晚冬早春田間階段性覆膜增溫促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量提高

杜 雄張維宏張永升曹彩云李科江

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) / 河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071001；2河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所， 河北衡水 053000

晚冬早春田間階段性覆膜增溫促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量提高

杜 雄1，*張維宏1張永升1曹彩云2李科江2

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) / 河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北保定 071001；2河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所， 河北衡水 053000

針對(duì)華北平原北部冬春溫度變化與冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需適宜溫度間的矛盾， 以及由此造成的冬小麥相對(duì)低產(chǎn)問(wèn)題， 于2012—2013和2013—2014連續(xù)2個(gè)生長(zhǎng)季， 通過(guò)大田試驗(yàn)研究了晚冬早春搭建棚室階段性升高田間溫度對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明， 2月20日前后麥田塑膜覆蓋每提前1周積溫提高23.0～49.7℃， 1月下旬至3月上旬的整個(gè)升溫階段內(nèi)可增加積溫167.7～176.8℃， 從而小麥生長(zhǎng)發(fā)育提前。塑膜揭除后形成的相對(duì)低溫環(huán)境使后續(xù)各生育階段持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)4～10 d。與常規(guī)種植（對(duì)照）相比， 最早增溫處理的開(kāi)花期干物質(zhì)產(chǎn)量提高18.8%， 葉面積指數(shù)提高14.7%， 花后光合勢(shì)增加43.6%， 花后凈光合速率高值持續(xù)期延長(zhǎng)10 d以上； 返青后各生育階段的延長(zhǎng)促進(jìn)了干物質(zhì)積累和向籽粒轉(zhuǎn)移， 有效穗數(shù)增加48～98萬(wàn)hm-2、單穗粒數(shù)增加3.9～4.5粒、千粒重增加2.5～5.6 g。在全生長(zhǎng)季積溫較少的2012—2013年度， 最早增溫處理的籽粒產(chǎn)量提高37.5%， 在積溫較多的2013—2014年度增產(chǎn)18.2%， 并提前5 d成熟。晚冬早春農(nóng)田階段性覆膜增溫是有效提高小麥籽粒產(chǎn)量的新型方法， 提前并延長(zhǎng)了生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)累積的時(shí)間是改善小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素和獲得高產(chǎn)的原因。

晚冬早春； 階段性覆膜增溫； 冬小麥； 產(chǎn)量； 華北平原北部

華北平原北部是中國(guó)重要的小麥產(chǎn)區(qū)， 也是中國(guó)氣候變暖最顯著的地區(qū)［1-3］， 溫度是影響區(qū)域小麥產(chǎn)量的主要環(huán)境因子之一［4-5］。華北平原北部因水資源稀缺［6］和地理區(qū)位［7］的原因， 地面熱容量低導(dǎo)致冬季寒冷且漫長(zhǎng)、春季升溫迅速而短暫， 氣候變暖的大環(huán)境和區(qū)域熱容量低的小環(huán)境共同作用， 致使小麥在長(zhǎng)時(shí)間休眠后生長(zhǎng)發(fā)育又被高溫所“驅(qū)使”，嚴(yán)重偏離了適宜發(fā)育軌道［8］， 產(chǎn)量相對(duì)降低。對(duì)于全球氣候變暖背景下小麥花后常遇高溫影響， 業(yè)已開(kāi)展了大量研究。花后高溫導(dǎo)致小麥減產(chǎn)業(yè)已基本定論［9-12］， 原因在于花后初始階段高溫可導(dǎo)致不孕小穗增加和穗粒數(shù)減少［10，13］， 長(zhǎng)時(shí)間高溫又致使植株早衰和灌漿期縮短［14-15］、粒重降低［16］。而全生育期增溫， 在華北北部偏冷年型下彌補(bǔ)了低溫對(duì)小麥的負(fù)面作用， 產(chǎn)量得以提高［2］， 而在偏暖年型下基于前述原因產(chǎn)量又顯著下降［2］。當(dāng)前幾乎都是采用花后或全生育期人工控制升溫， 預(yù)測(cè)或探索未來(lái)氣溫變化對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響［17-20］。針對(duì)華北北部氣候特征和未來(lái)變化， 如何主動(dòng)采取有效應(yīng)對(duì)措施來(lái)緩解對(duì)小麥生產(chǎn)的負(fù)面作用［21-23］， 以及對(duì)采取措施下小麥增產(chǎn)效果的研究相對(duì)薄弱， 導(dǎo)致的相對(duì)低產(chǎn)問(wèn)題至今依然無(wú)法有效緩解或解決。因此創(chuàng)造小麥早發(fā)環(huán)境和耦合熱量供需， 在提前返青和生長(zhǎng)發(fā)育的前提下， 延緩后續(xù)生育進(jìn)程來(lái)增加穗粒數(shù)和延長(zhǎng)灌漿時(shí)間以提高粒重， 成為規(guī)避熱害和實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)的關(guān)鍵所在。本試驗(yàn)在小麥完成春化的晚冬早春季節(jié)， 通過(guò)農(nóng)田搭建簡(jiǎn)易塑膜棚室實(shí)施階段性升溫而后揭膜相對(duì)降低溫度， 研究溫度變化對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的效果， 以緩解區(qū)域氣候原因?qū)ζ渖L(zhǎng)發(fā)育消極影響， 為進(jìn)一步提高籽粒產(chǎn)量提供理論和方法上的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

