蘇海報 陳昆 江曉東 陳彰宇 李侃 甘維金
摘要:以揚麥13和徐麥31為試驗材料,采用開放的田間增溫系統(tǒng)對冬小麥進(jìn)行全生育時期夜間增溫處理,模擬氣候變暖增溫情景,探討夜間增溫對冬小麥生長發(fā)育過程和產(chǎn)量的影響機制。結(jié)果表明,夜間增溫使冬小麥物候期提前,總生育時期天數(shù)縮短,且對偏暖年型的影響更為顯著。夜間增溫使冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結(jié)實小穗數(shù)下降,不孕小穗數(shù)增加,不利于穗粒數(shù)形成,同時夜間增溫使冬小麥有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量下降,最終導(dǎo)致產(chǎn)量的三要素共同下降,導(dǎo)致了冬小麥的減產(chǎn),且在偏暖年型下,減產(chǎn)幅度更大。另外,夜間增溫條件下,強筋冬小麥產(chǎn)量的減幅大于弱筋冬小麥。
關(guān)鍵詞:氣候變暖;夜間增溫;冬小麥;生長發(fā)育過程;產(chǎn)量
中圖分類號: S512.101文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號:1002-1302(2019)21-0144-04
收稿日期:2018-10-18
基金項目:國家自然科學(xué)基金(編號:41105078);江蘇省自然科學(xué)基金(編號:BK2011827);江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(編號:09KJB210004)。
作者簡介:蘇海報(1989—),男,江蘇徐州人,碩士,助理工程師,主要從事農(nóng)業(yè)氣象、天氣預(yù)報研究。E-mail:suhaibao2018@163.com。
政府間氣候變化專業(yè)委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五次評估報告(AR5)預(yù)估未來全球氣候變暖仍將持續(xù),21世紀(jì)末全球平均地表溫度將在1986—2005年的基礎(chǔ)上升髙0.3~4.8 ℃[1],全球溫度記錄表明,夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[2-4]。我國溫度上升趨勢與全球基本一致,近50年來我國陸地表面平均溫度上升了1.38 ℃,變暖速率為0.23 ℃/10年[5],預(yù)計到2050年將上升1.2~2.0 ℃[6],增幅同樣表現(xiàn)為夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[7],即全球氣候變暖主要表現(xiàn)為日較差減小,夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[8]。溫度是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵氣象因子,夜間溫度升高必然會對其產(chǎn)生一定的影響。
小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一,目前關(guān)于溫度升高對其影響的研究尚存分歧。有研究表明,溫度升高可以增加冬小麥的株高、葉面積指數(shù)、有效分蘗、有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量,使其增產(chǎn)[9-12]。也有研究表明,溫度升高使冬小麥的無效分蘗增加,收獲指數(shù)下降,導(dǎo)致減產(chǎn)[13-18]。從全球范圍來看,溫度升高和作物產(chǎn)量呈較為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]。本試驗擬通過設(shè)置田間開放式增溫系統(tǒng),分析夜間增溫對冬小麥生長發(fā)育過程的影響,旨在探索夜間增溫對冬小麥產(chǎn)量影響的機制,為氣候變暖背景下冬小麥的生產(chǎn)措施提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗地概況
試驗地位于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站(118.70°E、32.20°N)內(nèi),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均溫度為15.6 ℃,年極端最高溫度為39.7 ℃,年極端最低溫度為-13.1 ℃,年平均降水量為1 100.0 mm,年平均無霜期為237 d,年平均日照時數(shù)超過1 900 h。試驗地前茬作物為水稻,收獲后,秸稈還田處理。試驗地土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土,黏粒含量為26.1%,土壤pH值為6.2,有機碳、全氮含量分別為19.4、11.5 g/kg。
1.2試驗材料與處理
