模擬增溫及免耕對冬小麥生長的影響

董京銘+史達(dá)偉+劉瑞翔+馬晨晨

摘要：試驗(yàn)設(shè)置常溫+翻耕（CK）、夜間增溫+翻耕（W）、常溫+免耕（NT）、夜間增溫+免耕（WNT）4種處理，研究夜間增溫和免耕處理對冬小麥（Triticum aestivum L.）生長的影響。結(jié)果表明，與CK相比，W處理下冬小麥生物量顯著增加，增幅為3.2%～12.7%，同時W處理的冬小麥的氮素累積、葉綠素SPDA值、葉面積、光合速率也有一定程度的增幅，產(chǎn)量構(gòu)成中千粒重與每平米穗數(shù)顯著增加，且產(chǎn)量增加顯著，增幅達(dá)24.4%。NT處理下，冬小麥的各項(xiàng)生理指標(biāo)比CK都有一定增加，產(chǎn)量構(gòu)成因子也都有顯著增加，其中每平米穗數(shù)增長最為顯著，增幅達(dá)10.7%。WNT處理下，冬小麥?zhǔn)艿降挠绊懗潭纫h(yuǎn)大于W和NT單一處理，其產(chǎn)量顯著高于其他3種處理，比CK增產(chǎn)53%。由此可知，夜間增溫和免耕都能促進(jìn)冬小麥的生長。因此，在夜間土壤溫度增高條件下同時采用免耕對冬小麥生長具有有利影響。

關(guān)鍵詞：冬小麥（Triticum aestivum L.）；氣候變化；夜間增溫；免耕；光合速率

中圖分類號：S512.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）23-4501-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.020

Abstract： The experiment was conducted to study the effects of increasing night temperature and no tillage on the growth of winter wheat（Triticum aestivum L.） in 4 treatments， induding normal temperature and tillage（CK），increasing night temperature and tillage （W），normal temperature and no tillage（NT），increasing night temperature and no tillage（WNT）. The results showed that，compared with CK，W treatment of winter wheat biomass increased significantly，an increase of 3.2%～12.7%，while W treatment of winter wheat nitrogen accumulation， chlorophyll SPDA value，leaf area，photosynthetic rate also has a certain degree of growth，yield and grain weight per square meter per spike significantly increased，and the yield increased significantly an increase of 24.4%. Under NT treatment，the physiological indexes of winter wheat increased compared with CK，and the yield components also increased significantly. The panicle number per square meter was the most significant，with an increase of 10.7%. Under WNT treatment，the influence degree of winter wheat was much higher than that of W and NT. The yield of winter wheat was significantly higher than that of other 3 treatments，and the yield was 53% higher than that of CK. It can be seen that night warming and no tillage can promote the growth of winter wheat. Therefore，under the condition of increasing soil temperature at night，no tillage at the same time has a favorable effect on the growth of winter wheat.

Key words： winter wheat（Triticum aestivum L.）； climate change； nighttime warming； no tillage； photosynthetic rate

由于工業(yè)革命，造成化石燃料的大量燃燒，溫室氣體濃度迅速上升， 加速了氣候變暖趨勢。相比于工業(yè)革命前， 全球地表平均氣溫已經(jīng)上升了0.4～0.8 ℃[1]。同時，由于復(fù)雜的地理要素和氣候因子，全球氣候變暖有著明顯的不對稱性[2]，即夜間最低氣溫增溫幅度明顯高于白天最高氣溫的增溫幅度[3]。國內(nèi)研究學(xué)者也得到相同的結(jié)果，日最低溫升幅是日最高溫升幅的2～3倍[4]，即全球變暖主要表現(xiàn)為夜間氣溫的上升[5]，日溫差呈逐漸減小的態(tài)勢[6]。

