李 裕，齊 月，王小恒，朱青青，岳 平，張 強(qiáng)

(1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅省高校環(huán)境友好型復(fù)合材料及生物質(zhì)利用省級重點(diǎn)實驗室，蘭州 730030；2. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實驗室，蘭州 730020；3. 西北民族大學(xué)醫(yī)學(xué)院，蘭州 730030)

水資源限制環(huán)境區(qū)域是指包括干旱、半干旱和半濕潤區(qū)(統(tǒng)稱為旱地)在內(nèi)，約占全球土地面積50%的地區(qū)[1]，僅我國干旱、半干旱區(qū)土地面積高達(dá)243萬km2。隨著全球變暖和陸地生態(tài)系統(tǒng)可能增加的干旱程度，預(yù)計本世紀(jì)末全球旱地面積還將增加11%～23%[2]。干旱是限制農(nóng)作物生產(chǎn)最主要的因素之一，尤其在水資源限制地區(qū)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響更為突出[3-4]，如何有效應(yīng)對農(nóng)業(yè)干旱成為這些地區(qū)亟待解決的問題。

水分利用效率作為衡量作物干旱適應(yīng)性、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境污染程度等方面的重要指標(biāo)，長期以來受到高度關(guān)注[4-6]。近年來，不少農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究尤其關(guān)注水分利用率、氮利用效率，以及糧食產(chǎn)量和質(zhì)量等的協(xié)同改進(jìn)[7-9]。Wang等[10]收集并分析了1950—2017年間有關(guān)施氮對中國小麥產(chǎn)量及氮肥利用率影響的文獻(xiàn)報道，發(fā)現(xiàn)施氮雖然在我國西北、華北地區(qū)，甚至南方地區(qū)顯著提高了小麥產(chǎn)量，但僅在中國年平均降水量大于800 mm的地區(qū)，表現(xiàn)出小麥產(chǎn)量增加幅度最大的施氮肥效。Hochman等[11]估計，由于缺氮引起的作物對有限水資源低效率利用，導(dǎo)致澳大利亞農(nóng)業(yè)潛在產(chǎn)量可能存在40%上升空間仍未實現(xiàn)。不僅如此，氮素水平和水分條件直接影響小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)積累，干旱脅迫條件下，增施氮肥還導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和品質(zhì)下降[11]。依據(jù)張健等[12]研究發(fā)現(xiàn)，全球變暖會增加作物無效蒸發(fā)，導(dǎo)致作物生物量積累和產(chǎn)量的水分利用效率降低。并且，全球變暖將進(jìn)一步導(dǎo)致干旱發(fā)生頻率增加和持續(xù)時間延長，增加了糧食生產(chǎn)的需水量[13]，加劇了社會水資源緊張現(xiàn)狀。因此，探索提高糧食產(chǎn)量水分利用率的途徑，尤其在水資源限制地區(qū)，是應(yīng)對氣候變化的當(dāng)務(wù)之急。

目前農(nóng)業(yè)施氮實踐和全球變暖背景下，未來的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將包括土壤中氮濃度升高和大氣CO2濃度升高，會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響[14-15]。雖然不斷升高的大氣CO2濃度有望促進(jìn)農(nóng)作物的生長，然而，增加的CO2和氮供應(yīng)對植物的綜合影響目前仍不甚明確。不同CO2水平(400、700 μmol·mol-1和1 400 μmol·mol-1)以及3種氮水平(3、6 g·m2和12 g·m2)控制條件下生長的C3作物豌豆(PisumsativumL.)試驗發(fā)現(xiàn)，高CO2(700 μmol·mol-1和1 400 μmol·mol-1)與氮交互作用對豌豆生長的水分利用效率、地上生物量、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等參數(shù)都有顯著影響，證明豌豆的CO2生理反應(yīng)對氮供應(yīng)具有高度依賴性[16]。模擬CO2濃度升高(760 μmol·mol-1)試驗環(huán)境條件下，增施氮肥能提高小麥葉片蒸騰速率、瞬時水分利用效率和光合作用速率，且葉片氣孔導(dǎo)度與瞬時水分利用效率、蒸騰速率和光合作用速率顯著正相關(guān)[17]。不僅如此，CO2富集實驗[18-19]、生態(tài)系統(tǒng)模型、同位素分析[20-22]等研究，有力支持了作物水分利用效率隨大氣CO2濃度增加而增加的結(jié)論。不僅如此，農(nóng)業(yè)試驗也證實了作物水分利用效率一定程度上受到氮營養(yǎng)限制[23]，而CO2濃度與氮素對作物水分利用率交互作用的影響尚需探索。

