李白玉，陳金平，劉安能，武鵬舉，王和洲

（1.青島工學(xué)院，山東青島 266300；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，河南商丘 476000）

0 引言

【研究意義】溫室氣體排放量增加導(dǎo)致了全球氣溫升高，并將持續(xù)影響全球農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。全球小麥總播種面積超過2 億hm2，對糧食安全方面發(fā)揮著重要作用，根據(jù)預(yù)測，到2050年全球小麥需求量將以每年1.7%的速度增長，而小麥產(chǎn)量因受全球氣候變暖的影響每年只能增長1.1%左右[3]。因此，全球氣候變暖對糧食安全的影響是一個客觀存在的事實。

【研究進(jìn)展】IPCC 預(yù)測到21世紀(jì)末全球平均氣溫將增加1.5～2.0 ℃，最高可達(dá)4 ℃，這必然會影響土壤溫度的時空分布，其中0～30 cm 的土壤溫度將有明顯升高趨勢[4-5]。土壤的增溫效應(yīng)不僅會影響作物根系層微生物群落及土壤酶活性[6]，而且會提高土壤電導(dǎo)率[5]，造成土壤水分的再分布[7-8]，這些環(huán)境的變化勢必引起作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的偏轉(zhuǎn)，即營養(yǎng)生長時間將會大于生殖生長時間，從而影響產(chǎn)量和品質(zhì)[9]。陳望遠(yuǎn)等[10]發(fā)現(xiàn)土壤增溫會影響作物根系生長發(fā)育，土壤增溫后，生育初期抑制根系生長，生育中期對根系生長無影響，生育后期又會促進(jìn)根系生長；高壯壯等[11]研究發(fā)現(xiàn)土壤增溫會促進(jìn)土壤水分向地表輸送，從而增大蒸發(fā)量和耗水量；裴瑞娜等[12]認(rèn)為采用地膜覆蓋可提高冬小麥苗期至拔節(jié)期的土壤溫度，有利于增加成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量；常磊等[13]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋提高了冬小麥根系層的溫度、改變了土壤環(huán)境，該效應(yīng)直接影響后期產(chǎn)量的形成；李葦?shù)萚14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤增溫會明顯提高玉米葉綠素量、碳水化合物和蛋白質(zhì)量，從而提高玉米的百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量?？梢姡寥涝鰷貙ψ魑锷砩鷳B(tài)、土壤微環(huán)境及氣體排放等造成了一定影響?！厩腥朦c】冬小麥作為黃淮海地區(qū)主要糧食作物，在保障國家糧食安全中占有舉足輕重的地位，近年來受全球氣候變暖影響，導(dǎo)致暖冬時間增多和土壤耕作層溫度上升[15]，影響了冬小麥播種時間和生育期，以及冬小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量[3]?，F(xiàn)有研究多集中在土壤增溫對林木[6,10]和草甸[16]等方面，有關(guān)不同增溫梯度對冬小麥生長發(fā)育、根系分布、產(chǎn)量及耗水量的影響研究卻鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)置4 組不同土壤增溫梯度，分析不同增溫梯度對冬小麥根系分布、生長發(fā)育與時長、產(chǎn)量構(gòu)成、耗水量和水分利用效率的影響，旨在為黃淮海地區(qū)冬小麥的栽培和耕作管理提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2012年10月—2013年6月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所商丘試驗基地開展，該基地位于商丘市中部（E 115°1′，N 33°8′），海拔50.2 m，年均降水量708 mm，年均蒸發(fā)量1915 mm，多年平均溫度13.9 ℃，日照時間為2 230～2 509 h，無霜期206 d。屬暖溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷干燥是該區(qū)域的典型特征。主要為黃河沖積平原區(qū)，試驗區(qū)0～100 cm 土壤為壤土，平均體積質(zhì)量為1.34 g/cm3，田間質(zhì)量持水率為23.8%。播種前土壤有效氮、磷和鉀量分別為72.0、17.8 和100.0 mg/kg，土壤有機(jī)質(zhì)量為10.3 g/kg。試驗期間的水面蒸發(fā)量和降水量見圖1。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)降水量和蒸發(fā)量Fig.1 Rainfall and evaporation during winter wheat growth