溫度是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要?dú)庀笠蜃?，這種晝夜增溫的不對稱型，必然會對作物的生長產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，溫度上升可以延長植物生長季，促進(jìn)植物生長發(fā)育，增加其生物量，這可能會因?yàn)橹参锏墓夂献饔枚鴾p緩大氣中CO2含量升高引起的全球變暖，但同時全球氣候變化導(dǎo)致的植被及其他生理過程的變化有可能減弱或抵消這個效應(yīng)，目前對此的研究還存在極大的不確定性[7]。

近年來的研究表明，保護(hù)性耕作可以大大緩解沙塵的危害，降低中國北方沙塵暴天氣的發(fā)生[8]。其中，免耕具有保持土壤水分、保護(hù)耕層土壤結(jié)構(gòu)、節(jié)省勞力等優(yōu)點(diǎn)， 因此在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[9]。免耕相比于傳統(tǒng)耕作，可以有效避免擾亂表層土壤，有利于土壤大團(tuán)聚體形成和增加土壤的熱容量，使得免耕土壤對氣溫變化具有一定的緩沖性[10]。因此，在未來氣候變暖趨勢下，深入研究免耕對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響，可以在未來氣候變暖的背景下，制定農(nóng)業(yè)管理措施時提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2013年11月至2014年5月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行。供試土壤類型為黃棕壤。試驗(yàn)前取0～20 cm土層土壤進(jìn)行理化性質(zhì)分析，其土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.1 g/kg，全氮含量為0.78 g/kg，速效磷含量為15.6 mg/kg，速效鉀含量為64.2 mg/kg，pH 6.7。

1.2 試驗(yàn)材料

供試冬小麥（Triticum aestivum L.）品種為寧麥13。小麥生育期內(nèi)雨量充足，可以滿足作物用水需求，故本試驗(yàn)中未進(jìn)行人工灌溉。11月3日播種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

采用陳金等[11]被動式增溫方法，使用反光膜將地面所發(fā)出的長波輻射反射回地表，進(jìn)而減少熱量的損失，使得夜間土壤溫度得到增長。試驗(yàn)設(shè)計(jì)將進(jìn)行4種處理，分別為常溫+翻耕（CK）、夜間增溫+翻耕（W）、常溫+免耕（NT）、夜間增溫+免耕（WNT）。每個處理重復(fù)3次。在作物的全生育期內(nèi)夜間增溫小區(qū)中的反光膜每天下午19：00展開進(jìn)行增溫，次日早晨6：00卷起。翻耕處理為旋耕機(jī)翻耕20 cm，進(jìn)行2次，耕后人工整平，進(jìn)行播種。免耕處理為不進(jìn)行常規(guī)耕作，直接播種作物。

用溫度記錄儀（澤大儀器有限公司）監(jiān)測5 cm深的土壤溫度變化，每15 min記錄一次。在冬小麥的生育期內(nèi)，每晚19：00到次日早晨6：00的平均溫度作為夜間溫度，增溫效果如表1所示。

1.4 測定時期、項(xiàng)目及方法

在冬小麥的拔節(jié)期（3月22日）、孕穗期（4月12日）、抽穗期（4月22日）、開花期（4月28日）、灌漿期（5月10日）和成熟期（5月28日），每個小區(qū)隨機(jī)取5株植物樣品用于測定冬小麥葉面積、生物量、株高。

1）株高。每個小區(qū)均選取長勢一致且具有代表性的植株。小麥從基部到最高葉或穗頂端（不含麥芒）直接測量。

2）葉面積。用直尺量取小麥葉片長度和最寬部位的寬度，用長度×寬度×0.83即為該小麥葉片的面積，同時記錄單株葉片數(shù)和單株葉面積。

3）光合參數(shù)。在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期和開花期采用LI-6400光合儀測定小麥葉片凈光合速率。

4）生物量。將樣品分為莖、葉、穗、粒，分別裝入信封內(nèi)105 ℃殺青30 min后，70 ℃烘干12 h后稱重，記錄樣品的重量，再將烘干的樣品粉碎保存，用于測定樣品氮含量。