因此，本研究采用中國氣象局定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境野外試驗基地的開頂式氣室(OTC)系統(tǒng)平臺，在模擬大氣CO2濃度升高與不同施氮水平的環(huán)境條件下，以春小麥為研究對象，探求大氣CO2濃度升高與不同施氮水平交互作用對春小麥水分利用率的影響，為半干旱水資源限制區(qū)應(yīng)對氣候變化提高小麥水分利用效率探索新的技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國氣象局定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地進(jìn)行，該基地位于甘肅省定西市安定區(qū)(104°37′E，35°35′N，海拔1 896.7 m)，屬于黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，是我國典型的水資源限制區(qū)域。該區(qū)年平均氣溫6.7℃，年日照時數(shù)2 433.0 h，年太陽總輻射為5 923.8 MJ·m-2；年降水量386 mm，且分布不均勻，全年降水量的50%～70%集中在6—8月。供試土壤為黃綿土，土質(zhì)疏松，易耕作，保水保肥能力差，在蒸發(fā)較大時，土壤易受干旱威脅。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

春小麥試驗品種為‘定西40號’，于2011年3月25日播于直徑28 cm、高30 cm的圓柱形塑料桶中，每桶裝土13 kg，播種100粒，出苗后每桶定苗20株。試驗設(shè)計為雙因素(CO2濃度升高和施氮肥)[24-25]，每個處理6個重復(fù)，其中1個重復(fù)專門用作試驗過程中土壤水測定。播種前0～20 cm 土層土壤養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)72.0 mg·kg-1，全氮82.4 mg·kg-1，水解氮33.6 mg·kg-1，全磷26.8 mg·kg-1，速效磷5.54 mg·kg-1。

CO2濃度處理利用開頂氣室(Open-Top Chambers，OTC)實現(xiàn)。開頂式氣室設(shè)計為正八邊形，直徑為6 m，邊長2.15 m，高度2.5 m，底面積9.7 m2，頂部向內(nèi)收縮(圖1)。試驗基地共有4個OTC試驗裝置，OTC與OTC之間間隔20 m，以防止CO2釋放對其他圈CO2的濃度造成影響。采用計算機(jī)監(jiān)控實現(xiàn)OTC氣室模擬氣體質(zhì)量濃度智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化模式，實現(xiàn)了對氣室內(nèi)指定氣體質(zhì)量濃度的遠(yuǎn)程控制。CO2濃度監(jiān)控采用芬蘭維莎拉CARBOCAP的CO2探頭GMP343，CO2濃度監(jiān)測范圍為0～1 000 μmol·mol-1。

圖1 開頂式氣室(OTC)Fig.1 Open-top chambers(OTC)

根據(jù)對未來大氣CO2濃度升高預(yù)測的結(jié)果，試驗在3個OTC內(nèi)分別設(shè)計CO2濃度升高0、90 μmol·mol-1和180 μmol·mol-1。根據(jù)當(dāng)?shù)氐适┯盟?，施肥處理?個OTC內(nèi)均設(shè)置對照(N0，0 kg·hm-2)、低肥(N1，135 kg·hm-2)、中肥(N2，225 kg·hm-2)、高肥(N3，315 kg·hm-2)和超高肥(N4，405 kg·hm-2)5個水平，每處理6個重復(fù)，其中1個重復(fù)專門用作試驗過程中土壤水測定。N肥60%作基肥，40%在返青期作追肥。待春小麥長至三葉期時開始晝夜不間斷通CO2至收獲。

每個施氮水平下，磷(P2O514%)、鉀(KCl)均作為基肥，施用量為120 kg·hm-2。各處理春小麥全生育期灌水量相同，灌水量以試驗土壤含水量維持在田間持水量的70%左右為標(biāo)準(zhǔn)，小麥成熟期和后期的含水量維持在田間持水量的60%左右。各生育時期的降水量為：播種至出苗期9.4 mm、苗期至拔節(jié)期5.5 mm、拔節(jié)至開花期8.2 mm、開花至成熟期7 mm，總計40.1 mm。