1.2 試驗設(shè)計

供試小麥品種為“鄭麥26”，于2012年10月11日播種，采用條播種植方式，小麥播種行距22 cm，7行播種機(jī)（河北喜洋洋農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)）播種，每畦播種14 行小麥，播種量為188.4 kg/hm2。播種前對小區(qū)0～30 cm 土壤翻耕，同時施入底肥磷酸二銨（N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為18∶46∶0）420 kg/hm2、氯化鉀（K2O≥60%）150 kg/hm2和尿素（N≥46%）265 kg/hm2。采用畦灌方式進(jìn)行灌水，當(dāng)根系層（播種—返青為40 cm、拔節(jié)—抽穗為60 cm、抽穗期以后為80 cm）平均土壤含水率降至田間持水率的65%～70%時灌水50 mm，全生育期灌水4 次，灌溉定額為200 mm。

為研究不同增溫梯度對冬小麥生長發(fā)育的影響，在距地表以下120 cm 位置埋設(shè)1 根供熱管，供熱管道直徑40 cm，外包隔熱層5 cm，供熱管道恒溫供熱，溫度為50 ℃。根據(jù)試驗觀測，在供熱管道截面地上水平方向距離0、0.5、1.0 m 和1.5 m 位置，0～10 cm土層增溫分別為8、6、4℃和2℃，因此將以上位置所代表的條帶設(shè)置為T8、T6、T4 處理和T2 處理，并設(shè)置無增溫對照（CK）。土壤增溫主要集中在冬小麥的分蘗期至返青期（2012年11月15日—2013年3月15日），為盡量消除外界因素的干擾，每個小區(qū)以條帶計算，長度為6.0 m，每個小區(qū)設(shè)置3 次重復(fù)。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 土壤溫度和空氣溫度

采用曲管溫度計測量不同處理地表以下5 cm 和10 cm 處的土壤溫度，在土壤增溫期間，每日觀測時間為08:00、14:00 和18:00，為探明土壤溫度的日變化，選取典型天氣（如晴天和陰天）每隔2h 觀測土壤溫度的日變化規(guī)律，觀測時間從08:00—20:00，冬小麥越冬至返青期共觀測6 次日變化過程。

采用HOBO 溫濕度傳感器測量冬小麥冠層上方的空氣溫度，從冬小麥出苗后開始，將HOBO 傳感器放置于冬小麥冠層上方2 m 位置，每隔30 min 測量一次溫度數(shù)據(jù)。

1.3.2 土壤含水率

在冬小麥整個生長期間進(jìn)行土壤水分的測量，播種開始，采用取土烘干法每隔7～10 d 對0～100 cm 的土壤含水率進(jìn)行測定（在每次灌水前后加測），測量間隔深度為20 cm，每個處理3 次重復(fù)。

1.3.3 冬小麥生長特性

在冬小麥生育期內(nèi)，對每個處理固定30 株長勢一致的冬小麥，記錄30 株的發(fā)育時間以及生育階段推進(jìn)狀況。每隔7d 采用直尺測量各處理冬小麥的株高和葉面積，株高在田間進(jìn)行測量，測量高度為土壤表面至作物自然狀態(tài)下的冠層頂部。葉面積通過測量葉片的長和寬獲得，葉面積=長×寬×0.85，葉面積指數(shù)（LAI）為實測1.0 m 群體葉面積與土壤表面積的比值。