5）植物全氮。植株全氮含量（g/100 g干重）測定使用半微量-開氏法。主要生育期各器官氮素積累量為該器官實(shí)測氮素含量與其干物質(zhì)質(zhì)量的乘積。同時計(jì)算氮素收獲指數(shù)，即氮素收獲指數(shù)=（子粒吸氮量/植株地上部吸氮量）×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，并用LSD法對各處理間差異進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 株高

株高是冬小麥的主要農(nóng)藝性狀之一，與小麥產(chǎn)量有一定的相關(guān)性，合理的株高是小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。株高主要受到遺傳和環(huán)境的影響，其中環(huán)境影響最大，包括溫度、水分等[12]。由表2可以看出，各種處理下株高從拔節(jié)期到抽穗期快速增長，到抽穗期后開始增長變緩并趨于穩(wěn)定。與CK相比，W處理下，株高在除拔節(jié)期以外，都有了顯著的增加；NT處理下，株高在孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期分別增加了8.1%、11.3%、11.2%、11.4%、10.6%；在全生育期，WNT處理株高均比CK顯著增加，增幅達(dá)11.3%～15.8%。結(jié)果表明，夜間增溫和免耕處理都能顯著增加冬小麥株高，且在兩者疊加處理下，增加效果最為明顯。

2.2 生物量

生物量是反映冬小麥長勢的重要群體指標(biāo)之一，太陽輻射是植物累積生物量的能量源泉，在一定條件下， 植物光能利用不僅依賴太陽輻射量的多少，也與植物在光合同化過程中對溫度的適宜性關(guān)系密切[13]。4種處理下，冬小麥生物量隨生育期的推進(jìn)而增加，在抽穗期至灌漿期增長快速。由表3可以看出，與CK相比，W處理下，在全生育期單株生物量都有所增加，其增幅為3.2%～12.7%；NT處理下，單株生物量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期分別增加了15.2%、8.3%、3.8%、11.3%、11.7%、5.1%；WNT處理下，單株生物量在各個時期都顯著增加，其增加幅度大于W處理和NT處理，其中在孕穗期和抽穗期增幅最為明顯，分別達(dá)24.9%和31.2%。結(jié)果表明，夜間增溫和免耕對本試驗(yàn)區(qū)域冬小麥生物量均產(chǎn)生明顯增加效應(yīng)，而以兩者疊加處理對冬小麥單株生物量的增加作用最大。

2.3 葉面積

葉片是作物光合作用的主要器官，葉面積與光合特性、子粒產(chǎn)量的形成密切相關(guān)， 是小麥栽培和育種實(shí)踐中重要的指標(biāo)，是影響群體結(jié)構(gòu)及冠層結(jié)構(gòu)的主要因子[14]。由表4可以看出，小麥單株葉面積隨生育期的推進(jìn)持續(xù)增加，開花期達(dá)到最大值后由于植株底部葉片逐漸枯黃、綠葉面積迅速減小。W處理下，冬小麥的葉面積在全生育期都一定程度的增加，增幅達(dá)3.1%～7.6%；NT處理下，與CK相比，葉面積也有一定程度的增加，在各時期分別增加3.4%、1.6%、8.2%、5.0%、4.9%、6.8%，且在除孕穗期以外，各時期差異都達(dá)到顯著水平；WNT處理下，在各時期葉面積都有大幅度的增加，其增幅大于W和NT，增幅達(dá)6.8%～12.4%。綜上表明，夜間增溫和免耕都能增加葉面積，兩者疊加的情況下對葉面積增加表現(xiàn)出協(xié)同作用。