實(shí)施田間試驗(yàn)的河北省農(nóng)林科學(xué)院深州旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站位于典型的黑龍港平原區(qū)（37°54′12.50″N， 115°42′10.94″ E， 海拔20 m）， 年降水量500 mm左右， 小麥生長(zhǎng)季平均降水量 60～120 mm， 年平均氣溫12.7℃， 地下水埋深10 m以下。研究用地土壤類(lèi)型為壤質(zhì)潮土， 耕層土壤含有機(jī)質(zhì)12.53 g kg-1、堿解氮65.8 mg kg-1、速效磷15.3 mg kg-1、速效鉀121.9 mg kg-1。其主要生態(tài)條件代表了華北北部平原。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)方法與田間管理 2012—2013和2013—2014連續(xù)實(shí)施兩個(gè)生長(zhǎng)季， 均以石麥18為試驗(yàn)品種， 采取隨機(jī)區(qū)組排列， 3次重復(fù)， 小區(qū)面積為4 m ×4 m。播種前按純氮 135 kg hm-2、P2O5135 kg hm-2、K2O 180 kg hm-2底施， 旋耕鎮(zhèn)壓后在每年10月10日使用Wintersteiger精量播種機(jī)播種， 行距15 cm，播種量187.5 kg hm-2。在拔節(jié)期、揚(yáng)花期和灌漿期灌水3次， 每次定量灌溉75 mm， 保證整個(gè)生長(zhǎng)季小麥不存在水分脅迫， 拔節(jié)期隨灌水追氮 135 kg hm-2。

1.2.2 增溫處理 小麥經(jīng)過(guò)春化后， 以田間搭建簡(jiǎn)易塑膜棚室實(shí)現(xiàn)階段性增溫， 在小區(qū)四周和中部位置用磚搭建高 30 cm的支架， 支架上放置竹竿做支撐， 而后在上面覆蓋塑膜， 以覆蓋時(shí)間的早晚和長(zhǎng)短、以及不同的覆蓋層數(shù)來(lái)獲得不同積溫?cái)?shù)量和小麥生長(zhǎng)起始時(shí)間。塑膜覆蓋后在小區(qū)四周用磚將膜壓實(shí)， 隨著外界氣溫的回升， 通過(guò)減少塑膜層數(shù)來(lái)降低膜下溫度， 每次揭膜后小區(qū)四周仍被壓實(shí)。以常規(guī)種植為對(duì)照。

2012—2013生長(zhǎng)季設(shè)置4個(gè)增溫處理。2013年2月1日同時(shí)覆蓋3層塑膜， 在2月25日、3月5日和10日分3次逐層揭除（A1-3）； 此后每隔7 d設(shè)置一個(gè)處理， 即在2月8日（B1-2）、15日（C1-2）和22日（D1-2）同時(shí)覆蓋兩層塑膜， 這 3個(gè)處理的塑膜均在3月5日和10日分兩次逐層揭除。

2013—2014生長(zhǎng)季設(shè)置5個(gè)增溫處理。2014年1月25日布置2個(gè)處理， 一是同時(shí)覆蓋3層塑膜， 并在2月10日、2月26日和3月4日分3次逐層揭除（A2-3）； 二是同時(shí)覆蓋2層塑膜， 并在2月20日和3月4日分2次逐層揭除（A2-2）； 2月1日、8日各布置一個(gè)處理， 同時(shí)覆蓋兩層塑膜， 均在2月20日和3月4日分兩次逐層揭除（B2-2和C2-2）； 2月15日布置一個(gè)單層有孔膜覆蓋處理， 3月4日揭除（D2-1）。

使用的塑膜厚度為0.03 mm且白色透明。多層覆蓋處理的最內(nèi)層和單層膜覆蓋處理為有孔膜， 孔口直徑1 cm， 孔口間距為2 cm左右， 孔口用電鉆鉆取而成。棚室搭建后， 露地和棚室內(nèi)用MicroLite5008 型U盤(pán)式溫度記錄儀測(cè)定溫度， 溫度記錄儀放置于小百葉箱內(nèi)， 每小時(shí)自動(dòng)記錄一次溫度。計(jì)算日均溫和積溫。同時(shí)試驗(yàn)站內(nèi)有自動(dòng)氣象站全年監(jiān)測(cè)逐日溫度（圖1）。2個(gè)冬小麥生長(zhǎng)季的積溫分別為1866.2℃和2329.7℃。

