升了冠層的透光率，有利于光合作用的進(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(guó)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(guó)小麥產(chǎn)量無(wú)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(wú)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?、增溫時(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(lèi)型而不同。增溫顯著增加了生長(zhǎng)在風(fēng)沙土和紅壤上的小麥產(chǎn)量，而對(duì)生長(zhǎng)在其他土壤類(lèi)型上的小麥產(chǎn)量無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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?，土壤中硝態(tài)氮含量下降引起冬小麥產(chǎn)量降低。雖然生長(zhǎng)在不同類(lèi)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?jī)H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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)在潮土上的小麥株高增幅最大，生長(zhǎng)在風(fēng)沙土上的小麥株高增幅最小。然而，因?yàn)樯L(zhǎng)在不同類(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)在不同類(lèi)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(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。