趙紅飛,潘仕球,喬云發(fā),高雅曉玲,苗淑杰
(應用氣象學院,南京信息工程大學,南京 210044)
IPCC指出,全球年均氣溫增加趨勢明顯,預測到2100年前后中國大陸平均氣溫將升高2℃[1-2]。溫度的逐漸增加勢必會影響小麥生長和產量,進而影響中國糧食安全[3]。盡管已經對增溫條件下小麥產量變化作了大量研究,但是增溫對小麥產量的影響一直存有爭議。譚凱炎等[4]發(fā)現(xiàn),偏冷年份增溫會導致生長在河北地區(qū)典型褐土上的冬小麥增產,而偏暖年份增溫會導致冬小麥減產。王鶴齡等[5]發(fā)現(xiàn)增溫會導致生長在蘭州黃綿土上的春小麥產量下降。田云錄等[6]發(fā)現(xiàn)增溫會導致生長在南京地區(qū)棕壤土上的冬小麥增產。李娜等[7]發(fā)現(xiàn)增溫會導致生長在寧夏地區(qū)白疆土上的春小麥減產。前人研究所獲得的不一致的結果可能是由于小麥品種、氣候條件和土壤類型的差異所導致的。其中,土壤類型是影響小麥產量對增溫響應的一個重要因素[8]。姬景紅等[9]研究發(fā)現(xiàn)作物對養(yǎng)分的吸收、利用和積累會因不同地區(qū)的土壤和氣候存在差異。車京玉等[10]的研究發(fā)現(xiàn)春小麥產量在不同類型土壤的表現(xiàn)為沙壤質黑土>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、千粒重和籽粒產量均優(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,增溫可能對粉質粘土壤土上的小麥產生更大的負面影響。這些研究結果表明在理化性質不同的土壤類型中,小麥對增溫的響應存在著差異[14]。
本研究的目的是揭示生長在不同類型土壤上的小麥對增溫的響應。因為不同類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、風沙土、潮土、紅壤和磚紅壤移到南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站,利用開放式增溫系統(tǒng)進行24 h全生育期增溫。調查小麥產量的變化,分析影響產量變化的因素,進而揭示不同土壤類型條件下增溫的效應。
試驗在南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站(32.16°N,118.86°E)進行。試驗站位于北亞熱帶季風氣候區(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。年平均相對濕度為76%,無霜期237天。
供試小麥品種為‘濟麥22’,適宜播種溫度為14~16℃。
供試土壤為黑龍江黑土、遼寧棕壤、內蒙古風沙土、河南潮土、江西紅壤和海南磚紅壤。
試驗采用農田開放式增溫系統(tǒng)(FATI),該裝置包括遠紅外加熱和溫度監(jiān)測兩部分。遠紅外加熱部分由165 cm×15 cm的紅外輻射加熱器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)構成。溫度監(jiān)測部分由兩個L92-1+型溫濕度記錄儀組成。增溫裝置架設在小麥上方40 cm,溫度探頭始終保持在遠紅外輻射加熱器下方的小麥冠層中,隨著小麥的生長調節(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?shù)脑鰷胤取男←湷雒缰脸墒?,采?4 h不間斷增溫模式。
試驗采用隨機區(qū)組框栽設計,框栽材料為PVC,規(guī)格為直徑33 cm,深度50 cm,裝土量35 kg,調整土壤容重與當?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),無追肥。試驗包含3個區(qū)組(即3個重復),每組設置對照(CK)和增溫(eT)處理。在增溫處理中,整個生長季日平均增溫2℃??蛟栽囼炗?018年10月27日進行播種,每框3穴,每穴3粒種子,出苗后每穴,盡量保留長勢相近的植株一株,2019年5月18日收獲。
(1)株高:在收獲時測量主莖的高度。
(2)生物量測定:收獲時,將每株小麥的葉片、葉鞘和莖干分開。用蒸餾水沖洗3遍,蒸餾水潤洗一遍。放入烘箱105℃殺青1 h,然后在80℃下烘至恒重,稱重。