試驗過程中對春小麥各生育期葉片光合作用速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度指標(biāo)進(jìn)行觀測，收獲期按處理和重復(fù)分類隨機(jī)抽取10～15株樣品貯于聚乙烯袋中，測定各處理總干物質(zhì)量(生物量)、千粒重和籽粒產(chǎn)量等。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品與水分測定方法 土壤水分用烘干法測定[24]。試驗開始從田間用土鉆取樣，試驗期間根據(jù)試驗設(shè)計在專門為土壤水分測定設(shè)計的桶中取土樣。所取土樣裝入鋁盒，重復(fù)3次。在室內(nèi)稱量鋁盒加濕土的質(zhì)量W濕，放入烘箱中在105℃下烘至恒重(12 h)測定鋁盒和烘干土的重量W干。參照下式計算土壤含水量：土壤含水量(%)=(W濕-W干)/(W干-W)×100%。式中，W濕為濕土和鋁盒重(g),W干為干土和鋁盒重(g),W為鋁盒重(g)。體積含水量(%) =重量含水量(%) ×土壤容重(g·cm-3)。

1.2.2 計算方法 水分利用率為單位面積單位耗水量的籽粒產(chǎn)量或總干物質(zhì)量(生物量)。水分利用效率WUE計算公式如下：

WUE=Y(BM，QLZ)/[P+I-(We-Wi)][24-26]

式中,Y為籽粒產(chǎn)量，BM為生物量，QLZ為千粒重，P為降雨量，I為灌溉量，Wi為初始土壤含水量，We為生育期末土壤含水量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計和分析，使用Excel 2013和Origin 9.0進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2與氮交互作用對小麥產(chǎn)量水分利用率的影響

CO2濃度與氮交互作用顯著影響了春小麥產(chǎn)量的水分利用率(P<0.05，圖2)。在大氣CO2濃度升高 0 μmol·mol-1處理環(huán)境下，小麥產(chǎn)量的水分利用率與施氮量之間存在曲線回歸關(guān)系：y=-2.51x2+19.36x-1.87(R2=0.7331)，尤以高氮315 kg·hm-2處理條件下，小麥產(chǎn)量的水分利用率最高，為38.97 kg·mm-1·hm-2，比對照提高了194.0%。亦即在目前的大氣CO2濃度環(huán)境下，提高春小麥產(chǎn)量水分利用率的最佳施氮量應(yīng)為315 kg·hm-2。

圖2 CO2濃度與施氮交互作用對春小麥產(chǎn)量水分利用率的影響Fig.2 Water use efficiency of spring wheat yield in response to CO2 concentration and nitrogen level

但在模擬氣候變化CO2濃度升高90 μmol·mol-1環(huán)境條件下，低肥135 kg·hm-2、高肥315 kg·hm-2和超高肥405 kg·hm-2處理，小麥產(chǎn)量的水分利用率比對照分別下降了29.4%、46.7%和15.7%。同樣，CO2濃度升高180 μmol·mol-1的環(huán)境條件下，低肥、高肥和超高肥處理，小麥產(chǎn)量的水分利用率比對照分別下降13.4%、31.0%和7.8%。

根據(jù)試驗結(jié)果，CO2濃度升高90 μmol·mol-1環(huán)境下，施氮量中肥水平225 kg·hm-2更有利于提高春小麥產(chǎn)量水分利用率。而在CO2濃度升高180 μmol·mol-1的環(huán)境條件下，不同施氮水平之間小麥產(chǎn)量的水分利用率無顯著差異(P>0.05)。因此，從提高春小麥產(chǎn)量水分利用率的角度出發(fā)，在氣候變化CO2濃度升高背景下，未來水資源限制地區(qū)春小麥生產(chǎn)，應(yīng)視CO2濃度升高幅度及施氮量與春小麥產(chǎn)量水分利用率之間關(guān)系，在目前施氮水平基礎(chǔ)上適度調(diào)整氮肥投入，以達(dá)到提高春小麥產(chǎn)量水分利用率的目的。

2.2 CO2與氮交互作用對小麥生物量水分利用率的影響

CO2濃度升高條件下，不同施氮處理對春小麥生物量水分利用率的影響如圖3。CO2濃度升高與施氮交互作用對春小麥生物量水分利用率有顯著影響(P<0.05)。在升高0 μmol·mol-1大氣CO2濃度條件下，春小麥生物量的水分利用率與施氮量之間存在曲線回歸關(guān)系：y=-2.84x2+23.42x+16.57，以高肥(315 kg·hm-2)處理環(huán)境春小麥生物量的水分利用率最高，達(dá)到67.44 kg·mm-1·hm-2，與對照相比提高了97.6%。CO2濃度升高90 μmol·mol-1環(huán)境條件下，中肥(225 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理使春小麥生物量水分利用率與對照相比分別提高了10.4%和10.8%，但低肥(135 kg·hm-2)和高肥(315 kg·hm-2)處理使春小麥生物量水分利用率不同程度地下降。

