溫度升高和降水減少對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同影響*

張 凱, 王潤元, 王鶴齡, 趙 鴻, 趙福年, 陽伏林, 陳 斐, 齊 月, 雷 俊

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溫度升高和降水減少對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同影響*

張 凱1,2, 王潤元1**, 王鶴齡1, 趙 鴻1, 趙福年1, 陽伏林1, 陳 斐1, 齊 月1, 雷 俊3

(1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室 蘭州 730020; 2. 中國氣象局定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境野外試驗基地 定西 743000; 3. 甘肅省定西市氣象局 定西 743000)

為探索和驗證未來氣候變化對半干旱雨養(yǎng)區(qū)春小麥生產(chǎn)的影響, 了解春小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量對增溫和降水減少協(xié)同響應(yīng)的基本特征, 采用開放式紅外增溫系統(tǒng)裝置和水分控制觀測場, 設(shè)置不同溫度[增溫0 ℃(對照)、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃]和水分梯度(正常降水、降水減少30%)模擬氣候變化對半干旱區(qū)春小麥產(chǎn)量、生物量、穗部性狀以及株高、葉面積、葉綠素和葉片凈光合速率的影響。結(jié)果表明: 溫度升高和降水減少在春小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量上均表現(xiàn)出顯著的協(xié)同作用。在不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃下降水減少30%處理比正常降水處理分別減產(chǎn)24.41%、12.93%和27.38%, 生物量分別減少19.25%、10.31%和22.11%。因為籽粒產(chǎn)量的降幅略大于生物產(chǎn)量的降幅, 所以導(dǎo)致經(jīng)濟系數(shù)降低。溫度升高和降水減少抑制了春小麥穗的形成, 在各增溫條件下, 穗長、穗重、總小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重表現(xiàn)為降水減少30%處理低于正常降水處理, 而無效小穗數(shù)和不孕率表現(xiàn)為降水減少30%處理高于正常降水處理。溫度升高和降水減少的協(xié)同作用對春小麥葉片凈光合速率有極顯著影響, 對葉面積和葉綠素含量有顯著影響。二因子協(xié)同作用使春小麥葉片凈光合速率降低, 導(dǎo)致春小麥株高、葉面積、葉綠素含量和莖稈重降低。研究結(jié)果可為進一步開展氣候變暖下春小麥的響應(yīng)與適應(yīng)研究和未來半干旱區(qū)春小麥的安全種植提供理論依據(jù)。

溫度升高; 降水減少; 春小麥; 生長發(fā)育; 產(chǎn)量; 半干旱區(qū)

全球氣候變化是人類迄今面臨的最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一。氣溫升高和干旱事件的頻率和強度增加是最顯著的特點。IPCC第5次評估報告指出, 1880—2012年, 全球平均地表溫度升高了0.85 ℃; 1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率[0.12 ℃?(10a)-1], 幾乎是1880年以來的兩倍。過去的3個連續(xù)10年比之前自1850年以來的任何一個10年都暖, 并預(yù)測21世紀(jì)全球氣溫升幅可能超過1.5~2.5 ℃[1]。在最近的50年, 中國年平均地表氣溫升高1.1 ℃, 明顯高于全球或北半球同期平均升溫幅度[2]。中國北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)增暖顯著且干旱面積呈擴大的趨勢[3], 而溫度升高和降水減少是形成當(dāng)前中國北方大部分地區(qū)顯著干化的主要原因[4]。

小麥()是世界上最重要的糧食作物之一, 小麥豐歉對我國糧食總產(chǎn)量的提高也至關(guān)重要[5]。中國北方是春小麥的主要種植區(qū)。西北地區(qū)是中國北方春小麥的主要產(chǎn)區(qū)之一, 種植面積約占全國總種植面積的1/5, 占當(dāng)?shù)馗孛娣e的40%和糧食作物播種面積的51%[6]。小麥的生長過程不僅受自身遺傳特性的控制, 還受到環(huán)境因子的影響。高溫和干旱是兩個對小麥最具威脅的逆境因子, 對小麥的生理、生化特性都產(chǎn)生重要的影響, 進而影響小麥的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。伴隨全球氣候變暖, 暖干化趨勢加重必將對我國北方地區(qū)春小麥的生長產(chǎn)生重要的影響。