2.4 葉干重比

葉干重比是葉片生物量與單株生物量的比值，表示光合作用產(chǎn)生的干物質(zhì)在綠葉中積累的多少，它的大小反映綠葉光合作用產(chǎn)生的干物質(zhì)在綠葉中積累或者是往外運(yùn)輸。由圖1可以看出，4種處理葉干重比在拔節(jié)期至孕穗期較高，在孕穗期后隨生育期的推進(jìn)呈下降趨勢，在孕穗至抽穗下降最為明顯。W處理下，與CK相比，在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期分別增加了3.4%、4.1%、10.1%、13.9%、11.1%，在成熟期無明顯變化。NT處理下，在各個時期均與CK葉干重比相近；在WNT處理下，葉干重比與CK相比有一定增幅，其增幅與W處理基本相近。結(jié)果說明，夜間增溫能一定程度的增加葉干重比，免耕對葉干重比無明顯影響，且增溫疊加免耕處理與單獨(dú)增溫處理效應(yīng)相同。

2.5 光合速率

光合作用是干物質(zhì)產(chǎn)生的重要途徑，與生長關(guān)系非常密切。光合速率是植物生理性狀的重要指標(biāo)之一，也是估測植株光合生產(chǎn)能力的主要依據(jù)[15]。由圖2可知，光合速率在開花期略高于其他3個時期，其余3個時期光合速率基本相同。與CK相比，W處理下，在全生育光合速率都有所增加，其增幅為16.2%～28.3%，其中在灌漿期增長幅度最大；NT處理下，光合速率在拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期分別增加了22.1%、33.7%、18.9%、27.1%；WNT處理?xiàng)l件下，光合速率在各個時期都有大幅提升，其增加幅度大于W處理和NT處理。結(jié)果表明，夜間增溫和免耕有利于增加作物的光合速率，而以兩者疊加處理對冬小麥光合速率的影響作用最大。

2.6 氮素累積

小麥對氮素的吸收、累積與其產(chǎn)量和品質(zhì)有密切的聯(lián)系，冬小麥氮素累積是冬小麥產(chǎn)量的重要指標(biāo)。由圖3可以看出，4種處理下，植物氮素累積隨生育期的推進(jìn)而增加。W處理下，植物氮素累積在各生育期分別增加了7.2%、10.3%、9.2%、9.3%、12.2%、8.7%。NT處理下，與W相同，也在一定程度增加了植物N素累積，且增長幅度與W基本相同。WNT處理下，植物氮素累積增長顯著，其中在抽穗期和開花期增加最為明顯，分別增加了27.3%、25.6%。結(jié)果表明，夜間增溫處理和免耕處理都能一定程度的增加植物的氮素累積，兩者疊加的情況下對植物氮素累積促進(jìn)作用最為明顯。

由表5可知，夜間增溫和免耕都能增加植物總氮的累積，兩者疊加的情況下增加最為顯著，不同處理下子粒氮素累積與植物全氮累積情況相同?？梢园l(fā)現(xiàn)W處理下的氮素收獲指數(shù)明顯高于CK處理；NT處理下，氮素收獲指數(shù)與對照無明顯改變；WNT處理下，與W處理對氮素收獲指數(shù)的影響效果相同。

2.7 葉片葉綠素SPAD值

葉綠素是進(jìn)行光合作用所必需的重要物質(zhì)，其含量可以反映出植物的光合作用能力和生長情況[16]。由圖4可以看出，不同處理下葉片葉綠素SPAD在拔節(jié)到開花期逐漸增大，在開花期達(dá)到最大值后迅速下降。W處理下，SPAD在各生育期比CK分別增加了2.4%、13.7%、10.6%、13.0%；NT處理下與W處理結(jié)果基本相同；WNT處理下，SPAD增幅要大于W和NT單一處理，且在抽穗和開花期增長最為顯著，增幅分別達(dá)19.6%和19.8%。