圖3 CO2濃度與施氮交互作用對春小麥生物量水分利用率的影響Fig.3 Water use efficiency of spring wheat biomass in response to CO2 concentration and nitrogen level

在CO2濃度升高180 μmol·mol-1環(huán)境條件下(圖3)，不同施氮處理使春小麥生物量水分利用率不同程度地提高，低肥(135 kg·hm-2)、中肥(225 kg·hm-2)、高肥(315 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理下春小麥生物量水分利用率與對照相比分別提高了5.9%、26.0%、6.5%和20.6%。說明CO2濃度升高180 μmol·mol-1環(huán)境下，增施氮有利于春小麥生物量的積累，以中肥(225 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理春小麥生物量提高幅度較明顯。

2.3 CO2與氮交互作用對小麥千粒重水分利用率的影響

CO2濃度升高與施氮交互作用對春小麥千粒重水分利用率無顯著影響(圖4，P>0.05)。在大氣的CO2濃度升高0 μmol·mol-1環(huán)境條件下，施氮處理使春小麥千粒重水分利用率相比對照有不同程度提高。

圖4 CO2濃度與施氮交互作用對春小麥千粒重水分利用率的影響Fig.4 Water use efficiency of thousand grain weight of spring wheat in response to CO2 concentration and nitrogen level

CO2濃度升高90 μmol·mol-1與施氮增加處理交互作用使春小麥千粒重水分利用率不同程度下降，尤以高肥(315 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理影響程度較大，使春小麥千粒重水分利用率與對照相比分別下降了16.2%和12.3%。CO2濃度升高180 μmol·mol-1環(huán)境下，低肥(135 kg·hm-2)、中肥(225 kg·hm-2)、高肥(315 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理使春小麥千粒重水分利用率與對照相比分別下降了14.9%、22.9%、15.1%和21.3%。因此，未來CO2濃度升高情況下，增施氮肥反而會引起春小麥千粒重水分利用率的下降。

3 討 論

盡管全球變暖可能持續(xù)地增加全球旱地面積[2]，但旱地具有應(yīng)對氣候變化增加糧食產(chǎn)量的巨大潛力，事關(guān)糧食安全的重大關(guān)切[13]，由此提升了水限制環(huán)境旱地在未來社會生態(tài)的重要性。而旱地糧食產(chǎn)量增加的關(guān)鍵在于如何調(diào)控水分與養(yǎng)分相互作用過程，目前此方面的研究文獻(xiàn)報道很少，如Markus等[16]發(fā)現(xiàn)，高濃度CO2與氮交互作用通過調(diào)控豌豆蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等生理參數(shù)，從而對豌豆產(chǎn)量和地上生物量水分利用效率造成顯著影響。

本研究模擬CO2濃度升高與增加施氮量的雙因素春小麥試驗發(fā)現(xiàn)，盡管CO2與氮交互作用顯著地改變了春小麥產(chǎn)量水分利用率(P<0.05)，卻只有在CO2濃度升高0 μmol·mol-1與高氮施肥處理315 kg·hm-2組合條件下，春小麥獲得最高產(chǎn)量水分利用率38.97 kg·mm-1·hm-2，并相比對照增加了194.0%，可能是因為高氮處理適宜的土壤營養(yǎng)環(huán)境，在一定程度上協(xié)調(diào)了小麥的水肥關(guān)系，提高了小麥莖葉滲透調(diào)節(jié)能力和氣孔調(diào)節(jié)能力，增加了葉片凈光合速率和水分利用效率[27]。