為了闡明溫度升高和降水減少對小麥的影響, 國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。其研究方法主要有: 模型模擬與預(yù)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測、環(huán)境模擬控制試驗[8]。在模擬試驗中多采用人工溫室、開頂箱、紅外增溫裝置和遮雨棚-水分觀測場等來控制溫度、降水變化。研究結(jié)果表明, 溫度升高導(dǎo)致小麥生育期縮短[9-10], 株高和葉面積指數(shù)降低[11-12], 灌漿時間縮短, 造成穗粒數(shù)、粒重和產(chǎn)量下降[13-15]。干旱脅迫導(dǎo)致小麥生育進程明顯加快, 葉面積減小, 植株矮化, 葉片含水量降低, 葉綠素含量減少[16], 平均灌漿速率增加[17], 植株總干物質(zhì)重降低, 干物質(zhì)向各器官分配的比例發(fā)生變化[18]。盡管國內(nèi)外就大氣增溫和干旱脅迫對小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響分別進行了較深入地研究, 取得顯著進展。但主要集中于對增溫或干旱某一單因子變化影響方面的研究, 而在生產(chǎn)實踐中的溫度脅迫很難與水分脅迫截然分開, 特別對于小麥, 高溫和干旱在生育中、后期經(jīng)常交互頻繁發(fā)生, 由于試驗條件等限制, 目前關(guān)于增溫和干旱二者協(xié)同作用對小麥影響的試驗研究還較少, 因此難以回答半干旱區(qū)春小麥對氣溫升高和降水減少協(xié)同究竟有怎樣的響應(yīng), 對此有必要進一步明確闡釋和系統(tǒng)化研究。因此, 本研究在遮雨棚下, 采用紅外線輻射器增溫裝置和水分控制觀測場開展大田模擬試驗, 研究大氣增溫和降水減少的協(xié)同作用對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 為進一步開展氣候變暖下春小麥的響應(yīng)與適應(yīng)研究, 及未來半干旱區(qū)春小麥的安全種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗基地情況

試驗于2014年在中國氣象局定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)試驗基地(104°37￠E, 35°35￠N)進行(圖1)。該基地位于甘肅省中部, 屬典型黃土高原半干旱氣候, 年平均氣溫6.7 ℃; 降水量386 mm, 分布不均勻, 主要分布在6—8月; 年平均日照時數(shù)2 433.0 h, 無霜期140 d[19]。土壤為黃綿土, 土壤pH 7.8, 有機質(zhì)含量為110.7 g?kg-1, 有效氮、總氮分別為51.1 mg?kg-1和0.84 g?kg-1, 有效磷、總磷分別為14.12 mg?kg-1和1.24 g?kg-1[11]。

圖1 試驗地點位置示意圖

1.2 試驗設(shè)計

試驗春小麥品種為‘定西24號’, 為當(dāng)?shù)爻Ｒ娖贩N。播種日期為2014年4月1日, 播種量為225 kg?hm-2, 播種時施用農(nóng)家肥56 000 kg?hm-2、磷酸二銨228 kg?hm-2和尿素138 kg?hm-2作基肥。收獲期為7月底到8月初, 生育期約120 d。

