土壤溫度、濕度對(duì)作物種子發(fā)芽能力的影響

吳鳳日+吳明根+朱國(guó)君+李崢++傅民杰+??

摘要：采用盆栽稱質(zhì)量控水法及人工控溫法，研究不同土壤類型0～10 cm、10～20 cm層土壤不同含水量以及不同溫度梯度處理對(duì)大豆、玉米種子出苗率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土等3類土壤的含水量≤15%及≥55%時(shí)，大豆和玉米的出苗生長(zhǎng)均受到抑制，無法正常出苗生長(zhǎng)；暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土 0～10 cm耕層土壤最適宜大豆出苗的土壤含水量分別為35%、35%、25%；暗棕壤和黑土最適宜玉米出苗的土壤含水量均為35%，鹽化黑鈣土最適宜玉米出苗的土壤含水量為25%；3種類型土壤 10～20 cm耕層最適宜大豆、玉米經(jīng)濟(jì)播種的土壤含水量均為25%；土壤溫度在9～17 ℃條件下，3種類型土壤播種的大豆、玉米出苗均受到抑制；春季最適宜大豆、玉米經(jīng)濟(jì)播種的土壤溫度為13～21 ℃，且大豆和玉米的出苗率與土壤溫度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：出苗率；土壤含水量；溫度；大豆；玉米

中圖分類號(hào)： S311文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0051-04

收稿日期：2016-04-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31560202）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2011BAD37B01）；吉林省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：20140204045SF）。

作者簡(jiǎn)介：吳鳳日（1992—），男，吉林磐石人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽魑镌耘嗯c耕作。E-mail：569751805@qq.com。

通信作者：傅民杰，博士，副教授，主要從事土壤物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)與循環(huán)等研究工作。E-mail：fuminjie@163.com。