而在90 μmol·mol-1和180 μmol·mol-1CO2濃度升高環(huán)境條件下，除中肥225 kg·hm-2處理外，CO2與其他施氮處理交互作用造成了春小麥產(chǎn)量水分利用率不同程度地下降，尤其是高肥315 kg·hm-2施氮處理，使春小麥產(chǎn)量的水分利用率相比對照分別下降了46.7和31.0%。根據(jù)前人的單因素試驗結(jié)果，CO2濃度升高對春小麥葉片光合作用的正效應(yīng)[27-28]，與CO2濃度升高引起的氣孔導(dǎo)度降低效應(yīng)[29]、蒸騰作用減小效應(yīng)[30]，以及高氮處理對小麥作物蒸散量降低效應(yīng)[28]，削弱了水分脅迫對小麥光合作用產(chǎn)生的抑制作用，說明單因素CO2濃度升高或高氮處理環(huán)境的獨(dú)立作用都提高了小麥產(chǎn)量的水分利用率。相反，90、180 μmol·mol-1CO2濃度升高和增加氮肥處理交互作用卻降低了小麥產(chǎn)量水分利用率。類似研究發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度與氮缺乏協(xié)同作用使小麥葉光合能力顯著降低，并且，CO2濃度升高與增施氮交互作用對提升小麥葉片光合能力的影響也不顯著[31]。另有文獻(xiàn)也報道增施氮肥與400 μmol·mol-1和600 μmol·mol-1CO2兩種處理的人工楊樹林中，氮肥增加處理對楊樹冠層葉片光合作用，無論長期影響或短期影響都沒有顯著差異[32]。由此推測，90、180 μmol·mol-1CO2濃度升高與氮增加交互作用可能對小麥光合作用造成負(fù)面影響，不利于營養(yǎng)器官中的碳水化合物和氮素向籽粒轉(zhuǎn)移[17]，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量水分利用效率的降低。

同理，春小麥千粒重水分利用率在CO2濃度升高90 μmol·mol-1和180 μmol·mol-1與施氮處理環(huán)境下應(yīng)該呈現(xiàn)不同程度下降。本研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高180 μmol·mol-1環(huán)境下，低肥(135 kg·hm-2)、中肥(225 kg·hm-2)、高肥(315 kg·hm-2)和超高肥(405 kg·hm-2)處理使春小麥千粒重水分利用率相比對照分別下降了14.9%、22.9%、15.1%和21.3%，這也證實了推測的正確性。

從春小麥生物量水分利用率試驗結(jié)果來看，CO2濃度升高0、90 μmol·mol-1和180 μmol·mol-1與氮增加交互作用，不同程度地增加了春小麥生物量積累，也不同幅度地提高了其生物量水分利用率。一方面，CO2濃度本身具有肥效及促進(jìn)春小麥葉片光合作用的正效應(yīng)[27-28]，同時還具有降低氣孔導(dǎo)度和減小蒸騰作用的效應(yīng)[29-30]；另一方面，高氮處理具有降低蒸散量的效應(yīng)[28]。因此，總體來看，CO2濃度升高與氮增加交互作用有可能削弱水限制環(huán)境小麥生長的水分脅迫作用，提高小麥生物量及其水分利用率。本研究還表明，在CO2濃度升高90 μmol·mol-1環(huán)境條件下，低肥(135 kg·hm-2)和高肥(315 kg·hm-2)處理使春小麥生物量水分利用率不同程度地下降。究其原因，可能低氮或氮脅迫條件下，植株有限利用光合產(chǎn)物的反饋作用引起光合作用減弱，導(dǎo)致低氮處理條件下生物量及其水分利用率并未增加[10]，但高肥處理為什么引起生物量水分利用率下降，其原因尚不清楚。事實上，在本試驗處理環(huán)境下，即便是低肥(135 kg·hm-2)處理也不足以產(chǎn)生氮脅迫問題，因此，CO2濃度升高90 μmol·mol-1與低肥和高肥處理造成生物量水分利用率下降的原因還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

模擬CO2濃度升高與氮增加處理交互作用顯著改變了春小麥產(chǎn)量和生物量水分利用率(P<0.05)，并且顯著影響了水資源限制環(huán)境下小麥營養(yǎng)器官中的碳水化合物和氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量水分利用效率降低。而CO2濃度升高對春小麥葉片光合作用的正效應(yīng)、對葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用的降低效應(yīng)，與高氮處理的蒸散量降低效應(yīng)，共同提高了水資源限制環(huán)境下春小麥生物量積累及其水分利用率。因此，未來氣候變化CO2濃度升高背景下，水限制環(huán)境春小麥生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)CO2濃度升高幅度調(diào)控氮肥投入。在大氣CO2濃度升高90 μmol·mol-1環(huán)境條件下，從提高春小麥產(chǎn)量和生物量水分利用率角度看，水限制環(huán)境春小麥?zhǔn)┑恳?25 kg·hm-2為宜；若未來大氣CO2濃度升高到180 μmol·mol-1，水限制環(huán)境春小麥生產(chǎn)應(yīng)在當(dāng)前施氮水平基礎(chǔ)上減少投入。本結(jié)果可為水資源限制地區(qū)春小麥生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化提供新的技術(shù)途徑。

致謝：對周勇和余杰在試驗研究過程中認(rèn)真而辛勤的工作，表示特別致謝！