試驗采用的紅外線輻射器增溫裝置(圖2)由4部分組成, 包括遠紅外加熱部分、動力部分、控制部分和溫度監(jiān)測部分。遠紅外加熱部分由額定功率1 500 W的遠紅外加熱黑體管(長度1.8 m, 直徑1.8 cm)、鐵制支架和白色不銹鋼反射罩(長度2 m, 寬0.2 m)3部分構(gòu)成。遠紅外加熱黑體管懸掛在鐵制支架上面, 可以根據(jù)冠層溫度上下調(diào)節(jié);鐵制支架由3根鐵管焊接在一起組成, 并將整個支架固定在土壤中。動力部分是380 V的交流電。控制部分由微電腦時控開關(guān)定時、自動控制。溫度監(jiān)測部分由溫度傳感器(觀測精度為±0.1 ℃)組成, 實時自動記錄春小麥冠層的溫度數(shù)據(jù)。在春小麥全生育期, 試驗采用白天(7:00—19:00)不間斷增溫模式。

圖2 試驗基地增溫裝置和水分觀測場

設(shè)計不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃與正常降水、降水減少30%的組合, 共6個處理, 即: 不增溫下的正常降水(0-W0)、不增溫下的降水減少30%(0-W30)、增溫1.0 ℃下的正常降水(1-W0)、增溫1.0 ℃下的降水減少30%(1-W30)、增溫2.0 ℃下的正常降水(2-W0)、增溫2.0 ℃下的降水減少30%(2-W30), 每個處理3個重復(fù)。小區(qū)面積2 m×2 m, 地下2 m均為水泥隔墻, 以達到控制試驗田水分的橫向移動。試驗地有大型遮雨棚, 在有降水出現(xiàn)時, 及時將遮雨棚推到水分試驗場。利用人工灌溉方式模擬降水量。試驗以定西市歷史年份(1961—2011年)春小麥生育期(4—7月)的平均日降水量作為標(biāo)準(zhǔn), 計算各月減少30%的降水量(圖3), 然后再把每月減少后的降水量換算成灌水量后分4次進行灌溉, 即每隔7 d灌溉一次。

圖3 研究地點1961—2011年春小麥生長季平均月降水量

1.3 測定項目和方法

1.3.1 氣溫和土壤濕度觀測

在每個小區(qū), 采用溫度傳感器實時自動記錄春小麥冠層的溫度。每個生育期測0~100 cm深土壤含水量, 每20 cm一層, 用土鉆取土, 然后用烘干法測定。每個處理3個重復(fù), 對每個處理的數(shù)據(jù)平均, 得到各處理的氣溫和土壤含水量。

1.3.2 生長發(fā)育指標(biāo)觀測

觀測不同處理下春小麥的生育期, 準(zhǔn)確記錄春小麥播種和進入出苗、拔節(jié)、開花、孕穗、抽穗、灌漿、成熟的日期, 以及三葉期、拔節(jié)期、開花期、孕穗期、抽穗期、灌漿期的生育時期天數(shù)。

出苗整齊后, 選取樣株進行掛牌標(biāo)記。在春小麥各生長期, 每個小區(qū)選取樣株3株進行株高、葉面積、葉綠素等生長指標(biāo)的觀測。葉面積測定采用量測法, 用直尺量測葉片的長度和最寬處, 然后用長和寬的乘積再乘以折算系數(shù)確定單株葉面積。葉綠素相對含量采用SPAD-502葉綠素計在旗葉中部測定。干物質(zhì)重采用取樣法測量, 測量時每個處理選取生長一致的春小麥10株從地上部分剪掉, 分葉、莖和穗分別裝袋, 稱鮮重, 然后105 ℃下殺青30 min, 80 ℃左右烘干至恒重, 冷卻后稱干物質(zhì)重。

在春小麥抽穗—開花期, 利用LI-6400光合作用測定儀(LI-COR, USA)于晴天9:00—11:30進行春小麥葉片凈光合速率(n, μmol?m-2?s-1)測定。測定時, 每個處理隨機選取3株, 每株測定5個重復(fù)(測定旗葉), 取平均值。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量及穗部性狀觀測

春小麥成熟后, 每個處理連續(xù)取有代表性的麥穗20株, 進行考種分析, 按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[20], 分別測量穗長、穗重、總小穗數(shù)、無效小穗數(shù)、不孕率、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重等穗部性狀及籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析, 用Duncan分析方法進行多重比較。用Minitab軟件進行雙因素方差分析(two-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下大氣溫度與土壤相對濕度的變化特征