圖1 2012-2013和2013-2014年度小麥全生育期內(nèi)逐日氣溫Fig.1 Daily air temperature during winter wheat growing season of 2012-2013 and 2013-2014

1.3 小麥生長(zhǎng)發(fā)育監(jiān)測(cè)及產(chǎn)量測(cè)定

1.3.1 生育時(shí)期調(diào)查 記錄不同處理各生育時(shí)期的出現(xiàn)的日期。以伸長(zhǎng)的節(jié)間伸出地面 1.5～2.0 cm定為拔節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)， 全田 50%的主莖達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)視為拔節(jié)期； 50%的穗中部小穗上有小花開(kāi)花為開(kāi)花期；揚(yáng)花后15 d為灌漿期； 當(dāng)籽粒含水量達(dá)到20%時(shí)為成熟的標(biāo)準(zhǔn)， 此時(shí)小麥整株全部枯黃， 籽粒變黃變硬。

1.3.2 葉面積指數(shù)和光合特性參數(shù) 開(kāi)花后每 7 d從每處理同時(shí)取代表性小麥植株30株， 測(cè)量葉面積指數(shù)， 直至收獲。用干重法測(cè)定和計(jì)算葉面積指數(shù)。

樣葉面積（cm2）= ∑（長(zhǎng)×寬）/1.2； 葉面積指數(shù)=樣葉面積（cm2）/樣葉重（g）×綠葉總重（g）/30×基本苗（株m-2）/10 000； 光合勢(shì)= （階段起始時(shí)葉面積+階段結(jié)束時(shí)葉面積）/2×階段持續(xù)天數(shù)。

使用 CI-340便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)（CID公司，USA）， 從開(kāi)花之日起各處理每10 d于自然光下測(cè)定旗葉的凈光合速率（Pn）， 自8：30開(kāi)始至18：30每2 h測(cè)定一次。

1.3.3 產(chǎn)量相關(guān)性狀的測(cè)定 成熟后在每小區(qū)中心位置選取 2行長(zhǎng)度 2 m的樣本行計(jì)數(shù)有效穗數(shù)，根據(jù)行距折算單位面積穗數(shù)， 而后拔取代表性樣株30株并去除根部， 考察穗粒數(shù)后， 按籽粒和營(yíng)養(yǎng)器官分樣， 80℃烘至恒重并稱(chēng)重， 計(jì)算收獲指數(shù)； 在各小區(qū)中心區(qū)域收取4 m2面積并脫粒， 當(dāng)籽粒晾曬至含水量 13%時(shí)， 測(cè)定千粒重。將樣株籽粒合并于各小區(qū)后稱(chēng)取籽粒重量， 并換算各處理單位面積產(chǎn)量。

1.4 土壤水分含量測(cè)定及水分利用效率計(jì)算

在播種和收獲后用土鉆鉆取 0～200 cm土層土樣， 每10 cm為一層， 采用烘干法測(cè)定土壤含水量。用自動(dòng)氣象站跟蹤監(jiān)測(cè)小麥全生育期內(nèi)降水量，2012—2013和 2013—2014生長(zhǎng)季降水量分別為122.2 mm和79.5 mm。依據(jù)下列公式計(jì)算小麥田間耗水量和水分利用效率［24］： 土壤貯水量（mm）= 土層厚度（cm）×土壤容重（g cm-3）×土壤重量含水量×10；土壤貯水消耗量（mm）= 播種時(shí)土壤貯水量－收獲時(shí)土壤貯水量； 田間水分蒸散量（mm）= 土壤貯水消耗量+降水量+灌水量+地下水補(bǔ)給量- 徑流量- 滲漏量。水分利用效率（kg mm-1hm-2）= 籽粒產(chǎn)量/田間水分蒸散量。

因試驗(yàn)地點(diǎn)的地下水埋深在10 m以下， 小麥生長(zhǎng)季的單次降水和灌水量都不大于 75 mm， 計(jì)算公式中的地下水補(bǔ)給量、滲漏量、徑流量均以0計(jì)算。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003整理數(shù)據(jù)和繪圖； 用SAS 8.12軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 并用Duncan’s新復(fù)極差法比較差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫效果與冬小麥生育進(jìn)程

