高溫脅迫對(duì)華北地區(qū)冬小麥灌漿及產(chǎn)量的影響

譚凱炎, 楊曉光, 任三學(xué), 房世波

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 北京 100081 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193

高溫脅迫對(duì)華北地區(qū)冬小麥灌漿及產(chǎn)量的影響

譚凱炎1,*, 楊曉光2, 任三學(xué)1, 房世波1

1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 北京 100081 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193

冬小麥灌漿期高溫是制約我國(guó)北方冬小麥產(chǎn)量的一個(gè)重要?dú)夂蛞蛩?，隨著全球氣候變暖，日趨頻繁的極端溫度事件可能引起該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的大幅波動(dòng)。為了明確冬小麥灌漿期異常高溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響程度，在河北固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站自然大田條件下，采用自由空氣紅外輻射增溫技術(shù)，開(kāi)展了冬小麥灌漿中后期短期高溫處理模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明，灌漿中后期短期高溫脅迫致使冬小麥灌漿速率下降及灌漿持續(xù)時(shí)間縮短從而使粒重降低，在消除了影響粒重的其它因素的作用后，短期高溫處理期間的午間平均冠層氣溫與粒重之間存在顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。高溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量的威脅程度由高溫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間兩個(gè)因素決定。結(jié)合了高溫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間綜合作用的高溫有效度時(shí)被證明是一個(gè)能全面反映灌漿中后期高溫脅迫影響的特征量。

高溫脅迫; 冬小麥; 產(chǎn)量; 紅外輻射增溫

冬小麥屬喜涼作物，灌漿階段天氣涼爽有利于提高千粒重[1]，但在我國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū)小麥灌漿成熟期常會(huì)遭遇高溫天氣，高溫危害是小麥取得高產(chǎn)的主要障礙之一。隨著全球氣候變暖，一些地區(qū)小麥灌漿期的高溫脅迫發(fā)生頻率增加[2]，極端溫度事件將給農(nóng)作物產(chǎn)量造成更大損失[3]，我國(guó)未來(lái)極端高溫事件也將明顯增加[4]，年平均高溫日數(shù)呈上升趨勢(shì)[5-6]，冬小麥生育后期高溫危害勢(shì)必對(duì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)帶來(lái)更大影響，威脅我國(guó)冬小麥產(chǎn)量安全。關(guān)于高溫脅迫對(duì)小麥的光合、生理、產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了較多的試驗(yàn)[7-17]，一些試驗(yàn)研究表明灌漿期高溫脅迫致使冬小麥產(chǎn)量降低[15-17]，在不同灌漿階段高溫脅迫的作用不同[18-19]。然而，針對(duì)灌漿期高溫脅迫程度與冬小麥籽粒產(chǎn)量的定量關(guān)系研究還較少，究竟灌漿期短期高溫對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響遵從何種規(guī)律，氣候異常時(shí)出現(xiàn)極端高溫是否將導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量陡降，以及高溫脅迫對(duì)冬小麥灌漿與產(chǎn)量的作用機(jī)制都有待深入研究。華北地區(qū)是我國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，本研究試圖通過(guò)田間模擬高溫試驗(yàn)探索冬小麥灌漿中后期短期高溫對(duì)華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的影響規(guī)律及其作用機(jī)制，以期為評(píng)估未來(lái)極端高溫事件對(duì)該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量安全威脅提供科學(xué)依據(jù)。在冬小麥灌漿中后期，穗數(shù)和穗粒數(shù)已經(jīng)基本確定，粒重大小決定了最終籽粒產(chǎn)量的高低，因此，本研究通過(guò)粒重的變化來(lái)反映產(chǎn)量對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的試驗(yàn)于2012—2013年在中國(guó)氣象科學(xué)研究院河北固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行，兩年試驗(yàn)的冬小麥品種均為濟(jì)麥22，屬半冬性品種。試驗(yàn)在大田中進(jìn)行，各小區(qū)播種密度和田間管理措施完全一致，增溫處理在冬小麥灌漿中后期(開(kāi)花11 d后至成熟[19])進(jìn)行，處理前冬小麥長(zhǎng)勢(shì)基本相同，在自然狀態(tài)下采用紅外輻射器增溫方法對(duì)小麥冠層進(jìn)行輻射增溫。設(shè)兩組增溫處理，一組為在冬小麥灌漿中后期選擇6個(gè)晴熱天進(jìn)行增溫處理(TI 6 d)，另一組為在冬小麥灌漿中后期選擇9個(gè)晴熱天進(jìn)行增溫處理(TI 9 d)，由于天氣條件的波動(dòng)，6 d處理和9 d處理不一定連續(xù)。每組設(shè)3個(gè)增溫幅度(T1,T2,T3)，通過(guò)采用不同功率紅外輻射器及其安裝高度產(chǎn)生不同增溫幅度，輻射器由3根紅外燈管并排組成，3個(gè)增溫幅度的紅外輻射器功率和安裝高度分別為3×500 W,距冠層頂部0.6 m；3×600 W，距冠層頂部0.4 m；3×700 W,距冠層頂部0.4 m。另外設(shè)置1組對(duì)照(CK)。每個(gè)幅度的增溫處理和對(duì)照均設(shè)3個(gè)小區(qū)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)的面積為1.5 m×2.0 m，紅外輻射器水平懸掛在小區(qū)中央冬小麥冠層上方，輻射器照射區(qū)域0.8 m×1.2 m，輻射器燈管的反射罩寬度2.5 cm，其對(duì)陽(yáng)光的遮擋作用可以忽略。增溫處理只在晴熱天氣的午間進(jìn)行，時(shí)間為10:00—15:00，在每個(gè)處理和對(duì)照安裝1個(gè)帶輻射罩的溫度傳感器，傳感器安裝在照射區(qū)域中央的冬小麥冠層高度處，采集器每10 min采集1次數(shù)據(jù)。

