增溫和降水量減少對冬小麥和大豆生物量和酶活性的影響

孔瑞 胡正華 陳書濤 柯浩楠 王亞萍 吳楊周

摘要：通過田間控制試驗，設(shè)置對照（CK）、增溫約2 ℃（T）、降水量減少30%（P）、增溫約2 ℃+降水量減少30%（TP）4種不同處理，研究增溫和降水減少對作物生物量以及葉片硝酸還原酶（nitrate reductase，簡稱NR）、土壤酶活性的影響。結(jié)果表明，在冬小麥生長季，與CK相比，T處理在抽穗—揚花期顯著增加地上生物量46.01%（P=0.000）、總生物量34.07%（P=0.001），在灌漿—成熟期顯著增加地上生物量30.47%（P=0.028）;TP處理在拔節(jié)—孕穗期顯著增加地上生物量 53.45%（P=0.024），在抽穗—揚花期顯著增加地上生物量19.82%（P=0.014），在收獲期顯著增加地上生物量 34.60%（P=0.004）、總生物量29.08%（P=0.011）。在大豆生長季，與CK相比，T處理在三葉期顯著增加地下生物量48.89%（P=0.035）、總生物量38.23%（P=0.041），在開花期顯著增加地上生物量82.61%（P=0.035）、總生物量74.05%（P=0.040）;TP處理在三葉期顯著增加地上生物量43.56%（P=0.030）、總生物量4254%（P=0.027）;P處理對冬小麥和大豆的生物量影響未達到顯著水平。增溫、降水量減少處理對冬小麥和大豆葉片NR活性沒有顯著影響，但TP處理在大豆開花期顯著增加NR活性，增幅為42.84%（P=0.023）。增溫和降水量減少對冬小麥和大豆土壤酶活性的影響規(guī)律基本一致，相比于CK，T處理增加土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性、降低土壤過氧化氫酶活性，P處理降低揚花期土壤脲酶活性，TP處理增加成熟期土壤轉(zhuǎn)化酶活性。

關(guān)鍵詞：增溫;降水量減少;冬小麥;大豆;生物量;酶活性

中圖分類號： S181;S162.5 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0110-06

21世紀(jì)全球的平均氣溫將會升高1.5～4.8 ℃[1]，全球氣溫升高且具有持續(xù)上升的趨勢已成為不爭的事實。地表溫度的持續(xù)升高將會改變大氣環(huán)流及水文模式，進而引發(fā)全球或區(qū)域降水格局的變化[2-3]，極端降水和干旱事件隨之交替頻發(fā)[4]。降水格局和溫度作為影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植物生長和土壤微生物活性的重要因素，由氣候變化引起的溫度升高和降水格局變化勢必會對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

農(nóng)田在陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著主導(dǎo)作用，農(nóng)作物生物量是研究全球碳循環(huán)的重要組成部分，作為評價生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，許多學(xué)者對不同條件下農(nóng)作物生物量對溫度和降水量等環(huán)境因子改變的響應(yīng)進行研究[5-10]。植物葉片中的硝酸還原酶（nitrate reductase，簡稱NR）為植物體內(nèi)尿素同化和代謝過程中的關(guān)鍵限速酶，可反映植株的氮素營養(yǎng)狀況和氮代謝水平[10-11];脲酶可表征土壤氮素狀況，其活性與土壤的微生物數(shù)量、有機物質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系;轉(zhuǎn)化酶水解蔗糖為葡萄糖和果糖，其活性可表征土壤肥力與熟化程度;過氧化氫酶分解由生物呼吸和有機物氧化產(chǎn)生的過氧化氫，其活性在一定程度上可表征土壤總的生物學(xué)活性和肥力狀況[12]。已有研究表明，增溫不僅降低植物葉綠素含量和光合速率[13]，縮短作物生育期[14-15]，還會加速土壤有機質(zhì)分解，增加土壤微生物生物量和活性[16]，土壤酶活性也隨之改變。作為影響農(nóng)田生物量和酶活性的關(guān)鍵因素，土壤條件和作物生理生長狀況受降水量變化影響較大[17]，因此，研究增溫和降水量減少對作物生物量和酶活性影響有重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于增溫和降水量變化對作物生物量復(fù)合效應(yīng)影響的研究在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中已取得部分進展[9，18-20]，針對酶活性的研究卻多見于單因子影響[16-17，21-23]，而針對不同農(nóng)作物品種的對比研究較少。本研究利用紅外輻射增溫裝置模擬田間增溫，人工控制水分變化，通過測定冬小麥和大豆不同生育期生物量、葉片NR活性和3種土壤酶活性，探究增溫和降水量減少的協(xié)同作用對不同農(nóng)作物生物量和酶活性的影響規(guī)律，以期為準(zhǔn)確評價在全球氣候變化背景下，我國華東地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生長和土壤微生物對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律與機制提供基礎(chǔ)性資料，為國內(nèi)糧食安全保障研究提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 田間概況