作物的發(fā)芽、出苗以及生長(zhǎng)發(fā)育過程與環(huán)境中的溫度、水分關(guān)系密切。因此在環(huán)境季節(jié)變化鮮明的北方地區(qū)，往往要求作物的生產(chǎn)過程要與當(dāng)?shù)氐奈锖蚱谙辔呛希员愦_保安全生產(chǎn)。然而，隨著全球氣候的改變，北方地區(qū)氣候變化規(guī)律正在發(fā)生明顯的改變，生產(chǎn)季節(jié)階段性降溫、干旱的氣象災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，尤其在春季，低溫、干旱的氣象災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)，對(duì)作物的發(fā)芽、出苗及后期的生產(chǎn)管理產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，已經(jīng)成為近些年北方地區(qū)春季生產(chǎn)的最大障礙。因此，研究作物適宜出苗的土壤溫度和水分條件，并與野外土壤溫、濕度條件相結(jié)合，確定合適的播種時(shí)期，成為北方作物安全生產(chǎn)的重要課題。目前關(guān)于溫度和水分對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究較多。李素玲等研究表明，在一定溫度范圍內(nèi)，種子的發(fā)芽率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系[1]。王立華等也證明了溫度與種子出苗過程之間存在極顯著的曲線函數(shù)關(guān)系[2]。王洪剛等發(fā)現(xiàn)，玉米出苗時(shí)間隨著溫度的增加呈縮短的趨勢(shì)[3]。姚永祥等研究了變溫條件對(duì)玉米種子發(fā)芽率的影響[4]。馬樹慶等通過田間試驗(yàn)研究了水分和溫度對(duì)春玉米出苗速度和出苗率的影響[5]。王秋京等研究了不同土壤濕度對(duì)出苗率的影響[6]。劉明研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫條件下玉米的光合特性和形態(tài)指標(biāo)均發(fā)生不同形式的改變[7]。從目前已有研究來看，更多的是針對(duì)單一作物對(duì)某種土壤的溫度與水分的需求特性，或單一種類土壤的溫、濕度對(duì)某種作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，而一個(gè)地區(qū)往往具備多種類型的土壤類型和多種作物配置，且不同作物對(duì)不同土壤類型的溫、濕度要求也存在明顯不同，因此只有清晰認(rèn)識(shí)到種植區(qū)所有作物類型對(duì)不同類型土壤溫度、濕度的需求，才能確保當(dāng)?shù)刈魑锷a(chǎn)的安全性和有效性，而目前這方面的研究相對(duì)較少。吉林省春季氣溫較低，降水量小，土壤類型多樣，常導(dǎo)致玉米、大豆等作物出苗緩慢、出苗率和成苗率低，直接影響了作物的安全生產(chǎn)。因此，研究不同土壤類型的溫度與水分條件對(duì)于作物出苗的影響十分重要。本試驗(yàn)以吉林省主導(dǎo)作物大豆和玉米為對(duì)象，研究不同土壤類型的溫、濕度對(duì)其出苗的影響。研究結(jié)果可為吉林省大豆、玉米的春播提供理論指導(dǎo)，為吉林省氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試玉米品種為丹玉69號(hào)，大豆品種為吉育47號(hào)。供試土壤類型為吉林省各地區(qū)有代表性的耕地土壤，包括暗棕壤、黑土及鹽化黑鈣土等。采樣時(shí)考慮到春耕時(shí)的土壤翻地會(huì)將地表10 cm以下的土壤翻到種子播種層，影響種子發(fā)芽，因此在0～10 cm、10～20 cm 2個(gè)土壤耕作層取樣，并分別用于種子出苗試驗(yàn)。具體土壤類型及來源信息見表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年10—12月在延邊大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。將上述各地采集的土壤風(fēng)干后測(cè)定土壤含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。取部分土壤按每盤0.5 kg分別裝入各試驗(yàn)盤中。將供試大豆與玉米種子按覆土2 cm的標(biāo)準(zhǔn)分別均勻播種于試驗(yàn)盤中，每盤播種10粒。播種后以基質(zhì)土壤風(fēng)干土的含水量為基礎(chǔ)，分別按土壤含水量15%、25%、35%、45%、55%、65%補(bǔ)足水分，并確保試驗(yàn)盤中土壤濕度均勻，3次重復(fù)。補(bǔ)水完畢后用保鮮膜包好盤口，并在膜上分散扎5個(gè)細(xì)孔以便氣體交換和防止水分過快蒸發(fā)。播種后，各處理置于光照培養(yǎng)箱（LRH-250-G型）中25 ℃條件下恒溫培養(yǎng)。播種后每天09：00觀察記錄出苗情況，出苗結(jié)束后計(jì)算出苗率。以上述試驗(yàn)篩選出的各類土壤最適宜出苗的含水量為基礎(chǔ)，進(jìn)行大豆和玉米出苗適宜溫度選擇試驗(yàn)。試驗(yàn)以北方春季存在日溫差為依據(jù)，以3臺(tái)人工智能低溫培養(yǎng)箱（LRH-150CB型）分別模擬出3種溫度范圍，分別為 9～17 ℃、11～19 ℃、13～21 ℃，由于測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)，土溫同氣溫。其中每種溫度范圍中低溫值每天持續(xù)12 h（模擬黑夜），隨后升溫至高溫值并持續(xù)12 h（模擬白天），24 h為1個(gè)變溫循環(huán)。將上述3種土壤篩選出的各類適宜含水量的0～10 cm耕層土壤播種盤分別置于3種溫度范圍的培養(yǎng)箱中，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，覆土厚度及播種方式同上。每隔7 d補(bǔ)水1次，每2 d調(diào)查1次出苗情況，至最后不再出苗為止，計(jì)算出苗率。供試作物品種試驗(yàn)前測(cè)定其發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽率。發(fā)芽勢(shì)=發(fā)芽試驗(yàn)初期規(guī)定日期內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽率=發(fā)芽試驗(yàn)?zāi)┢谝?guī)定日期內(nèi)正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)與圖形制作，不同處理出苗率之間的差異性比較采用單因素方差分析法，數(shù)據(jù)間多重比較采用Duncans法。

2結(jié)果與分析

2.1發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)

由表2可知，供試大豆、玉米材料平均發(fā)芽率分別達(dá)到97.5%、98.0%，平均發(fā)芽勢(shì)分別為94.0%、93.0%，供試作物種子質(zhì)量可以滿足盆栽試驗(yàn)播種的要求。

2.20～10 cm耕層土壤含水量對(duì)大豆、玉米出苗的影響

由表3可知，0～10 cm耕層不同土壤含水量對(duì)大豆、玉米出苗的影響明顯。3種土壤類型中，土壤含水量為15%、55%條件下，大豆、玉米均極少出苗甚至不出苗；在25%～45%含水量范圍內(nèi)，3種土壤中播種的大豆、玉米均可出苗，但3種土壤類型不同水分含量助理的出苗率之間存在明顯的差異，且大豆與玉米最適宜出苗的土壤水分含量與齊苗時(shí)間也不同。對(duì)大豆而言，在25%～45%土壤含水量范圍內(nèi)，所有土壤中播種的大豆出苗率均可在播種8 d后達(dá)到穩(wěn)定。其中，暗棕壤含水量為35%時(shí)大豆的出苗率顯著高于含水量為25%的處理，且齊苗時(shí)間也提前2 d， 但當(dāng)含水量增加到45%時(shí)，出苗率呈下降趨勢(shì)，且出苗時(shí)間延長(zhǎng)。黑土中播種的大豆在土壤含水量為35%時(shí)的出苗率顯著高于含水量為25%和45%的處理，且25%土壤含水量處理下出苗效果也基本顯著優(yōu)于含水量為45%的處理。鹽化黑鈣土中，土壤含水量為25%的處理出苗率基本顯著高于其他水分含量處理。可見，暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土3種土壤最適于大豆出苗的土壤含水量分別為35%、35%、25%，且在此含水量范圍內(nèi)，大豆播種6 d后即可齊苗，比其他水分處理齊苗期提前約2 d。玉米種子在3種土類不同水分梯度下的出苗情況與大豆基本一致，其中，暗棕壤和黑土最適于玉米出苗的土壤含水量均為35%，鹽化黑鈣土中最適于玉米出苗的含水量為25%，但出苗最適土壤含水量條件下玉米的齊苗期比大豆晚2～4 d。