塑膜覆蓋時(shí)間和層數(shù)決定著升溫階段積溫的數(shù)量（圖2和圖3）， 覆蓋時(shí)間越長(zhǎng)、層數(shù)越多積溫就越多。2層塑膜條件下， 覆蓋每提前1周積溫提高23.0～49.7℃， 同期覆蓋3層（A2-3）較2層（A2-2）積溫提高24.4℃， 而單層有孔膜（D2-1）積溫增加效果最差。綜合來(lái)看， 升溫時(shí)間最早的3層處理（A1-3和A2-3）在覆蓋的40 d內(nèi)較對(duì)照增加積溫167.7～176.8℃。

圖2 升溫階段不同處理的日均溫動(dòng)態(tài)Fig.2 Dynamics of average daily temperature in different treatments during artificial warming

圖3 升溫階段不同處理的積溫比較Fig.3 Comparison of accumulated temperature in different treatments under artificial warming

升溫越早、時(shí)間越長(zhǎng)， 冬小麥返青后的各生育時(shí)期越往前移。小麥提前生長(zhǎng)發(fā)育后， 其各生育階段日均溫度較對(duì)照降低， 有效延長(zhǎng)了各生育階段的持續(xù)時(shí)間（表1）， 這為小麥的穗發(fā)育、授粉和灌漿提供了充分的溫度和（或）時(shí)間保障。升溫處理每提前1周， 返青、拔節(jié)和揚(yáng)花期分別提前4～7、3～5和2 d。 2個(gè)年度升溫最早的A1-3、A2-3較對(duì)照返青至拔節(jié)期延長(zhǎng)5～10 d、拔節(jié)至揚(yáng)花期延長(zhǎng)5～7 d、揚(yáng)花至收獲期延長(zhǎng)4～8 d， 因2012—2013年度返青后長(zhǎng)期持續(xù)低溫的原因（圖1）， 各增溫處理較對(duì)照未能提前成熟； 而在全生育期積溫較多的 2013—2014年度，A2-3較對(duì)照提前5 d成熟。綜上所述， 晚冬早春麥田階段性升溫有效提前并延長(zhǎng)了冬小麥返青至成熟的生育進(jìn)程， 為小麥干物質(zhì)累積和增加產(chǎn)量準(zhǔn)備了時(shí)間條件， 小麥提前灌漿和成熟又可有效規(guī)避生育后期高溫?zé)岷?duì)產(chǎn)量形成的負(fù)面作用。

表1 不同處理下冬小麥各生育階段的經(jīng)歷時(shí)間及其積溫?cái)?shù)量Table1 Duration of each growing period and accumulated temperature in the growing period under different treatments

2.2 籽粒產(chǎn)量及水分利用效率

晚冬早春麥田階段性升溫有效增加了小麥的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重， 產(chǎn)量顯著增加（表2），升溫越早、時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成要素的增加作用就越大。在春季溫度較低的2012—2013年度， 田間升溫后較對(duì)照最多可增產(chǎn)2263 kg hm-2， 增幅為37.5%，對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)為千粒重>穗粒數(shù)>單位面積穗數(shù)。在溫度條件較好的2013—2014年度， 增產(chǎn)效果較上年降低， 最多增產(chǎn)1592 kg hm-2， 增幅為18.2%， 對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)為穗粒數(shù)≈單位面積穗數(shù)>千粒重， 增產(chǎn)效果的降低在于對(duì)照的產(chǎn)量較上年大幅提升。兩年結(jié)果對(duì)比表明， 在積溫不足年份， 人工增加生長(zhǎng)季積溫， 產(chǎn)量可得到快速提高， 而在積溫較多年份繼續(xù)增加積溫的增產(chǎn)效果降低， 這則是“最小因子定律”和“報(bào)酬遞減律”［25-26］在溫度方面的共同體現(xiàn)。

升溫顯著增產(chǎn)的同時(shí)， 也相應(yīng)增加了小麥的田間耗水， 但田間耗水的增加幅度小于增產(chǎn)幅度，2012—2013年度全部升溫處理、2013—2014年度除D2-1 （覆蓋最晚）外的其他升溫處理的 WUE均顯著高于對(duì)照。對(duì)于兩年度產(chǎn)量最高的A1-3和A2-3， 在增產(chǎn) 37.5%和 18.2%的情況下， 田間耗水僅增加5.5%和5.9%， 結(jié)果是WUE提高30.3%和11.6%， 說(shuō)明晚冬早春麥田階段性升溫也是一種促進(jìn)小麥高效用水的栽培方法。

表2 不同處理的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率Table2 Yield and water use efficiency of the winter wheat under different treatments in two growing seasons