由圖4可知, 在不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃條件下, 春小麥整個生育期內(nèi), 與正常降水處理比較, 降水減少處理的日平均氣溫分別高0.22 ℃、0.34 ℃和0.35 ℃, 0~60 cm土壤相對濕度分別平均減少16.07%、20.15%和21.10%。通過對6個處理的平均根層(0~20 cm)土壤相對濕度干旱指數(shù)()分析及與氣象干旱等級標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20481—2006)[21]進行比較可知, 0-W0和1-W0兩種處理土壤相對濕度干旱指數(shù)分別為54.02%和50.31%, 屬于輕旱等級; 0-W30和2-W0處理土壤相對濕度干旱指數(shù)分別為41.02%和44.25%, 屬于中旱等級; 1-W30和2-W30的土壤相對濕度干旱指數(shù)分別為35.22%和31.49%, 屬于重旱等級, 干旱脅迫程度嚴(yán)重。

2.2 溫度升高和降水減少對春小麥產(chǎn)量的影響

從表1看出, 增溫2.0 ℃處理的春小麥平均籽粒產(chǎn)量和平均生物產(chǎn)量均顯著低于增溫1.0 ℃和不增溫處理, 說明隨增溫幅度提高, 春小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量逐漸降低。降水減少處理的平均籽粒產(chǎn)量和平均生物產(chǎn)量均顯著低于正常降雨處理, 說明降水減少對產(chǎn)量形成具有明顯抑制作用。就籽粒產(chǎn)量而言, 不增溫、增溫1.0 ℃和增溫2.0 ℃條件下降水減少30%較正常降水分別減產(chǎn)24.41%、12.93%和27.38%, 即增溫2.0 ℃下降水減少導(dǎo)致的減產(chǎn)最高。生物產(chǎn)量減少的趨勢與籽粒產(chǎn)量大體相同, 不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃下降水減少30%分別減產(chǎn)19.25%、10.31%和22.11%, 且均達顯著水平。不同增溫條件下降水減少30%的經(jīng)濟系數(shù)低于正常降水處理, 不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃下降水減少30%處理分別減少6.60%、2.75%和7.40%。溫度升高和降水減少的協(xié)同作用在春小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量上均達到顯著水平(<0.05, 表2)。

圖4 溫度升高和降水減少協(xié)同作用下氣溫(a)和土壤相對濕度(b)的平均日變化

0-W0: 不增溫、正常降雨量; 0-W30: 不增溫、降雨量減少30%; 1-W0: 增溫1 ℃、正常降雨量; 1-W30: 增溫1 ℃、降雨量減少30%; 2-W0: 增溫2 ℃、正常降雨量; 2-W30: 增溫2 ℃、降雨量減少30%。0-W0: normal temperature and precipitation; 0-W30: normal temperature and precipitation reduced by 30%; 1-W0: temperature increased by 1 ℃ and normal precipitation; 1-W30: temperature increased by 1 ℃ and precipitation reduced by 30%; 2-W0: temperature increased by 2 ℃ and normal precipitation; 2-W30: temperature increased by 2 ℃ and precipitation reduced by 30%.

表1 溫度升高和降水減少協(xié)同作用對春小麥產(chǎn)量的影響

不同小寫字母表示差異在<0.05水平顯著。0-W0: 不增溫、正常降雨量; 0-W30: 不增溫、降雨量減少30%; 1-W0: 增溫1 ℃、正常降雨量; 1-W30: 增溫1 ℃、降雨量減少30%; 2-W0: 增溫2 ℃、正常降雨量; 2-W30: 增溫2 ℃、降雨量減少30%。Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05). 0-W0: normal temperature and precipitation; 0-W30: normal temperature and precipitation reduced by 30%; 1-W0: temperature increased by 1 ℃ and normal precipitation; 1-W30: temperature increased by 1 ℃ and precipitation reduced by 30%; 2-W0: temperature increased by 2 ℃ and normal precipitation; 2-W30: temperature increased by 2 ℃ and precipitation reduced by 30%.