1.3.4 根系的生長

分別于分蘗期（11月20日）、越冬初期（12月12日）、越冬末期（1月29日）和返青期（2月14日），采用根鉆取根法在行上和行間測量冬小麥的根系生長狀況。采用分層取樣法，每10 cm 為1 層，直至根系下扎深度。將取出的根系用流動的清水沖洗干凈后，采用掃描儀獲取根系圖像，并采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)獲得根長密度參數(shù)。

1.3.5 產(chǎn)量及構(gòu)成因素

產(chǎn)量構(gòu)成包括成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒干物質(zhì)和植株生物量。冬小麥成熟后，每個處理選擇4 個條帶進(jìn)行測量，各小區(qū)單獨收獲，脫粒、曬干并計產(chǎn)，每個處理的冬小麥產(chǎn)量均以3 個重復(fù)的平均值作為實際產(chǎn)量。每個處理篩選3 個1000 粒小麥籽粒測量千粒質(zhì)量，以3 個重復(fù)的平均值作為實際籽粒干物質(zhì)。生物量的測量步驟如下：在冬小麥各生育階段，每個處理選擇1.0 m 條帶，從土壤表面剪斷，稱質(zhì)量后放入105 ℃烘箱殺青30 min 后，溫度調(diào)至75 ℃烘干至恒質(zhì)量得到冬小麥的生物產(chǎn)量，每個處理3 次重復(fù)。此外，在冬小麥揚(yáng)花后，每隔5 d 測定1 次不同增溫處理的籽粒灌漿速率，每個小區(qū)取20 個麥穗，用剪刀從麥穗下端麥稈處剪斷，確保麥穗完整，采用天平稱取小麥鮮質(zhì)量后，放置烘箱中于75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，并進(jìn)行稱質(zhì)量，每個處理3 次重復(fù)。

1.3.6 耗水量和水分利用效率

耗水量（ET）采用水量平衡法計算，計算式為：

式中：ET為耗水量（mm）；Ir為灌水量（mm）；Pr為降雨量（mm）；U為地下水補(bǔ)給量（mm）；D為深層滲漏量（mm）；W0、Wt分別為時段初和時段末0～100 cm 土層內(nèi)的儲水量（mm）。由于試驗地的地下水位較深（在5.0 m 以下），作物無法吸收利用，所以可以忽略地下水補(bǔ)給量，即U=0；因為所有處理單次灌水定額較小，深層滲漏量較小，可忽略不計[17]。

水分利用效率（WUE）計算式為[17]：

式中：WUE為水分利用效率（kg/m3）；Y為冬小麥的產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為耗水量（m3/hm2）。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用DPS(v13.0)統(tǒng)計軟件，圖表采用Excel 進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤增溫對土壤和空氣溫度的影響

選擇晴天（12月7日、15日、29日、1月2日、19日和23日），分析距供熱管道水平距離不同位置處5～10 cm 的土壤溫度變化（圖2）。可以看出，距離供熱管道越近，土壤的增溫幅度越大，即T8 處理＞T6 處理＞T4 處理＞T2 處理，T8—T2 處理的日平均地溫分別較CK 高8.2、6.1、4.1、2.2 ℃。從日變化過程來看，08:00 和18:00 的增溫幅度最高，而14:00的增溫幅度最低，平均相差17.7%，這可能是由于中午氣溫較高導(dǎo)致地面溫度升高，使得各處理增溫差異不顯著。

圖2 不同土壤增溫下0～10 cm平均土壤溫度和空氣溫度日變化Fig.2 Diurnal variations of average soil temperature between 0 and 10 cm and canopy temperature under different soil warming treatments