2.3 開(kāi)花后的光合性能

2.3.1 葉面積指數(shù)和光合勢(shì)變化 晚冬早春升溫后冬小麥提前返青生長(zhǎng)， 升溫越早返青到揚(yáng)花的時(shí)間就越長(zhǎng)（表1）， 花期葉面積指數(shù)（LAI）顯著增加（圖4）； 階段性增溫也使開(kāi)花提前并延緩了花后 LAI下降。2012—2013年度， 增溫最早的 A1-3開(kāi)花時(shí)的LAI較對(duì)照提高14.7%， 花后28 d對(duì)照降至1.33， 僅為A1-3處理的25.6%， 2個(gè)年度LAI雖然增溫處理與對(duì)照間的比值不同， 但變化趨勢(shì)一致。同樣， 適時(shí)升溫后的花后光合勢(shì)（LAD）也較對(duì)照顯著增加， 覆蓋日期越早且時(shí)間越長(zhǎng) LAD增加就越多（圖5）。2個(gè)年度花后LAD最大的A1-3和A2-3分別較對(duì)照提高46.3%和33.0%。兩年對(duì)比表明， 階段性增溫處理的花后LAD不僅同升溫早晚和持續(xù)時(shí)間有關(guān)， 還同全生育期溫度條件有關(guān)。在溫度較低的2012—2013年度， 階段性升溫對(duì)增加花后LAD的效果好于翌年但總量較少， 這也是該年度增產(chǎn)幅度較大而產(chǎn)量較低的原因所在。

圖4 開(kāi)花后不同處理的葉面積指數(shù)Fig.4 Leaf area index after anthesis in different treatments

圖5 開(kāi)花后不同處理的光合勢(shì)Fig.5 Leaf area duration after anthesis in different treatments

2.3.2 凈光合速率 從4月26日至5月16日， 各處理全天凈光合速率（Pn）呈單峰變化趨勢(shì)， 5月6日前最高值出現(xiàn)在12：30， 隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)和環(huán)境溫度的升高， 各處理全天Pn最高值提前至10：30， 進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)?月26日的雙峰特征， 12：30—14：30成為全天的低點(diǎn)， 在較高的溫度下， 小麥 Pn存在明顯的“午休”現(xiàn)象（圖6）。在田間升溫小麥開(kāi)花提前條件下，5月6日前全天Pn增溫的A2-3和A2-2顯著高于對(duì)照， 至5月16日， 各處理間的全天Pn除在10：30外均不存在顯著差異。而5月26日對(duì)照和D2-1的Pn在10：30和12：30顯著高于A2-3和A2-2， 說(shuō)明對(duì)照和 D2-1因開(kāi)花時(shí)間較晚其耐受高溫的能力相對(duì)強(qiáng)于A2-3和A2-2?；ê蟾魈幚肀容^表明， A2-3和A2-2 的Pn高值持續(xù)期較對(duì)照多10 d以上。對(duì)照雖然灌漿后期（5月26日）上午Pn顯著高于其他處理， 但因總持續(xù)時(shí)間短而減少了光合產(chǎn)物的累積。Pn高值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且不存在“午休”現(xiàn)象， 是較早升溫處理的粒重顯著高于對(duì)照的一個(gè)重要原因。

圖6 2014年不同處理相同日期的小麥旗葉凈光合速率日變化Fig.6 Daily dynamic of net photosynthetic rate of flag leaf of the winter wheat in a whole day under different treatments in 2014

2.4 干物質(zhì)轉(zhuǎn)移與分配

晚冬早春階段性升溫因提早并延長(zhǎng)了冬小麥返青至成熟（收獲）的持續(xù)時(shí)間， 花期干物質(zhì)重量顯著提高， 兩個(gè)年度較對(duì)照最大可提高 11.7%～18.8%，且 2013—2014年度干物質(zhì)積累量高于 2012—2013年度（表3）。晚冬早春升溫有效增加花期干物質(zhì)的結(jié)果為其向籽粒轉(zhuǎn)移提供了基本前提， 升溫越早營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量就越大， 兩個(gè)年度干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量最高比對(duì)照分別提高 37.0%和 57.6%。也正是2012—2013年度因花期物質(zhì)累積量相對(duì)不足， 導(dǎo)致產(chǎn)量較下生長(zhǎng)季更多地依賴花后同化物的輸送， 同樣是升溫越早且時(shí)間越長(zhǎng)， 花后同化物向籽粒輸送就越多； 但物質(zhì)轉(zhuǎn)移、花后同化物輸送同籽粒產(chǎn)量的線性關(guān)系， 兩種途徑物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率處理間不具顯著差異。而在2013—2014年度， 營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率及對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率均隨升溫時(shí)間提前而顯著增加， 雖然花后同化物向籽粒的輸送量較上年顯著提高， 但對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率較對(duì)照降低， 也由此提高了較早升溫處理的收獲期營(yíng)養(yǎng)器官的重量。這表明晚冬早春階段性升溫是小麥累積較多干物質(zhì)和獲得高產(chǎn)的充分條件， 開(kāi)花前后同化物均較充足時(shí)，選用庫(kù)容大的品種充分貯存花后同化物并提高對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率， 則是進(jìn)一步提高產(chǎn)量的必要條件。