2.3 溫度升高和降水減少對春小麥穗部性狀的影響

溫度升高和降水減少的協(xié)同作用使春小麥穗部性狀發(fā)生了顯著變化。在各增溫處理中, 穗長、穗重、總小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重均表現(xiàn)為降水減少30%處理低于正常降水處理, 且除千粒重外都表現(xiàn)為差異顯著(<0.05, 表3)。降水減少30%處理的無效小穗數(shù)和不孕率高于正常降水處理, 其中不孕率差異顯著(<0.05, 表3)。不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃下, 降水減少30%處理與正常降水處理相比, 穗長分別降低9.85%、15.59%和19.00%, 穗重分別減輕27.68%、20.56%和18.29%, 總小穗數(shù)分別減少14.79%、9.21%和10.69%, 穗粒數(shù)分別減少22.07%、15.45%和16.84%, 穗粒重分別降低35.59%、23.86%和24.07%, 千粒重分別降低17.01%、10.37%和8.69%, 無效小穗數(shù)分別增加15.38%、17.24%和11.11%, 不孕率分別增加36.12%、29.47%和24.72%。隨著增溫幅度的提高, 不同處理下的春小麥穗長、穗重、總小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重呈減小趨勢, 而無效小穗數(shù)和不孕率呈增加趨勢。說明溫度升高和降水減少抑制了春小麥穗的形成, 表現(xiàn)在穗長變短, 穗粒數(shù)減少, 穗重和穗粒重降低等。

表2 溫度升高和降水減少協(xié)同作用對春小麥影響的雙因子方差分析

*:< 0.05; **:< 0.01。

表3 溫度升高和降水減少協(xié)同作用對春小麥穗部性狀的影響

不同小寫字母表示差異在<0.05水平顯著。0-W0: 不增溫、正常降雨量; 0-W30: 不增溫、降雨量減少30%; 1-W0: 增溫1 ℃、正常降雨量; 1-W30: 增溫1 ℃、降雨量減少30%; 2-W0: 增溫2 ℃、正常降雨量; 2-W30: 增溫2 ℃、降雨量減少30%。Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05). 0-W0: normal temperature and precipitation; 0-W30: normal temperature and precipitation reduced by 30%; 1-W0: temperature increased by 1 ℃ and normal precipitation; 1-W30: temperature increased by 1 ℃ and precipitation reduced by 30%; 2-W0: temperature increased by 2 ℃ and normal precipitation; 2-W30: temperature increased by 2 ℃ and precipitation reduced by 30%.

2.4 溫度升高和降水減少對春小麥光合速率和生長發(fā)育指標(biāo)的影響

在抽穗—開花期, 不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃條件下, 降水減少30%與正常降水處理相比, 春小麥葉片凈光合速率(n)分別降低9.54%、16.45%和22.19%, 差異均達到顯著水平(<0.05, 表4)。隨著增溫幅度的提高, 不同處理的春小麥葉片n呈減小趨勢。溫度升高和降水減少的協(xié)同作用對春小麥葉片n的影響達極顯著水平(<0.01, 表2)。

在不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃條件下, 降水減少30%與正常降水相比, 株高分別降低8.00%、5.07%和11.11%, 葉面積分別減小24.35%、29.26%和30.80%, 葉綠素含量分別降低13.64%、18.01%和26.76%, 莖稈重分別降低21.11%、33.37%和27.94%。除株高1-W30與1-W0差異不顯著外, 其他均達到顯著水平(<0.05, 表4)。隨增溫幅度提高, 春小麥株高、葉面積、葉綠素和莖稈重呈減小趨勢。溫度升高和降水減少的協(xié)同作用對葉面積和葉綠素的影響達顯著水平(<0.05), 而對株高的影響不顯著(表2)。