2.310～20 cm耕層土壤含水量對(duì)大豆和玉米出苗的影響

由表4可知，3種土壤類型10～20 cm層土壤的不同含水量對(duì)大豆和玉米出苗的影響與0～10 cm層土壤表現(xiàn)出較大的差異，整體上呈現(xiàn)隨著土層加深，適宜大豆、玉米出苗的含水量下降且適宜含水量范圍加寬的趨勢(shì)。其中，10～20 cm層暗棕壤和黑土在含水量為25%和35%條件下大豆的出苗率之間差異基本不顯著，但黑土土壤含水量在25%條件下，大豆出苗至齊苗時(shí)間間隔縮短，齊苗期比35%含水量條件下提前約 2 d；而鹽化黑鈣土最適出苗含水量與0～10 cm層土壤表現(xiàn)一致。玉米在3種土壤類型的不同水分含量條件下的出苗情況與大豆表現(xiàn)基本一致，暗棕壤與黑土在土壤水分含量為 25%～35%范圍內(nèi)，玉米的出苗率之間差異不顯著，且最終出苗率均大于95%，而鹽化黑鈣土在25%土壤含水量條件下的玉米出苗率明顯高于其他水分梯度，玉米出苗的水分適宜范圍明顯比其余2種土壤窄。[FL）]

2.4不同土壤溫度對(duì)大豆出苗的影響

不同土壤溫度處理對(duì)大豆出苗率的影響差異較大，在適宜的土壤水分條件下，隨著土壤溫度升高大豆出苗率隨之提高（圖1）。在9～17 ℃溫度范圍內(nèi)，3種土壤在適宜大豆出苗的水分范圍內(nèi)，連續(xù)培養(yǎng)18 d時(shí)，大豆出苗率均低于20%，而培養(yǎng)36 d時(shí)，出苗率均低于60%。而在11～19 ℃范圍內(nèi)，播種8 d后，大豆開始出苗，播種14 d后，大豆出苗已基本穩(wěn)定，出苗至齊苗間隔為6～8 d；暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土等3種土壤中大豆最終出苗率分別為77%、73%、57%。當(dāng)溫度在13～21 ℃范圍內(nèi)時(shí)，3種土壤的大豆出苗日期均比11～19 ℃ 處理提前約2 d，且大豆的出苗率也明顯提高，其中，暗棕壤、黑土、鹽化黑鈣土最終出苗率分別為97%、90%、93%，分別比11～19 ℃處理提高了25.97%、23.29%、6316%（圖1）。

2.5不同土壤溫度對(duì)玉米出苗的影響

由圖2可知，在播種后20 d內(nèi)，9～17 ℃處理下3種土壤中播種的玉米均未出苗，且在播種36 d后調(diào)查時(shí)，3個(gè)土壤玉米[CM（25]出苗率均低于40%。11～19 ℃處理的 3種土壤中玉米出苗所需時(shí)間為11～13 d，且出苗率明顯提高，3種土壤中玉米出苗率分別為53%、53%、43%。在13～21 ℃處理下，3種土壤中玉米出苗時(shí)間均提前約4 d，且出苗率明顯高于11～19 ℃處理，最終出苗率分別達(dá)到93%、90%、90%，與25 ℃最適含水量條件下的出苗率相近。由上述結(jié)果可見，大豆和玉米的出苗率與土壤溫度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，而在北方春季種植期，常以平均氣溫大于10 ℃作為大豆和玉米播種期標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)的界限十分模糊且不科學(xué)，因?yàn)闅鉁氐娜兆兓让黠@大于地溫，且春季白天氣溫較播種層的地溫高，而夜間又低于地溫，常導(dǎo)致大豆和玉米播種過早，由此導(dǎo)致二者播種后出苗時(shí)間長(zhǎng)且出苗率偏低。