試驗材料為揚麥13(弱筋冬小麥,籽粒蛋白質(zhì)含量約為11%)和徐麥31(強筋冬小麥,籽粒蛋白質(zhì)含量約為16%)。試驗周期為2012—2014年2個冬小麥生長季,均于11月15日播種,5月30日前收獲。試驗地肥料用量分別為氮肥(N 168 kg/hm2)、磷肥(P2O5 105 kg/hm2)和鉀肥(K2O135 kg/hm2),磷、鉀肥作為基肥一次性施入,氮肥分為底肥和拔節(jié)肥,用量各1/2,生產(chǎn)管理參照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程。
依據(jù)對我國未來溫度變化的預(yù)測[1-5],設(shè)定的平均溫度增幅為2.0 ℃。本試驗共設(shè)置2個處理,分別為不增溫處理(CK)和夜間增溫處理(NW)。CK是指在自然溫度下的處理,NW是指在18:00至次日06:00對冬小麥冠層進(jìn)行2.0 ℃ 增溫的處理。冬小麥出苗后開始進(jìn)行夜間增溫處理(雨雪天停止增溫),直至冬小麥?zhǔn)斋@。每個小區(qū)面積為3 m×3 m=9 m2,重復(fù)3次,隨機排列。相同增溫處理小區(qū)的間隔為0.5 m,夜間增溫處理小區(qū)與不增溫處理小區(qū)的間隔為2.5 m,間隔栽培冬小麥作為保護行,防止熱量擴散相互影響。參照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》觀測冬小麥的生育時期,每小區(qū)選定2行1 m長發(fā)育期觀測區(qū),隨機選取10株冬小麥用來測定葉面積指數(shù)、株高和干物質(zhì)質(zhì)量等一系列的生長指標(biāo),并求平均值[20]。
1.3試驗期間增溫系統(tǒng)設(shè)計和效果
1.3.1增溫系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)4部分組成。電力系統(tǒng)由南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站提供,溫度控制系統(tǒng)主要由自行研制的單片機、定時器和溫度傳感器等組成,溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、地溫傳感器、數(shù)據(jù)采集器和蓄電池等組成,加熱系統(tǒng)主要由紅外陶瓷加熱燈和白色不銹鋼紅外反射燈罩組成[15]。另外,隨著冬小麥的生長,冠層溫度傳感器位置逐漸上移,地溫傳感器位置不變。
1.3.2增溫系統(tǒng)效果
從表1可以看出,在冬小麥的整個生育時期內(nèi),夜間增溫時段冬小麥冠層的平均溫度增幅效果良好,基本滿足試驗需求。
1.4試驗期間氣候背景
表2給出了南京市30年(1981—2011年)冬小麥生長季的各月平均溫度及本試驗2個冬小麥生長季的平均溫度距平。2012—2013年冬小麥生長季的平均溫度距平僅0.14 ℃,與30年平均溫度基本持平,屬于平均年型。2013—2014年冬小麥生長季的平均溫度距平達(dá)1.19 ℃,比往年溫度偏高,屬于偏暖年型。
1.5數(shù)據(jù)處理
所有數(shù)據(jù)用Excel 2013軟件整理,DPS 9.5和SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析。
2結(jié)果與分析
2.1夜間增溫對冬小麥物候期和生育時期天數(shù)的影響
揚麥13和徐麥31的物候期及生育時期天數(shù)基本一致。從表3可以看出,夜間增溫使2種年型冬小麥各物候期不同程度提前,全生育時期天數(shù)縮短,且對偏暖年型的影響更為明顯。夜間增溫條件下,2012—2013年(平均年型)冬小麥生長季以拔節(jié)期提前最為明顯,提前6 d;2013—2014年(偏暖年型)冬小麥生長季拔節(jié)期、孕穗期和成熟期均提前7 d。與CK相比,NW使2012—2013年冬小麥生長季總生育時期天數(shù)縮短4 d;使2013—2014年冬小麥生長季總生育時期天數(shù)縮短7 d。
2.2夜間增溫對冬小麥葉面積指數(shù)的影響
葉片是作物進(jìn)行光合作用的主要器官,葉面積指數(shù)(LAI)的大小直接影響作物受光和農(nóng)田小氣候,是作物群體結(jié)構(gòu)合理性的標(biāo)志之一[15,20]。從表4可以看出,夜間增溫不同程度地提高了2種年型冬小麥開花前LAI(不顯著),降低了開花后LAI(較顯著)。與CK相比,NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的開花前LAI分別提高了1.40%、2.16%,開花后LAI分別降低了5.56%、8.55%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的開花前LAI分別提高了2.21%、4.42%,開花后LAI分別降低了7.79%、11.25%。總體來看,夜間增溫條件下,冬小麥開花前LAI增幅小于開花后LAI降幅,說明NW對開花后LAI的影響更大一些。品種間比較則可以發(fā)現(xiàn),開花前或開花后LAI,NW對徐麥31的影響都更大一些。
2.3夜間增溫對冬小麥株高的影響
株高是衡量作物生長速度的標(biāo)志之一[15]。從表5可以看出,夜間增溫提高了2種年型冬小麥株高,品種間表現(xiàn)也基本一致,但影響均較小。與CK相比,NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的株高分別提高了2.75%、3.16%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的株高分別提高了2.91%、0.50%。