表3 干物質(zhì)在冬小麥營(yíng)養(yǎng)器官和籽粒中的分配與轉(zhuǎn)運(yùn)Table3 Distribution and transportation of dry matter in vegetative organs and grains under different treatments

2.5 產(chǎn)量構(gòu)成因素與溫度的關(guān)系

返青至開(kāi)花期的日平均氣溫越高， 小麥單位面積有效穗數(shù)就越少（圖7-A）， 在2012—2013年度， 該階段的日平均氣溫每升高 1℃， 有效穗數(shù)將減少17.88萬(wàn)穗 hm-2， 在翌年該階段當(dāng)日均溫達(dá)到 14.0℃時(shí)， 穗數(shù)將達(dá)到 715.3萬(wàn)穗 hm-2的最低值， 春季快速升溫是造成小麥單位面積穗數(shù)減少的重要原因。返青至灌漿較高的環(huán)境溫度， 也可導(dǎo)致單穗粒數(shù)下降， 當(dāng)返青至灌漿階段的日均溫為 12.7℃時(shí)，可獲得最多的穗粒數(shù)， 而該階段的日均溫在 16.8℃時(shí)穗粒數(shù)降到最少（圖6-B）。開(kāi)花至收獲階段日均溫度同小麥千粒重在2個(gè)年度均呈顯著負(fù)相關(guān)（圖6-C），在2012—2013年度開(kāi)花時(shí)間較晚?xiàng)l件下，日均溫每提高 1℃千粒重降低 4.8 g， 在下個(gè)年度開(kāi)花時(shí)間相對(duì)提前時(shí)，日均溫提高對(duì)千粒重的負(fù)面作用變小，每提高1℃千粒重降低1.41 g， 在粒重較低時(shí)開(kāi)花至收獲階段溫度升高對(duì)粒重的負(fù)面作用就越大。升溫階段獲得的積溫越多籽粒產(chǎn)量就越高（圖7-D）， 回歸分析表明該階段最多可獲得300℃的積溫， 每增加1℃可提高產(chǎn)量10.3 kg hm-2， 春化完成后延長(zhǎng)晚冬早春的塑膜覆蓋時(shí)間獲得更多積溫是華北北部進(jìn)一步提高小麥產(chǎn)量的原因所在。綜合分析表明， 晚冬早春麥田覆蓋階段性升溫， 提前小麥生長(zhǎng)發(fā)育后適時(shí)揭除塑膜， 相對(duì)降低了早發(fā)小麥生長(zhǎng)的所處溫度并延長(zhǎng)了后續(xù)發(fā)育時(shí)間， 有效改善了單位面積有效穗數(shù)、單穗粒數(shù)和粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素， 從而產(chǎn)量得以顯著提高。

圖7 不同生育階段溫度與小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀的關(guān)系Fig.7 Relationship between temperature of different growing phases and yield-related traits of wheat

3 討論

當(dāng)前技術(shù)條件下， 水分、養(yǎng)分均不成為產(chǎn)量的限制因子， 小麥獲得了相對(duì)的高產(chǎn)或超高產(chǎn)［27］， 若繼續(xù)增加水分和養(yǎng)分的投入， 增產(chǎn)速率開(kāi)始小于水肥投入增加速率， 甚至產(chǎn)量不再繼續(xù)提高［28-29］， 資源利用效率降低從而出現(xiàn)“報(bào)酬遞減”［27］。研究并確定當(dāng)前作物進(jìn)一步增產(chǎn)的限制因子并將其科學(xué)緩解或消除， 可視為持續(xù)提升產(chǎn)量的指導(dǎo)性策略。本研究在綜合考量作物所需的光、熱、水、肥、氣等多種資源要素后， 確定了華北北部冬小麥不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)熱量（溫度）的需求與環(huán)境溫度實(shí)際供應(yīng)間的矛盾， 即冬季小麥通過(guò)春化后需要較高溫度來(lái)打破越冬休眠而發(fā)育， 春季需要較低溫度而延長(zhǎng)穗分化時(shí)間， 環(huán)境溫度供應(yīng)及變化同生長(zhǎng)發(fā)育需求適宜溫度間存在著以時(shí)序錯(cuò)位為特征的“剪刀差”， 導(dǎo)致小麥嚴(yán)重偏離最適發(fā)育軌道而致減產(chǎn)。依據(jù)“供需平衡”原則， 本研究確定了晚冬早春麥田實(shí)施覆蓋階段性升溫提早發(fā)育、而后揭膜降溫延緩后續(xù)生長(zhǎng)的方法， 某種程度上平衡了環(huán)境溫度“供應(yīng)”與小麥對(duì)溫度“需求”間的矛盾， 緩解了溫度因子“供需”時(shí)序錯(cuò)位的限制， 實(shí)現(xiàn)了小麥提前發(fā)育， 有效延長(zhǎng)了返青至成熟的生育時(shí)間， 促進(jìn)了各產(chǎn)量構(gòu)成要素的協(xié)同提高， 充分利用了原不能利用的光、水、肥、氣等非限制性資源， 又可提前成熟避開(kāi)干熱風(fēng)的危害。在熱量緊張的華北北部冬小麥-夏玉米兩熟種植區(qū)， 用此方法實(shí)現(xiàn)了冬小麥提早成熟收獲又為夏玉米早播增產(chǎn)［30］開(kāi)辟了出路， 產(chǎn)生了兩熟周年均衡增產(chǎn)的連鎖反應(yīng)， 深化了“雙搶兩晚”的技術(shù)實(shí)踐［31-33］，探索出“夏玉米生長(zhǎng)短季問(wèn)題由冬小麥提早成熟來(lái)解決”的系統(tǒng)學(xué)新途徑。