(3)考種:小麥成熟后,調查穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產量。
利用WPS 2019和OriginPro 2019軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,本研究中數(shù)據(jù)均顯示為平均值±標準誤(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。
增溫有利于小麥植株長高(圖1)。增溫(eT)處理小麥的平均株高比對照(CK)增加了11.5%(P<0.05)。eT對小麥株高的影響會因土壤類型的不同而變化。在eT條件下,生長在黑土、棕壤、風沙土、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%。其中增溫對小麥株高影響最小的發(fā)生在風沙土上,而影響最大的發(fā)生在潮土上。
圖1 增溫對小麥株高的影響
圖2 增溫對冬小麥干物質積累的影響
增溫有利于莖、葉片和穗干物質積累(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對小麥地上干重的影響因土壤類型而不同。eT顯著增加了生長在風沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重,而生長在棕壤和磚紅壤上的小麥地上干重無明顯變化。eT對風沙土、潮土和紅壤上生長的小麥地上干重的影響因子不同。對風沙土和紅壤上生長的小麥來說,eT處理顯著增加了小麥穗干重。而對潮土上生長的小麥而言,eT處理顯著增加了小麥莖干重。eT對生長在黑土上小麥生物量的累積表現(xiàn)出負效應。eT條件下,生長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分別增長了10.0%和6.9%。這表明生長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。
增溫有利于小麥穗粒數(shù)和產量的增加(表1)。eT處理下小麥平均穗粒數(shù)和平均產量比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相比無明顯差異(P<0.05)。eT對小麥的產量及構成因素的影響因土壤類型而不同。在eT條件下,生長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,生長在風沙土和紅壤上的小麥產量比CK分別顯著增加44.7%和43.2%,而eT對生長在其他土壤類型上的小麥產量無顯著影響。eT條件下黑土的小麥產量比CK顯著減少33.3%,造成黑土的小麥產量下降的原因可能是因為有效穗數(shù)和千粒重的減少。在eT條件下,生長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%。
株高是衡量作物生長速度的標志之一[16]。本研究表明,增溫會顯著提高小麥的株高。這與田云錄等[6]的研究結果一致,主要是因為增溫減少了小麥的無效分蘗。但該結果與張凱[17]等研究認為增溫會導致干旱區(qū)春小麥株高產生負效應有所差異,這可能是由于小麥品種和地域之間的差異造成。
增溫對小麥株高的影響因土壤類型而不同。增溫對小麥株高影響最小的發(fā)生在風沙土上。這與郭丹丹等[11]的結果相類似,主要是因為土壤肥力較高的土壤更有利于小麥的生長,而風沙土土壤肥力較低,難以滿足增溫后小麥生長對養(yǎng)分的需求。而影響最大的發(fā)生在潮土上,說明增溫對生長在潮土上的小麥株高具有較好的促進效應。這可能是因為潮土對氣候變化比較敏感,氣溫上升有利于提高微生物活性,加速土壤有機質分解,為小麥生長提供更多的養(yǎng)分[18]。
增溫有利于冬小麥莖、葉片和穗的干物質積累,從而貢獻于其地上干物重的增加。這與前人的研究結果認為增溫會加快植物的生長速率,以致干物質得到有效累積,生物量增加[19]的結果相一致??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。這些研究結果表明,可能是增溫在一定程度上延長了活躍生長期(沒有越冬的生長期),促進了小麥地上部生長和干物質積累[21]。