2.4夜間增溫對冬小麥穗部特征的影響
從表6可以看出,夜間增溫不同程度降低了2種年型冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結(jié)實小穗數(shù),增加了不孕小穗數(shù),且對偏暖年型的影響更大。與CK相比,NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的穗長分別降低了10.81%、9.57%,總小穗數(shù)分別降低了7.46%、4.71%,結(jié)實小穗數(shù)分別降低了8.74%、6.21%,不孕小穗數(shù)分別提高了5.56%、14.29%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的穗長分別降低了12.32%、10.34%,總小穗數(shù)分別降低了8.59%、6.35%,結(jié)實小穗數(shù)分別降低了10.61%、8.67%,不孕小穗數(shù)分別提高了10.53%、18.75%。
2.5夜間增溫對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
產(chǎn)量三要素為單位面積的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量,它們對產(chǎn)量的形成至關(guān)重要[15,20]。從表7可以看出,夜間增溫不同程度地降低了2種年型冬小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量,且對偏暖年型的影響更為顯著。與CK相比,NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的產(chǎn)量分別降低了4.32%、7.25%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的產(chǎn)量分別降低了9.95%、11.46%。總體來看,夜間增溫條件下,2種年型冬小麥生長季徐麥31的產(chǎn)量降幅均大于揚麥13,說明NW對強筋冬小麥的影響更大。
3討論與結(jié)論
IPCC第四次報告指出,春季的物候現(xiàn)象(植物和動物)出現(xiàn)時間提前,與氣候變暖造成的生長季變化有關(guān)[3],在過去10年中,大約有385種植物的開花期比40年前提前了4.5 d,當(dāng)溫度升高2.5 ℃時,許多植物的開花期提前了5~25 d[21-22]。本研究表明,對南京地區(qū)而言,夜間增溫使冬小麥物候期提前,總生育時期天數(shù)縮短,且對偏暖年型的影響更為顯著。
作物產(chǎn)量形成的實質(zhì)是其和環(huán)境之間物質(zhì)-能量的轉(zhuǎn)化過程[23]。高永剛等認(rèn)為,近40年來,我國東北地區(qū)玉米產(chǎn)量受氣候變暖影響一直增加,增速為4.81%/10年,而大豆以1.52%/10年的速度減產(chǎn)[24],西北地區(qū)不同作物產(chǎn)量也有增有減,不盡相同[25]。單位面積的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量是產(chǎn)量構(gòu)成的三要素[20]。房世波等的研究表明,夜間增溫增加了冬小麥的無效穗數(shù),顯著減少了有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量,最終導(dǎo)致減產(chǎn)[8]。劉萍等的研究表明,花后高溫對弱筋冬小麥的粒質(zhì)量影響較小,對強筋小麥的粒質(zhì)量影響較大[26]。高素華等的研究表明,隨著溫度的升高,作物產(chǎn)量逐漸下降[27-29]。本研究表明,對南京地區(qū)而言,夜間增溫對冬小麥株高影響較小,對開花后LAI影響較大,LAI下降不利于光合作用進(jìn)行[30-31],而且夜間增溫使日較差減小,導(dǎo)致夜間呼吸消耗加劇,不利于物質(zhì)積累[32]。另外,夜間增溫使冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結(jié)實小穗數(shù)降低,不孕小穗數(shù)增加,不利于穗粒數(shù)形成,同時夜間增溫使有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量下降,最終導(dǎo)致產(chǎn)量三要素共同下降,導(dǎo)致了冬小麥減產(chǎn)。本研究同時表明,夜間增溫對強筋冬小麥的產(chǎn)量影響更大,對弱筋冬小麥的產(chǎn)量影響較小。由于本研究是在南京地區(qū)進(jìn)行的試驗,對其他地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的影響還有待進(jìn)一步探索。建議在全球氣候變暖背景下,采用適宜品種或者措施來應(yīng)對溫度升高產(chǎn)生的不利影響,從而確保冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。
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