表4 溫度升高和降水減少協(xié)同作用對春小麥凈光合速率和生長發(fā)育指標(biāo)的影響

不同小寫字母表示差異在<0.05水平顯著。0-W0: 不增溫、正常降雨量; 0-W30: 不增溫、降雨量減少30%; 1-W0: 增溫1 ℃、正常降雨量; 1-W30: 增溫1 ℃、降雨量減少30%; 2-W0: 增溫2 ℃、正常降雨量; 2-W30: 增溫2 ℃、降雨量減少30%。Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05). 0-W0: normal temperature and precipitation; 0-W30: normal temperature and precipitation reduced by 30%; 1-W0: temperature increased by 1 ℃ and normal precipitation; 1-W30: temperature increased by 1 ℃ and precipitation reduced by 30%; 2-W0: temperature increased by 2 ℃ and normal precipitation; 2-W30: temperature increased by 2 ℃ and precipitation reduced by 30%.

3 討論

高溫和干旱是限制農(nóng)作物生長發(fā)育的重要因子, 自然界中這2種非生物逆境脅迫常常同時發(fā)生[22-23], 對大田作物造成非常大的甚至是致命的影響[24-25], 尤其在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[26]。一些學(xué)者也就高溫和干旱對小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同影響進行了研究, 但研究結(jié)果并不一致。有研究認為, 晝/夜溫度從18 ℃/13 ℃增加到24 ℃/19 ℃時, 小麥粒重的降低在輕度干旱脅迫和重度干旱脅迫下表現(xiàn)一致, 因此認為高溫和干旱無明顯的協(xié)同效應(yīng)[27]。大部分研究則認為高溫伴隨干旱對小麥的傷害遠遠大于高溫、干旱單因子分別對小麥造成的傷害, 具有明顯的累加效應(yīng)[28-29]。

就高溫和干旱協(xié)同作用對小麥產(chǎn)量的影響方面, 本研究表明在溫度升高和降水減少協(xié)同作用下春小麥的籽粒產(chǎn)量降低, 降低幅度因不同增溫和降水減少量而不同, 以增溫2.0 ℃下降水減少30%的產(chǎn)量最低。分析還發(fā)現(xiàn)增溫1.0 ℃條件下的降水減產(chǎn)與不增溫和增溫2.0 ℃條件下的減產(chǎn)相差較多, 這可能是試驗誤差造成的。生物產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量的變化一致, 也是增溫2.0 ℃下降水減少30%處理最低。溫度升高和降水減少在春小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量上均表現(xiàn)出顯著的協(xié)同作用, 這與前人研究結(jié)果相似。Stone和Nicolas[30]研究認為干旱和高溫對小麥產(chǎn)量的影響具有疊加效應(yīng)。Pradhan等[23]認為春小麥從出苗到開花期遭遇干旱、高溫及其協(xié)同脅迫可降低籽粒產(chǎn)量69%、81%和92%, 而從出苗到花后21 d遭遇干旱、高溫及其協(xié)同脅迫可降低籽粒產(chǎn)量26%、37%和50%。只是在產(chǎn)量降低的幅度上有差異, 造成差異的原因可能是試驗設(shè)計不同和研究區(qū)域的特殊性。

經(jīng)濟系數(shù)反映了“源”的光合產(chǎn)物向“庫”轉(zhuǎn)運和積累的能力。蘇瑋等[31]研究表明, 與正常條件相比, 在高溫(35±2) ℃和干旱(田間持水量為40%±2%)協(xié)同作用下, 春小麥的經(jīng)濟系數(shù)下降39.1%。本研究表明, 溫度升高和降水減少的協(xié)同作用使春小麥經(jīng)濟系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢, 主要是溫度升高和降水減少抑制了春小麥穗的形成, 使籽粒體積減小, 庫容縮小, 引起庫積累干物質(zhì)的能力降低, 進而對產(chǎn)量造成明顯的影響, 經(jīng)濟系數(shù)也隨之降低。但經(jīng)濟系數(shù)降低的幅度遠低于蘇瑋等[31]的結(jié)果, 這可能與增溫和水分脅迫的程度有關(guān)。