各類型土壤上生長的冬小麥地上干重對增溫的響應不同。增溫顯著增加了生長在風沙土、潮土和紅壤上的小麥地上干重,而生長在棕壤和磚紅壤上的小麥地上干重無明顯變化,卻抑制了生長在黑土上小麥生物量的累積。這些結果表明,增溫對冬小麥地上干物質的積累的正負效應與土壤類型密切相關。尤其是對生長在黑土上的小麥地上干重的負效應主要來源于穗部干重的降低,該結果與楊衛(wèi)君[22]等的結果類似,出現(xiàn)這些結果的可能原因是增溫促進了小麥干物質向營養(yǎng)器官的分配,而使光合產物向收獲器官的輸送受到抑制的結果。雖然本研究證實了增溫對冬小麥地上干物質積累的影響因土壤類型而不同,但是針對生長在各土壤區(qū)域的冬小麥不同生育期之間的干物質積累的情況尚未探明,有必要進行進一步的田間試驗。
表1 增溫對冬小麥產量構成因素的影響
溫度是植物生長發(fā)育的重要氣象因子,溫度的升高會使作物產量發(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量,這與Qian等[26]和zhao等[27]的結果相類似。主要是因為增溫增加了小麥株高,提升了冠層的透光率,有利于光合作用的進行和光合產物的積累,從而促進小麥增產[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段增溫對中國小麥產量及生育期的影響程度,發(fā)現(xiàn)全天增溫對中國小麥產量無明顯影響。卞曉波等[25]研究發(fā)現(xiàn)花后全天增溫處理會顯著降低小麥產量、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冬小麥產量構成因素的影響不同,在偏暖年份增溫會導致冬小麥穗粒數(shù)增加、千粒重下降;而偏冷年份增溫會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,而對千粒重和有效穗數(shù)無明顯影響。高麗莉等[28]和田云錄等[6]均發(fā)現(xiàn)增溫會增加冬小麥穗粒數(shù)和千粒重。這是因為在一定的溫度范圍內,株高與小麥的產量和穗粒數(shù)之間呈極顯著正相關[21]。然而與石嬌嬌等[29]和楊衛(wèi)君等[22]認為增溫對小麥穗粒數(shù)和千粒重無明顯影響的結果不同。這些不同的研究結果表明,在復雜的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,增溫對小麥產量的影響會因為增溫幅度、增溫時期、環(huán)境條件和小麥品系的不同而產生差異。
冬小麥產量及其構成因子對增溫的響應因土壤類型而不同。增溫顯著增加了生長在風沙土和紅壤上的小麥產量,而對生長在其他土壤類型上的小麥產量無顯著影響。這與高濤等[30]的研究結果不同,其研究發(fā)現(xiàn),增溫會導致風沙土上生長的小麥產量下降。引起這種差異可能是因為本試驗地處北亞熱帶季風氣候區(qū),水熱條件較好,增溫有利于風沙土生產能力提升。增溫條件下生長在黑土上的小麥產量顯著降低,造成黑土上小麥產量下降的原因是有效穗數(shù)和千粒重的減少。這可能是因為增溫降低了黑土的硝化作用[15],從而導致土壤中硝態(tài)氮含量相對降低。而冬小麥是典型的喜硝作物,土壤中硝態(tài)氮含量下降引起冬小麥產量降低。雖然生長在不同類型土壤上的小麥產量對增溫的響應存在明顯差異,然而本研究僅僅為1年試驗的結果,不能給出大田生產的可靠證據(jù),本試驗結果有待于進一步的長期和田間試驗進行驗證。
增溫促使冬小麥株高、地上干重、穗粒數(shù)和產量分別增加了11.5%、17.7%、12.3%和12.8%,這表明增溫所致的穗粒數(shù)增加是冬小麥產量增加的主要因素。增溫增加了生長在風沙土、紅壤、潮土、黑土、磚紅壤和棕壤上小麥株高,其中生長在潮土上的小麥株高增幅最大,生長在風沙土上的小麥株高增幅最小。然而,因為生長在不同類型土壤上的冬小麥對增溫的適應能力不同,小麥產量對增溫的響應趨勢出現(xiàn)明顯差異。增溫提高了生長在風沙土、紅壤上的小麥產量,卻降低了黑土上的小麥產量。雖然本研究結果證實了生長在不同類型土壤上的冬小麥產量對增溫的響應存在明顯差異,但是僅為1年試驗結果,不能給出大田生產的可靠依據(jù),研究結果有待進一步長期試驗進行驗證。