本研究于2013—2014年冬小麥和大豆生長季在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站（32.21°N，118.71°E）進行大田試驗。該地多年平均降水量為1 100 mm，平均溫度為 15.6 ℃。試驗地土壤為潴育型水稻土，灰馬干土屬，耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量為26.1%，土壤pH（H2O）值為6.64，有機碳、全氮含量分別為35.49、0.55 g/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗共設(shè)置4種處理，分別為對照（CK）、增溫約2 ℃（T，比CK葉面溫度增加約2 ℃）[21]、降水量減少30%（P）[9]、增溫約2 ℃+降水量減少30%（TP）。每種處理分別設(shè)3個重復(fù)試驗小區(qū)，共12個小區(qū)，各小區(qū)隨機排列。每個小區(qū)面積為2 m×2 m，為防止小區(qū)之間的物質(zhì)交換，相鄰小區(qū)之間間隔0.5 m，并挖40 cm深的排水溝。模擬增溫與降水量減少處理的時間為作物出苗到收獲。

供試作物品種為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植的冬小麥（揚麥16）和大豆（八月白），冬小麥和大豆的主要生育期和肥料管理見表1。

采用紅外線輻射器（infrared radiators）增溫裝置對土壤-作物系統(tǒng)進行晝夜不間斷增溫處理。每個增溫小區(qū)設(shè)3個燈罩，燈罩內(nèi)安裝紅外線輻射燈管（長1 m，功率250 W），平行懸掛在已安裝好的不銹鋼支架上，保持其高度在作物冠層上方1 m處。不作增溫處理的小區(qū)，懸掛相同不通電燈罩，以降低或消除光照、遮陰等因素的干擾。所有燈罩高度都隨作物生長高度進行調(diào)節(jié)。這種增溫方法能較好地模擬全球變暖機制，且安裝簡單、維護方便，是國內(nèi)外學(xué)者常用的較為理想的增溫方式[21，24]。

降水量減少處理采用人工遮擋的方法，在P、TP處理試驗小區(qū)上方均勻搭建6塊透明聚氯乙烯（PVC）材料的陽光板作為遮雨板。每塊遮雨板長×寬為2.5 m×0.1 m，距離地面高度為1.5 m，總截面積為試驗小區(qū)面積的30%，以此達到減少30%降水的效果。遮雨板橫向凹曲呈“U”形，與水平面保持一定坡度懸掛，便于降水順著遮雨板流下進入導(dǎo)水溝渠。這種降水量減少的方法便于操作，在實際研究中得到廣泛應(yīng)用，如程徐冰等利用人工截留降水的方法研究長白山蒙古櫟葉片生理生態(tài)特征對降水量減少的響應(yīng)[25]。

1.2.2 樣品采集與相關(guān)指標(biāo)測定 分別在冬小麥關(guān)鍵生育期（返青、拔節(jié)、孕穗、抽穗、灌漿期）、大豆關(guān)鍵生育期（分枝、開花、結(jié)莢、鼓粒、成熟期），避開降水、施肥期，采用常規(guī)方法測定植株生物量以及土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶活性，其中植株葉片的硝酸還原酶活性在小麥關(guān)鍵生育期（揚花、灌漿、成熟期）、大豆關(guān)鍵生育期（開花、結(jié)莢期）測定。

（1）葉片硝酸還原酶活性的測定：在每個小區(qū)隨機剪取長勢均勻的作物葉片若干，用磺胺比色法測定葉片硝酸還原酶活性[11]。

（2）作物生物量測定：在每個小區(qū)隨機選取1株長勢均勻的作物植株連根系及周圍土壤一同挖出，洗凈后分地上和地下部分，置于恒溫箱中在105 ℃下殺青0.5 h，然后在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，分別稱量地上、地下部分質(zhì)量。

（3）土壤脲酶活性測定：取100 g左右根際土壤，風(fēng)干，研磨后過20目篩，用靛酚比色法測定土壤脲酶活性[11]。

（4）土壤轉(zhuǎn)化酶活性測定：取2 g過20目篩的風(fēng)干土，用比色法測定葡萄糖生成量表示土壤轉(zhuǎn)化酶酶活性[11]。

（5）土壤過氧化氫酶活性測定：在關(guān)鍵生育期，避開降水和施肥期，取5 g過1.25 mm篩的風(fēng)干土，用比色法測定葡萄糖生成量，表示土壤過氧化氫酶活性[11]。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Office Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示;運用SPSS 19.0（SPSS Inc.，Chicago，USA）進行統(tǒng)計分析，采用LSD法進行不同處理間的差異顯著性檢驗，運用OriginPro 2016（OriginPro，USA）軟件完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫和降水量減少對生物量的影響