2.2 土壤增溫對冬小麥根系生長的影響

圖3 為不同增溫處理根長密度比例在分蘗期、越冬初期、越冬末期和返青期的變化規(guī)律。冬小麥根系在分蘗期主要集中在耕作層（0～40 cm），各處理平均根系量占總根量的90%以上，增溫≥6 ℃的冬小麥根系可下扎到60 cm 處，增溫≥8 ℃減少了冬小麥根系在10～30 cm 的累積。進(jìn)入越冬初期，冬小麥根系向下生長狀況與分蘗期相差不大，但10～30 cm 的根系量有所增加，說明冬小麥從分蘗期到越冬期根系主要在上層累積。從越冬末期開始，增溫≤6 ℃各處理在10～30 cm 的根系量超過30%，增溫≥8 ℃抑制了根系的生長；從根系的下扎深度來看，增溫≥2 ℃的根系基本能夠下扎到70 cm 深度，最大根長密度向下移動了10 cm左右，其中T8 處理的最大根長密度向下伸展了13 cm，說明冬小麥在越冬期根系生長較快，且增溫后有利于根系的下扎。返青期，增溫2℃處理的根系在30 cm處根系量最大，超過35%，增溫≥6℃處理的根系下扎深度達(dá)到100 cm，而其他處理僅下扎到70 cm 左右（除CK 外），說明隨著冬小麥生殖生長的推進(jìn)，根系在不同土壤層的分布比例發(fā)生了較大變化，上層土壤根系量逐漸減少，而下層土壤根系量增多。

圖3 不同土壤增溫下冬小麥根系分布Fig.3 Distribution of root under different soil warming treatments

2.3 土壤增溫對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.3.1 增溫對冬小麥生長發(fā)育的影響

表1 為不同增溫處理下冬小麥生長發(fā)育歷時，可以看出，高增溫帶（≥2 ℃處理）的冬小麥在返青期、拔節(jié)期和抽穗期的歷時有所縮短，較T2 處理和CK縮減2～3 d。從增溫對冬小麥整個生育期的歷時來看，增溫8 ℃歷時最短，為230 d，較CK 縮減了8d，增溫2 ℃歷時最長，為241 d，較CK 增加了3d，增加的這部分時間主要消耗在灌漿階段，這種現(xiàn)象有利于產(chǎn)量形成。

表1 土壤不同增溫條件下冬小麥生育時期Table 1 Development duration of winter wheat under different soil warming treatments

圖4 為不同增溫處理下冬小麥株高和葉面積指數(shù)（LAI）的變化，在播種135 d 內(nèi)株高和LAI增長較慢，從播種140 d 開始快速增長，播種192 d 后，株高基本保持不變，而LAI卻表現(xiàn)出大幅度下降趨勢。具體來看，與CK 相比，增溫幅度越大，冬小麥的株高在返青期增長越快，增長速率表現(xiàn)為T8 處理＞T6處理＞T4 處理＞T2 處理，各處理返青期的最大株高介于58～62 cm 之間。進(jìn)入灌漿期以后（播種192 d 后），增溫幅度較大的處理表現(xiàn)出早衰現(xiàn)象。從LAI的變化來看，從播種后140 d 開始到192 d，冬小麥的LAI從1.1cm2/cm2增長到5.9 cm2/cm2，平均增幅達(dá)到80%以上，其中增溫幅度越大，LAI的增長幅度也就越大，后期早衰就越提前?？梢?，由于越冬期受到土壤增溫的影響，高增溫帶的株高和LAI明顯高于低增溫帶處理，且增溫幅度越大，早衰現(xiàn)象就越提前。

圖4 冬小麥株高和葉面積指數(shù)Fig.4 Height and leaf area index of winter wheat

2.3.2 增溫對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響

圖5 為冬小麥灌漿速率。常溫處理下冬小麥籽粒灌漿速率呈平穩(wěn)增加態(tài)勢，而增溫處理均表現(xiàn)為“快-慢-快”的增速趨勢，表明增溫有利于提升籽粒灌漿初期的灌漿速率，即有利于營養(yǎng)生長時期積累的干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移和生殖生長期光合產(chǎn)物的積累。籽粒灌漿速率與增溫幅度的大小相反，土壤增溫幅度大并不會導(dǎo)致籽粒灌漿速率的增加，如播種后225 d 時，土壤增溫2℃的灌漿速率較CK 高17.1%，較T4、T6處理和T8 處理提高5.6%、7.2%和8.8 %。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫幅度在2 ℃左右時，有利于冬小麥籽粒灌漿，且從播種后215 d 開始該處理的籽粒灌漿速率有明顯提升。