3討論與結(jié)論

作物的種子萌發(fā)、出苗及生長(zhǎng)發(fā)育與土壤水分狀況密切相關(guān)，土壤水分過少時(shí)作物種子或根系吸水困難，導(dǎo)致生長(zhǎng)停滯或植物器官萎蔫，而水分過多時(shí)則會(huì)造成厭氧過程的發(fā)生，抑制作物的生長(zhǎng)。本研究中，3種土壤在15%或55%的水分狀況下，大豆和玉米的出苗率極低或不能出苗。分析認(rèn)為，3種土壤均為壤土，土壤質(zhì)地適中，具有較好的水分保持能力，當(dāng)土壤含水量≤15%時(shí)，由于土粒及礦物的強(qiáng)吸附能力，使土壤水勢(shì)低，玉米和大豆種子極難從土壤中吸取足夠的自由水分，導(dǎo)致發(fā)芽困難；而當(dāng)土壤含水量≥55%時(shí)，3種供試土壤中過多水分占據(jù)土壤中的各級(jí)孔隙，導(dǎo)致土壤氣相與液相比例失調(diào)，土壤中氧氣含量低而造成種子有氧呼吸困難，進(jìn)而引起出苗率下降，而在土壤含水量為25%～45%條件下，3種土壤才能表現(xiàn)出較好的出苗勢(shì)。此外，暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土因質(zhì)地結(jié)構(gòu)的差異，在最適出苗含水量方面表現(xiàn)出一定的差異。其中，暗棕壤和黑土0～10 cm層土壤最適宜出苗土壤含水量均為35%，10～20 cm層土壤含水量均為25%；而鹽化黑鈣土0～10 cm層與10～20 cm層土壤最適宜出苗含水量均為25%。分析認(rèn)為，由于采于吉林省東部地區(qū)的暗棕壤和中部地區(qū)的黑土的有機(jī)質(zhì)含量較高，調(diào)節(jié)了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和吸水性，使得土壤在較高含水量條件下，土壤的氣相與液相比例仍能得到較好的平衡，因此0～10 cm層土壤在35%含水量條件下較適于2種作物的出苗，而采于吉林省西部地區(qū)的鹽化黑鈣土，其土壤有機(jī)質(zhì)含量低，質(zhì)地較為細(xì)膩，黏粒比例大，土壤毛管孔隙比例大，對(duì)自由水保持能力強(qiáng)，在較低的含水量（25%）條件下，也能滿足種子正常出苗需水量的要求。正是基于上述原因，暗棕壤和黑土的10～20 cm層土壤比0～10 cm層土壤質(zhì)地黏重，也造成最適出苗含水量均較 0～10 cm層低。

溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育的另一個(gè)重要影響因子。作物在生理最適宜溫度條件下生長(zhǎng)發(fā)育最好[8]。因此對(duì)溫度影響玉米與大豆出苗及苗期發(fā)育的報(bào)道較多，然而，多數(shù)研究對(duì)溫度的控制常用恒溫處理或平均溫度處理法[9-10]。本試驗(yàn)以日較差法及作物生長(zhǎng)溫度下限控制而獲得的研究結(jié)果與其他研究有所不同。本研究表明，玉米和大豆在日均溫13 ℃條件下（即9～17 ℃處理），室內(nèi)培養(yǎng)36 d后，其出苗率仍低于60%，大豆和玉米的生理學(xué)發(fā)芽下限溫度為8～10 ℃[11]，而土壤均溫明顯高于生物學(xué)下限溫度，仍不能保證大豆與玉米的正常出苗。而當(dāng)下限溫度提高2 ℃達(dá)到11 ℃時(shí)，即平均溫度達(dá)15 ℃（即11～19 ℃處理）后，大豆培養(yǎng)14 d后，出苗率可達(dá)69%，鹽化黑鈣土玉米培養(yǎng)16 d后出苗率低于50%，但仍未達(dá)到安全出苗。當(dāng)?shù)拖逌囟日{(diào)整到13 ℃，平均溫度提高到17 ℃（即13～21 ℃處理）時(shí)，所有土壤中大豆和玉米出苗率均大于90%。上述結(jié)果表明，在長(zhǎng)期低溫條件下，玉米和大豆的出苗受最低溫度的控制，而在較高溫度條件下，二者的出苗受積溫控制。陳傳曉在研究不同積溫帶春玉米碳代謝機(jī)制及化學(xué)調(diào)控效應(yīng)的過程中，也得出相似結(jié)果[12]。由此可見，北方春季大豆和玉米播種時(shí)期的選擇不應(yīng)以平均氣溫或平均地溫穩(wěn)定通過作物生長(zhǎng)下限溫度為標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)以土壤或空氣的最低與平均溫度綜合來評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)的結(jié)果是在室內(nèi)模擬培養(yǎng)條件下獲得的，其試驗(yàn)的環(huán)境因子與播種時(shí)覆土的厚度與實(shí)際生產(chǎn)還存在較大的差異，因此獲得的結(jié)果在生產(chǎn)上的應(yīng)用尚須進(jìn)一步驗(yàn)證。

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