2.8 夜間增溫及免耕對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表6可以看出，與CK相比，W處理使得千粒重、每平米穗數(shù)分別提高了2.6%、26.3%，且差異達(dá)到顯著水平，每穗粒數(shù)、每穗粒重略有降低，但差異未達(dá)顯著水平；NT處理每穗粒數(shù)、每穗粒重、千粒重、每平米穗數(shù)比CK分別提高了1.3%、5.6%、4.9%、10.7%，其中除千粒重，其他差異均不顯著；WNT處理下，除了每穗粒數(shù)，其他產(chǎn)量構(gòu)成因素都有了顯著提高，且增幅都明顯高于其他2種處理。結(jié)果表明，3種處理都能明顯提高每平米穗數(shù)和千粒重，對每穗粒數(shù)和每穗粒重影響相對較小。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，4種處理下，WNT在成熟期的產(chǎn)量最高，W處理次之，CK處理產(chǎn)量最低。相比于CK，W處理產(chǎn)量增加了24.4%；NT處理也有一定程度的提高，但略低于W處理；WNT處理產(chǎn)量比CK增加52.5%，且與其他3種處理間的差異都達(dá)到了顯著水平。結(jié)果表明，夜間增溫和免耕都能顯著增加產(chǎn)量，兩者疊加處理表現(xiàn)出協(xié)同作用的影響。

3 小結(jié)與討論

3.1 夜間增溫對冬小麥生長的影響

一般認(rèn)為氣候變暖會造成較高的分解作用從而加強(qiáng)植物對土壤中礦物營養(yǎng)的吸收，進(jìn)而使得生物量增加[17]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，夜間增溫處理下，冬小麥各生育期氮素累積以及生物量都有一定程度的增加，與以上研究結(jié)果一致。夜間增溫處理下，作物各生育期的氮素營養(yǎng)充足，可能是生物量增長的重要原因，另外，較高的植株能增加葉片對光的截獲，提高冠層透光率，使下部葉片也獲得光照，而使植株光合能力提高，從而有利于生物量的累積[18]。同時本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，夜間增溫成熟期的氮素收獲指數(shù)明顯高于對照。田云錄等[19]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夜間增溫條件下產(chǎn)量構(gòu)成與產(chǎn)量都有一定程度的提高，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。而Zhang等[20]認(rèn)為增溫不利于植物的生長。本試驗(yàn)采用夜間模擬增溫，而以上報道采用的是全天模擬增溫，這可能是研究結(jié)果不一致的主要原因，同時譚凱炎等[21]研究表明冬季及早春一定幅度的升溫有利于小麥生產(chǎn)，而春末夏初升溫對小麥生產(chǎn)是不利的，增溫季節(jié)的不同也可能是研究結(jié)果不一致的原因之一。

光合作用是小麥生物量和產(chǎn)量累積的重要途徑，是小麥產(chǎn)量的主要來源，在生育后期，功能葉片的光合產(chǎn)物對子粒產(chǎn)量形成有很大的影響。其中葉綠素是光合作用中能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，其含量可以反映作物的衰老速度，同時也是判斷作物光合能力的一個重要指標(biāo)。葉綠素SPAD值可以直接反映葉片葉綠素含量的多少，本試驗(yàn)結(jié)果表明，夜間增溫情況下，SPAD值相比于對照有一定的增加。夜間增溫加強(qiáng)了植物對土壤中無機(jī)氮的吸收，植株吸收強(qiáng)度的增加使得冬小麥體內(nèi)的氮素累積量增加，而在冬小麥生育期內(nèi)，植物體內(nèi)的氮素大部分累積在葉片中。李大勇等[22]研究表明葉片氮含量高，葉綠素含量就高，凈光合速率也高，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。而有研究表明平均光合速率和產(chǎn)量呈正相關(guān)[23]，這可能是冬小麥產(chǎn)量增加的重要原因。而張榮銑等[24]的夜間增溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夜間增溫會顯著降低小麥旗葉葉綠素含量和光合速率，并且加速葉片衰老速度，這可能是由于增溫的幅度不同。