研究表明， 通過(guò)人工增溫越冬前≥0℃積溫增加超過(guò) 60℃， 幼穗分化進(jìn)程加快， 在早春極易造成小花受凍敗育甚或小穗凍死， 結(jié)果是穗粒數(shù)和千粒重降低［34］。本研究采用的晚冬早春階段性升溫的策略， 在環(huán)境溫度較低時(shí)小麥有塑膜覆蓋的保護(hù)并提前發(fā)育， 外界溫度升高后才揭膜降溫， 這可避免小麥因早發(fā)遭遇凍害的危險(xiǎn)。模擬氣候變暖全生育期增溫條件下， 華北平原的小麥越冬期縮短， 冬后生育期前移， 全生育期縮短［2，12］， 且有利于形成大穗，本研究采用的階段性增溫也得到了同樣結(jié)果。但全生育期或花后增溫， 因灌漿中期熱害致使產(chǎn)量顯著降低［2］。本研究中， 晚冬早春階段性升溫下小麥開(kāi)花提前8～9 d， 相對(duì)降低了灌漿期的溫度且顯著延長(zhǎng)了灌漿時(shí)間， 有效緩解了灌漿期熱害的問(wèn)題， 這則是主動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變暖的一種有效措施。在華東地區(qū)， 全生育期增溫顯著提高了小麥產(chǎn)量［17，19］， 而花后增溫導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低［9］， 相對(duì)于全生育期增溫， 開(kāi)花時(shí)間未提前條件下的花后增溫?zé)岷υ谠摰貐^(qū)也是造成產(chǎn)量降低的重要原因， 全生育期增溫與華北不一致的結(jié)果說(shuō)明增溫后的產(chǎn)量效果同地域條件、溫度升高的多少和快慢直接相關(guān)。也有研究表明， 花后增溫在顯著降低小麥產(chǎn)量的同時(shí)卻提高了其品質(zhì)［9，20］，晚冬早春階段性升溫下增產(chǎn)后小麥品質(zhì)的變化也是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。本研究中， 棚室搭建與蓋揭塑膜的操作都是由人工實(shí)施的， 本方法如何在實(shí)際生產(chǎn)中形成應(yīng)用技術(shù)， 膜棚一體化的研制、棚室放置及撤離的機(jī)械開(kāi)發(fā)可視為下一步重點(diǎn)解決的技術(shù)問(wèn)題。

本研究中， 2012—2013年度A1-3產(chǎn)量獲得了與2013—2014年度對(duì)照相近的結(jié)果， 原因在于人工措施在2013年春季創(chuàng)造了一個(gè)類(lèi)似2014年春季的溫度條件， 說(shuō)明春季溫度是產(chǎn)量能否有效提高的限制性環(huán)境因子。已有研究表明， 高溫和弱光都能夠降低小麥凈光合速率， 導(dǎo)致千粒重下降［35］。而本研究采用的晚冬早春麥田階段性升溫的方法， 揭膜降溫后使提前生長(zhǎng)發(fā)育的小麥處在一個(gè)相對(duì)適宜的溫度環(huán)境中， 有效延長(zhǎng)了光合作用的時(shí)間。在2013年春季霧霾嚴(yán)重、光照不足［36］條件下， 麥田階段性升溫通過(guò)延長(zhǎng)光合作用時(shí)間彌補(bǔ)了光照不足， 顯著提高了千粒重。在本試驗(yàn)中， 通過(guò)對(duì)階段性升溫早晚和時(shí)間長(zhǎng)短的控制， 獲得了相同時(shí)間點(diǎn)上小麥具有不同發(fā)育進(jìn)程的結(jié)果。我們觀測(cè)到2014年5月16日前不同灌漿進(jìn)程全部處理的光合作用均未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象， 而在5月26日光合作用的“午休”現(xiàn)象則全部出現(xiàn)， 這表明小麥“午休”現(xiàn)象在本試驗(yàn)條件下主要由環(huán)境溫度所決定， 而與生育進(jìn)程或開(kāi)花后日數(shù)關(guān)系不大； 而較高的溫度加快了小麥旗葉的衰老速度［35］， 高溫條件下即使開(kāi)花較晚的處理也會(huì)出現(xiàn)光合速率的“午休”現(xiàn)象， 而晚冬早春麥田階段性升溫，揭膜后的相對(duì)低溫環(huán)境延緩了小麥葉片衰老、維持了較高的光合速率和較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間， 這些都是小麥顯著增產(chǎn)的重要原因。