小麥的穗部性狀直接關(guān)系到產(chǎn)量的高低, 小麥的產(chǎn)量主要由穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重三要素構(gòu)成。高溫和干旱協(xié)同作用對小麥穗部影響明顯。Vikender等[32]研究認為, 小麥開花后的高溫干旱縮短了籽粒灌漿期, 降低了平均籽粒重、籽粒數(shù)和千粒重。蘇瑋等[31]研究表明, 高溫干旱疊加脅迫加劇了穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重下降, 導(dǎo)致不結(jié)實小穗增加, 造成秕粒。胡吉幫[33]研究認為, 小麥在灌漿期土壤干旱條件下同時遭遇高溫危害, 對穗粒重影響明顯。本研究表明, 溫度升高和降水減少的協(xié)同作用導(dǎo)致穗長變短, 穗粒數(shù)減少, 穗重和穗粒重降低, 無效小穗數(shù)和不孕率增加, 使春小麥穗部性狀發(fā)生了顯著變化, 這與前人的研究結(jié)果有所相似。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[34]。高溫和干旱對小麥光合作用最直接的影響是顯著降低了凈光合速率(n), 以二者脅迫兼有時降低最多[31,35]。本研究也得出相同的結(jié)論, 發(fā)現(xiàn)小麥葉片n對高溫干旱響應(yīng)敏感, 溫度升高和降水減少的協(xié)同作用對春小麥葉片n影響達極顯著水平, 溫度升高和降水減少對春小麥葉片n均起負作用。高溫干旱對小麥生長發(fā)育過程影響顯著。本研究表明, 溫度升高和降水減少的協(xié)同作用導(dǎo)致春小麥株高、葉面積和葉綠素含量降低, 其中對葉面積和葉綠素含量的影響達顯著水平, 而對株高的影響不顯著, 這與張蓓蓓等[35]研究認為高溫和干旱導(dǎo)致小麥株高明顯降低有所差異, 這可能與供試小麥品種和試驗環(huán)境有關(guān)。

本研究與前人研究結(jié)果具有一致性, 也有特殊性。相關(guān)要素在趨勢變化上有所相似, 但在量值變化上有所差異, 可能原因主要是由于試驗設(shè)計不同造成的。前人研究多采用階段性的高溫和干旱, 并且是全天性的脅迫, 而本研究采用整個生育期持續(xù)增溫和水分控制, 但只是選擇在白天增溫。由于氣候變化引起的升溫在不同的地區(qū)有不同的表現(xiàn), 同一地區(qū)在一年四季、晝夜間的增溫效應(yīng)不同。為此, 在后續(xù)的試驗中將對試驗設(shè)計進一步完善。在分析歷史氣象觀測資料基礎(chǔ)上, 結(jié)合試驗地的實際情況, 設(shè)計不同生育階段、晝夜間不同增溫幅度的試驗開展研究, 其結(jié)果和結(jié)論將更具實際意義。

4 結(jié)論

本研究基于溫度和水分的大田模擬試驗, 研究了大氣增溫和降水減少協(xié)同作用對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響, 獲得的主要結(jié)論有: 1)溫度升高和降水減少的協(xié)同作用對春小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有顯著影響。在不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃條件下降水減少30%比正常降水籽粒產(chǎn)量分別減少24.41%、12.93%和27.38%, 生物量分別減少19.25%、10.31%和22.11%, 經(jīng)濟系數(shù)分別減少6.60%、2.75%和7.40%。2)在各增溫處理中, 穗長、穗重、總小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重均表現(xiàn)為降水減少30%低于正常降水處理, 且除千粒重外, 均表現(xiàn)為差異顯著, 無效小穗數(shù)和不孕率表現(xiàn)為降水減少30%處理高于正常降水處理, 其中不孕率差異顯著。3)在不增溫、增溫1.0 ℃、增溫2.0 ℃條件下降水減少30%較正常降水葉片n分別降低9.54%、16.45%和22.19%, 差異均達顯著水平; 株高、葉面積、葉綠素含量和莖稈重也呈減小趨勢, 其中葉面積和葉綠素含量達顯著水平?？傊? 溫度升高和降水減少對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同效應(yīng)顯著。