圖5 冬小麥灌漿速率Fig.5 Grouting rate ofwinter wheat

表2 為收獲后不同增溫處理冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)（表中不同小寫字母表示不同處理間存在顯著差異）。冬小麥的生物產(chǎn)量受土壤增溫的影響，最高值為T2 處理，顯著高于其他處理（P＜0.05），較CK 高5.5%。T2 處理的成穗數(shù)最高，達(dá)到669×104hm2，顯著高于CK（P＜0.05），而T4 處理略低于CK，但二者無顯著性差異（P＞0.05），增溫≥6 ℃處理的成穗數(shù)顯著低于CK（P＜0.05），分別較CK 低2.2%和1.9%。土壤增溫會輕微降低冬小麥的穗粒數(shù)，但增溫≥2 ℃各處理之間無顯著性差異（P＞0.05），而土壤增溫2～4 ℃的千粒質(zhì)量卻顯著高于≥6 ℃處理，平均高出2.2%。增溫2 ℃有利于產(chǎn)量形成，T2 處理的產(chǎn)量達(dá)到8.4 t/hm2，較CK 顯著高10.7%（P＜0.05），而增溫≥4 ℃處理卻顯著低于CK（P＜0.05），T2、T4 處理和T8處理分別較CK 降低9.6%、8.4%和6.1%，這是因為增溫幅度較高會導(dǎo)致冬小麥早衰提前，進(jìn)而抑制籽粒灌漿，導(dǎo)致產(chǎn)量下降?？梢姡寥涝鰷亍? ℃會降低產(chǎn)量，而增溫2 ℃則有利于產(chǎn)量形成。

表2 不同土壤增溫下冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Yield composition of winter wheat under different soil warming treatments

2.4 土壤增溫對冬小麥耗水量和水分利用效率的影響

圖6 為土壤不同增溫處理下冬小麥的耗水量和水分利用效率（WUE）變化。

由圖6 可知，冬小麥全生育期的耗水量介于451.7～518.8 mm，其中土壤增溫2 ℃的耗水量最大，較CK 顯著高6.0%（P＜0.05），這是由于土壤適度增溫后有利于根系層土壤微生物的分解、根系的下扎和產(chǎn)量形成，這些與水分消耗密切相關(guān)；土壤增溫≥4 ℃可降低耗水量，T4、T6 處理和T8 處理分別較CK 的耗水量低2.7%、3.5%和7.4%。土壤不同增溫幅度對WUE的影響不同，土壤增溫2 ℃的WUE最大，為1.62 kg/m3，較CK 高4.9%，土壤增溫4 ℃與CK 無明顯差異，而土壤增溫≥6 ℃則會降低冬小麥的WUE，其中T6 處理和T8 處理的WUE分別較CK 低5.2%和7.1%?？梢?，土壤增溫2 ℃雖然耗水量增多，但有利于提高冬小麥的WUE。

圖6 冬小麥的耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）Fig.6 Water consumption and water use efficiency