2.1.1 冬小麥生物量 與CK相比，T處理地上生物量在抽穗—揚花期極顯著增加46.01%（P=0.000）、灌漿—成熟期顯著增加30.47%（P=0.028）;TP處理地上生物量在拔節(jié)—孕穗期顯著增加53.45%（P=0.024）、抽穗—揚花期顯著增加19.82%（P=0.014），收獲時地上生物量達到極顯著增加的水平，增幅為34.60%（P=0.004）;P處理對冬小麥地上生物量無顯著影響（圖1-a）。

與CK相比，T、P、TP處理對地下生物量沒有顯著影響。但從整個生育期來看，T處理呈現(xiàn)減少地下生物量的趨勢，收獲時，TP、P處理使地下生物量呈減少趨勢，但未達到顯著水平（圖1-b）。

與CK相比，T處理總生物量在拔節(jié)—孕穗期顯著增加34.07%（P=0.001）;TP處理總生物量在收獲時顯著增加29.08%（P=0.011）;P處理對冬小麥總生物量無明顯影響（圖1-c）。

2.1.2 大豆生物量 與CK相比，T處理下開花期大豆地上生物量顯著增加82.61%（P=0.035）;TP處理下三葉期大豆地上生物量顯著增加43.56%（P=0.030）;P處理對大豆地上生物量無顯著影響（圖2-a）。

與CK相比，T處理下三葉期大豆地下生物量顯著增加48.89%（P=0.035），其他生育期無顯著影響;P、TP處理對大豆地下生物量無顯著影響，但P處理下大豆地下生物量整體呈現(xiàn)減少的趨勢（圖1-b）。

與CK相比，T處理下總生物量在三葉期顯著增加 38.23%（P=0.041）、開花期顯著增加74.05%（P=0.040）;TP處理下，總生物量在三葉期顯著增加42.54%（P=0.027）;P處理對大豆總生物量無顯著影響（圖2-c）。

2.2 增溫和降水量減少對葉片NR活性的影響

2.2.1 冬小麥葉片NR活性 與CK相比，3種處理對冬小麥葉片NR活性沒有明顯影響。整體表現(xiàn)為T處理降低冬小麥葉片NR活性趨勢（圖3-a）。

2.2.2 大豆葉片NR活性 與CK相比，TP處理下開花期大豆葉片NR活性顯著增加42.84%（P=0.023）;T、P處理對大豆葉片NR活性無顯著影響（圖3-b）。

2.3 增溫和降水量減少對土壤酶活性的影響

2.3.1 冬小麥土壤酶活性

2.3.1.1 過氧化氫酶活性 表2為不同處理對冬小麥土壤酶活性的影響。與CK相比，T處理下過氧化氫酶活性在揚花期顯著降低40.12%（P=0.014），在灌漿期顯著降低 40.86%（P=0.035）;在全生育期中，P處理降低土壤過氧化氫酶活性，TP處理呈增加土壤過氧化氫酶活性，但未達到顯著水平。

2.3.1.2 轉(zhuǎn)化酶活性 與CK相比，T處理下孕穗—抽穗期轉(zhuǎn)化酶活性極顯著增加，增幅達37.11%（P=0.003）;TP處理下成熟期轉(zhuǎn)化酶活性極顯著增加，增幅達2.58倍（P=0.009）;P處理在灌漿期前降低土壤轉(zhuǎn)化酶酶活性，在灌漿后增加土壤轉(zhuǎn)化酶酶活性，但未達到顯著水平。

2.3.1.3 脲酶活性 與CK相比，T處理下孕穗—抽穗期土壤脲酶活性顯著增加77.79%（P=0.027）;P處理下，揚花期酶活性顯著降低70.14%（P=0.013）;整體上TP處理增加脲酶活性，但未達到顯著水平。

2.3.2 大豆土壤酶活性

2.3.2.1 過氧化氫酶活性 表3為不同處理對大豆土壤酶活性的影響。與CK相比，T、P、TP處理對大豆土壤過氧化氫酶活性的影響均未達到顯著水平;除分枝期外，T、P處理降低過氧化氫酶活性，TP處理在整個生育期增加過氧化氫酶活性趨勢。