葉面積是作物冠層太陽輻射截獲能力的重要指標(biāo)之一，直接影響了作物冠層的光合作用。因此在作物的生長過程中，葉面積尤為重要。溫度是影響出葉率重要的環(huán)境因素，溫度影響細(xì)胞分裂和增大，從而影響葉片出葉速率和葉片的大小[25，26]，。大量研究表明，葉片數(shù)與出苗后的積溫呈線性相關(guān)，這可能是本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)夜間增溫處理下葉面積增加的重要原因。同時，氮素是除溫度之外影響葉片生長的重要方面之一，在單株水平上，氮素通過影響作物的單株葉片數(shù)和單葉擴(kuò)展速率[27]，從而影響單株葉面積；在群體水平上，氮素通過影響冠層擴(kuò)展和衰老來影響冠層葉面積。因此，氮素對作物葉面積指數(shù)的影響可以通過對葉面積的構(gòu)成因子的影響來量化，例如單株的葉片數(shù)、單葉的葉面積、葉片擴(kuò)展速率以及單株的分枝或者分粟數(shù)。由此可知，本試驗(yàn)中夜間增溫可能是通過影響溫度和氮素水平對葉面積造成一定的影響。

另外，國內(nèi)許多學(xué)者通過對不同作物比葉重的變化特性，發(fā)現(xiàn)比葉重在一定程度上決定了作物產(chǎn)量的大小[28]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，增溫情況下葉干重比有一定程度的增加，與前人的研究結(jié)果較一致。

綜上表明，夜間增溫處理通過促進(jìn)對土壤中無機(jī)氮的吸收，從而影響作物株高、葉綠素含量、葉面積，進(jìn)而影響光合作用，最終對產(chǎn)量產(chǎn)生影響。

3.2 免耕對冬小麥生長的影響

一般認(rèn)為免耕可以提高土壤表層含水量，進(jìn)而有利于作物的生長發(fā)育[29]。張海林等[30]研究表明， 在華北平原免耕處理下的夏玉米產(chǎn)量比傳統(tǒng)耕作提高10%以上。這都與本試驗(yàn)結(jié)果相同，免耕顯著增加了作物的生物量、株高、葉面積、葉干重比以及成熟期的產(chǎn)量。

同時，免耕土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物數(shù)量與活性相對穩(wěn)定有利于提高養(yǎng)分利用效率和作物生長，這可能是大豆氮累積量增加的原因之一。氮素累積增加是免耕條件下葉綠素含量增加的重要原因，劉建喜[31]研究發(fā)現(xiàn)，免耕條件下小麥體內(nèi)的葉綠素含量高于傳統(tǒng)耕作，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。葉綠素含量的增加，同時干物質(zhì)累積量也在相應(yīng)的增加，兩者呈線性相關(guān)，葉綠素含量與葉面積、葉干重、物質(zhì)累積量均呈極顯著正相關(guān)，葉綠素含量與葉面積呈極顯著正相關(guān)[24]。陳甲瑞等[9]研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理下，玉米光合速率和產(chǎn)量明顯高于傳統(tǒng)翻耕， 與本試驗(yàn)結(jié)果一致，這是產(chǎn)量增加的重要原因。

3.3 夜間增溫疊加免耕對冬小麥生長的影響

免耕相比于傳統(tǒng)耕作可明顯增加土壤含水量，進(jìn)而使得土壤比熱值增加，使得土壤對溫度擾動緩沖性得到提升[32]，因此，在夜間土壤降溫時，能有效減少土壤降溫的幅度，且進(jìn)行反光膜覆蓋，相比于常規(guī)耕作區(qū)域就能進(jìn)一步的增加土壤溫度，不僅促進(jìn)植物對土壤中氮素的吸收，同時還具有保持免耕土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物數(shù)量與活性相對穩(wěn)定等的作用，因此試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者疊加的條件下，植物的株高、生物量、葉面積、葉綠素SPAD值、光合速率、產(chǎn)量構(gòu)成以及產(chǎn)量都有顯著的增加，且增加效應(yīng)要大于夜間增溫和免耕的單一處理。

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