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Influence of climate warming and rainfall reduction on semi-arid wheat production*

ZHANG Kai1,2, WANG Runyuan1**, WANG Heling1, ZHAO Hong1, ZHAO Funian1, YANG Fulin1, CHEN Fei1, QI Yue1, LEI Jun3

(1. Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration / Key Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction in Gansu Province / Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2. Dingxi Arid Meteorology and Ecological Environment Field Experimental Station, China Meteorological Administration, Dingxi 743000, China; 3. Meteorological Bureau of Dingxi City, Dingxi 743000, China)

Infrared simulations were conducted in semi-arid Dingxi, Gansu, Northwest China to investigate the influence of climate changes that result in increased temperatures and reduced rainfalls on spring wheat production. Spring wheat was grown in one of the following six simulations formed in a factorial arrangement of three ambient temperature changes (+0 ℃, +1.0 ℃ and +2.0 ℃) and two rainfalls [normal (W0) and 30% below average (W30)]: 0-W0, 0-W30, 1-W0, 1-W30, 2-W0,and 2-W30. Wheat yield, biomass, panicle characteristics, plant height, leaf area, chlorophyll, and net photosynthetic rate in each simulation were obtained. Decreased rainfall reduced wheat grain yield by 24.41%, 12.93%, and 27.38%, and wheat biological yield by 19.25%, 10.31%, and 22.11%, for +0 ℃, +1.0 ℃, and +2.0 ℃, respectively. The decreases suggested that the impact of climate warming was especially unfavorable for the economical return of wheat production. Wheat grown with decreased rainfall was lower in panicle length and weight, total spikelet number, number of grains per panicle, weight of grains per panicle, and 1000-grain weight, and higher in sterile spikelet number and spikelet sterility rate. Wheat net photosynthetic rate, leaf area, and chlorophyll content were reduced as the ambient temperature was increased and rainfall decreased. Spring wheat growth and production were severely affected when the ambient temperature increased 1 ℃ to 2 ℃ and rainfall dropped 30% in semi-arid China, suggesting that it is important to develop adaptation cropping to climate changes.

Temperature increase; Rainfall reduction; Spring wheat; Growth and development; Yield; Semi-arid area

, E-mail: wryww@163.com

Dec. 31, 2018;

Jan. 19, 2019

S162.5

A

2096-6237(2019)03-0413-09

10.13930/j.cnki.cjea.190031

張凱, 王潤元, 王鶴齡, 趙鴻, 趙福年, 陽伏林, 陳斐, 齊月, 雷俊. 溫度升高和降水減少對半干旱區(qū)春小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的協(xié)同影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(3): 413-421

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* 國家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201506001-2, GYHY201106029)、甘肅省氣象局氣象科研項目(GSMAMs2016-14)、國家自然科學(xué)基金項目(41305134, 41775107, 41775105)和干旱氣象科學(xué)研究基金項目(IAM201505)資助

王潤元, 主要從事氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究。E-mail: wryww@163.com

張凱, 主要從事干旱半干旱區(qū)氣候變化對農(nóng)業(yè)影響及適應(yīng)技術(shù)、干旱致災(zāi)過程和機理研究。E-mail: lanzhouzhk@163.com

2018-12-31

2019-01-19

* This study was supported by the Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest of China (GYHY201506001-2, GYHY201106029), the Meteorological Research Project of Gansu Meteorological Bureau (GSMAMs2016-14), the National Natural Science Foundation of China (41305134, 41775107, 41775105) and the Drought Meteorological Research Foundation (IAM201505).