3 討論

現(xiàn)有研究和模型指出氣候變暖引起的土壤增溫效應(yīng)會明顯縮短作物生育期時長[3]，本研究通過設(shè)置不同增溫處理試驗發(fā)現(xiàn)，土壤增溫顯著縮短了冬小麥從播種到返青期的時長，并影響了拔節(jié)期以后的生育時長，土壤增溫幅度越大，冬小麥的早熟現(xiàn)象也就越提前。高麗莉等[18]研究同樣發(fā)現(xiàn)土壤增溫會縮短冬小麥拔節(jié)期以后的生育時長，并使早熟現(xiàn)象提前；代新俊等[19]認(rèn)為冬小麥在開花期進(jìn)行增溫會延長開花期時長，并能夠提高籽粒中的蛋白質(zhì)量，對增產(chǎn)有利。土壤增溫還會影響作物的生長發(fā)育，本研究發(fā)現(xiàn)，增溫幅度越大，冬小麥的株高和LAI增加也就越快，尤其在越冬期進(jìn)行增溫處理更有利于冬小麥的分蘗。高麗莉等[18]認(rèn)為，增溫會降低冬小麥的抗低溫能力，導(dǎo)致增溫結(jié)束后的抗逆性減弱，從而抑制冬小麥的生長發(fā)育。土壤增溫后不僅會影響植株或葉片中的酶活性，而且適宜增溫有利于葉片碳水化合物的累積，從而促進(jìn)植株的生長發(fā)育[19]，Li 等[3]認(rèn)為，增溫可以增加冬小麥葉片的葉綠素量、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，從而促進(jìn)冬小麥株高和LAI的增加；高麗莉等[18]同樣認(rèn)為與無增溫處理小麥相比，增溫處理的株高、莖粗、LAI和比葉質(zhì)量均顯著提高。土壤增溫對作物生長發(fā)育及生育時長的影響還體現(xiàn)在玉米[14]、林木[4,10]和草甸[16]等類型的作物上。

土壤增溫有利于根系的下扎，增溫幅度越高，下扎深度也就越深，返青期土壤增溫≥6℃可使根系下扎到1m。土壤增溫幅度過高會降低0～40 cm的根系比例，本研究發(fā)現(xiàn)在冬小麥的返青期，土壤增溫≥6℃的根長密度較增溫2℃下降25%以上，這可能是由于土壤增溫使得土壤水分消耗較快，土壤含水率降低，導(dǎo)致根系向下生長并降低耕作層根系量。此外，土壤增溫還會導(dǎo)致土壤呼吸和酶活性的增加，同樣會導(dǎo)致根系向下生長[18]。陳望遠(yuǎn)等[10]也得出類似結(jié)論。

土壤增溫2 ℃可顯著提高冬小麥籽粒的灌漿速率，產(chǎn)量可達(dá)到8.4 t/hm2，較CK 高10.7%，達(dá)到顯著水平。物質(zhì)和能量代謝是冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，二者均受到溫度的影響，適度增溫使得葉綠素快速合成，光合作用能力提升，這些均有利于物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，最終使得產(chǎn)量提高[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK 相比，土壤增溫2 ℃可使小麥的成穗數(shù)增加，增溫≤4 ℃時千粒質(zhì)量明顯高于增溫≥6℃處理，在土壤增溫2 ℃條件下，冬小麥的產(chǎn)量達(dá)到最高，這與大多數(shù)的研究結(jié)果相近[3-4,14-15,18]。不僅如此，增溫有利于冬小麥機(jī)體構(gòu)建物質(zhì)的能力提升，從而增加了營養(yǎng)干物質(zhì)的累積[18]。土壤增溫2 ℃還可以提高土壤中水分的有效性，使得耗水量增加，并提高WUE[3]，而土壤增溫≥4 ℃，會降低耗水量和WUE[17]。

4 結(jié)論

1）土壤增溫有助于冬小麥根系向下生長，隨著增溫幅度的增加，0～40 cm 土層的根長密度有所下降。

2）返青期以后，株高和LAI的增長速率隨著土壤增溫幅度的增大而增大，但LAI在后期提前出現(xiàn)了下降拐點，說明增溫會導(dǎo)致冬小麥早衰。

3）從產(chǎn)量構(gòu)成、ET和WUE來看，土壤增溫2 ℃的灌漿速率、生物產(chǎn)量、成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均高于其他處理，土壤增溫≥4 ℃則會降低以上指標(biāo)。ET和WUE的最高值同樣出現(xiàn)在增溫2 ℃處理上，且顯著高于其他處理。