4 結(jié)論

華北平原北部麥田晚冬早春塑膜覆蓋增溫促進(jìn)了小麥提前生長(zhǎng)發(fā)育， 塑膜揭除后相對(duì)較低的環(huán)境溫度又延長(zhǎng)了后續(xù)各生育階段的持續(xù)時(shí)間， 顯著提高了小麥的單位面積穗數(shù)和單穗粒數(shù)； 并由于花后葉面積指數(shù)下降的延緩和光合速率高值持續(xù)期的延長(zhǎng)， 促進(jìn)了花后干物質(zhì)積累和營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移， 千粒重得以顯著提高。晚冬早春農(nóng)田適時(shí)階段性覆膜升溫有效緩解了冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育與溫度匹配時(shí)序錯(cuò)位的矛盾， 取得了積溫較少年份籽粒增產(chǎn)37.5%、積溫較多年份增產(chǎn)18.2%且提前5 d成熟的顯著效果。

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Artificial Warming from Late Winter to Early Spring by Phased Plastic Mulching Increases Grain Yield of Winter Wheat

DU Xiong1，*， ZHANG Wei-Hong1， ZHANG Yong-Sheng1， CAO Cai-Yun2， and LI Ke-Jiang2

1Agricultural University of Hebei / Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation， Baoding 071001， China；2Institute of Dryland Farming， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Hengshui 053000， China

Low temperature from late winter to early spring is a main restraint to high yield in winter wheat production in the northern part of North China Plain.We attempted to artificially increase the temperature during this period through phased plastic film mulching.A field experiment was carried out in the 2012-2013 and 2013-2014 growing seasons with several treatments differing from artificial warming period.Compared with the normal condition （control）， mulching since January 25 or February 1 resulted in 167.7-176.8°C increment of accumulated temperature from late January to early March， and mulching one week earlier contributed to higher accumulated temperature by 23.0-49.7°C.Wheat seedlings under artificial warming showed earlier revival and growth than the control.And the subsequent growth stages were prolonged for 4-10 days because of the relative lower temperature after the plastic film was removed.The earliest warming treatment was most favorable to dry matter accumulation，translocation， and yield enhancement among all treatments.Compared with the control， the earliest warming treatment with mulching increased the dry matter weight and leaf area index at anthesis stage by 18.8% and 14.7%， respectively； as well as prolonged active photosynthetic duration by more than 10 days， and increased leaf area duration by 43.6%， spike number per hectare by 0.48-0.98 million， kernel number per spike by 3.9-4.5 kernels， and thousand-kernel weight by 2.5-5.6 g.The final yields of the earliest warming treatment were 37.5% and 18.9% higher than those of the control in the cool 2012-2013 and the warm 2013-2014 growing season， respectively， and the maturity date was five days earlier than that of control in the 2013-2014 grow-ing season.Our results indicate that artificial warming by phased mulching with plastic film is an applicable technique in wheat production in North China Plain.

Late-winter and early-spring； Artificial warming by phased plastic mulching； Winter wheat； Yield； Northern part of the North China Plain

10.3724/SP.J.1006.2016.01530

本研究由河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14226401D）， 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD07B05）， 國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201203100）和河北省青年優(yōu)秀拔尖人才專(zhuān)項(xiàng)基金資助。

This study was supported by the Key Technology R&D Program of Hebei Province （14226401D）， the National Key Technology R&D Program of China （2013BAD07B05）， the National Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest （201203100）， and the Hebei Provincial Fund for Outstanding Young Scholars.

（Corresponding author）： 杜雄， E-mail： duxiong2002@163.com

Received（）： 2015-10-01； Accepted（接受日期）： 2016-06-20； Published online（網(wǎng)絡(luò)出版日期）： 2016-06-27.

URL： http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160627.0837.008.html