2.3.2.2 轉(zhuǎn)化酶活性 與CK相比，T、P、TP處理對轉(zhuǎn)化酶活性的影響均不顯著，T處理總體上增加轉(zhuǎn)化酶活性。

2.3.2.3 脲酶活性 與CK相比，TP處理下開花期脲酶活性顯著增加1.25倍（P=0.033）;T、P處理對脲酶活性無顯著影響。

3 討論

3.1 生物量

有研究表明，增溫會增強植物的光合作用和水分利用率，進而加快植物的生長速率，以致干物質(zhì)得到有效累積，生物量增加[7]，發(fā)育期提前。石福孫等研究表明，增溫可能導(dǎo)致地下生物量降低[26]，不同物種生物量對模擬增溫的響應(yīng)存在明顯差異[6，27]。本研究結(jié)果表明，增溫可增加豆麥作物地上生物量和總生物量，增溫和增溫與降水量減少復(fù)合處理的冬小麥生育期比CK提前5 d左右，這與大多以往研究結(jié)果[28]一致。

氣候變暖對地上生物量的影響主要取決于降水量[20]，降水量減少處理對冬小麥生物量影響不顯著可能是由于南京降水全年較為充足，降水量減少30%產(chǎn)生的影響并不明顯。大豆是豆類作物中對水分變化最敏感的一種，降水量減少處理對大豆地下生物量沒有顯著影響，但存在整個生育期降低地下生物量的趨勢， 這與閆春娟等得出的大豆?fàn)I養(yǎng)生長期水分虧缺根系生物量減少但差異不顯著的結(jié)果[29]相同。

增溫和降水量減少的協(xié)同作用與單因子對豆麥生物量影響上的相關(guān)關(guān)系具體表現(xiàn)為增溫和降水量減少的協(xié)同作用對豆麥作物生物量的影響與某一存在顯著影響作用的單因子處理結(jié)果一致，但這個一致性目前僅存在只有1個單因子處理影響顯著的情況下，是否存在某一農(nóng)作物受2種單因素處理顯著影響，以及該情況下協(xié)同作用會有何變化，都需要進一步探討。

3.2 酶活性

NR是由硝酸鹽誘導(dǎo)形成的限速酶和調(diào)節(jié)酶，葉片內(nèi)活性最高，但穩(wěn)定性極差[30]。增溫和降水量減少對NR活性主要產(chǎn)生間接影響，增溫促進豆麥作物生長，使得葉片NR合成及活性提高;降水量減少無法滿足豆麥作物正常生長需求，導(dǎo)致NR合成受阻、分解加速，造成NR含量下降，活性可能降低。本研究結(jié)果表明，增溫有降低冬小麥葉片NR活性的趨勢，可能由于溫棚的封頂式增溫幅度偏大，會導(dǎo)致微生物代謝活性下降[31]。另外，研究區(qū)域地處南京市，降水量豐富，因此降水量減少處理的效果并不明顯。大豆開花期TP處理顯著增加NR活性，T、P處理對NR活性沒有顯著影響，這表明作為豆類作物中對水分變化最為敏感的作物， 降水量可能是影響大豆開花期NR活性的關(guān)鍵因素。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要動力[32-33]，溫度持續(xù)升高會增加土壤酶的活性[34]，也可能會降低土壤過氧化氫酶活性[35-36]，降水量減少會降低土壤酶活性[37]。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫和降水量減少對冬小麥和大豆的土壤酶活性的影響大致相同，這與以往研究結(jié)果一致。增溫和降水量減少的協(xié)同作用對冬小麥和大豆的土壤酶活性大多具有增加作用，這表明在不同品種間，也存在協(xié)同作用與單因素影響的差異性，但協(xié)同作用呈現(xiàn)的效果是否與單因子所占權(quán)重有關(guān)，還需進一步探討。

4 結(jié)論

增溫可增加豆麥地上、總生物量及大豆三葉期地下生物量;降水量減少對豆麥生物量無顯著影響，整體呈現(xiàn)降低豆麥地下生物量的趨勢;增溫和降水量減少的協(xié)同作用可增加豆麥作物的地上和總生物量，對地下生物量無顯著影響。

冬小麥葉片NR活性對3種處理響應(yīng)不顯著，增溫和降水量減少的協(xié)同作用增加大豆開花期NR活性。對大豆田土壤，增溫和降水量減少的協(xié)同作用增加了開花期土壤脲酶活性。對冬小麥土壤，降水量減少處理降低了揚花期土壤脲酶活性，并降低了土壤過氧化氫酶活性，但未達到顯著水平;增溫和降水量減少的協(xié)同處理可增加冬小麥成熟期土壤轉(zhuǎn)化酶活性，但對土壤過氧化氫酶、脲酶活性沒有顯著影響。

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收稿日期：2018-11-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（編號：41775152、41775151）;江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新計劃（編號：201810300070Y）。

作者簡介：孔 瑞（1994—），女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)研究。E-mail：923875630@qq.com。

通信作者：胡正華，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化研究。E-mail：zhhu@nuist.edu.cn。