1.2 兩個(gè)冬小麥生長(zhǎng)季氣候情況

根據(jù)距試驗(yàn)地40 km的涿州農(nóng)氣站兩個(gè)生長(zhǎng)季各月溫度距平資料(表1)，2011—2012冬小麥生長(zhǎng)季溫度較常年偏高，而2012—2013冬小麥生長(zhǎng)季溫度偏低，2012—2013季從冬小麥苗期開(kāi)始?xì)鉁囟嗟陀谏弦患?，特別是起身期以后氣溫持續(xù)低于上年。兩個(gè)生長(zhǎng)季未出現(xiàn)明顯的氣象和病蟲災(zāi)害情況。

表1 冬小麥生長(zhǎng)季各月氣溫距平 /℃

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

小麥開(kāi)花后，在各處理小區(qū)的中央?yún)^(qū)域選定高度和大小相近的40穗，做出標(biāo)記，開(kāi)花5 d后在對(duì)照小區(qū)開(kāi)始取樣觀測(cè)籽粒灌漿速率，每隔4 d取樣1次，增溫處理開(kāi)始后，各小區(qū)同時(shí)觀測(cè)。每次在每小區(qū)取5穗，剝出籽粒在80 ℃恒溫下烘干后稱重，計(jì)算平均粒重，小麥成熟后考種得到最終粒重。同期的百葉箱氣溫、風(fēng)速和空氣濕度值來(lái)自本站的自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料。

1.4 數(shù)據(jù)處理

冠層氣溫小時(shí)值為小時(shí)內(nèi)6次讀數(shù)的平均，午間冠層氣溫平均值為11:00—15:00冠層氣溫小時(shí)值的平均。高溫有效度時(shí)值為冬小麥灌漿中后期(2012年5月20日—6月8日，2013年5月26日—6月18日)冠層氣溫小時(shí)值中高于30 ℃部分的和。為了消除年份間除灌漿中后期氣溫以外其它條件對(duì)粒重的影響，對(duì)兩年的粒重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，由分年取得的粒重與午間冠層平均氣溫的回歸關(guān)系式或粒重與高溫有效度時(shí)值的回歸關(guān)系式計(jì)算多年平均午間冠層氣溫或高溫有效度時(shí)值為零所對(duì)應(yīng)的粒重值，然后各處理的粒重?cái)?shù)據(jù)與它的比值即為標(biāo)準(zhǔn)化后的粒重相對(duì)值。采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和作圖，用 MATLAB 軟件作粒重增長(zhǎng)曲線模擬和分析，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 短期高溫脅迫對(duì)灌漿進(jìn)程的影響

圖1 高溫對(duì)灌漿進(jìn)程及灌漿速率的影響Fig.1 Impacts of high temperature on process and rate of grain filling

2012年開(kāi)花14 d后進(jìn)行9 d增溫處理(T3)與對(duì)照的千粒重變化和2013年開(kāi)花16 d后進(jìn)行9 d增溫處理(T2)與對(duì)照的千粒重變化見(jiàn)圖1。圖1直觀表明，增溫后，千粒重增速較對(duì)照明顯減小，同時(shí)，增溫處理的籽粒增長(zhǎng)過(guò)程比對(duì)照提前終止，增溫使灌漿持續(xù)時(shí)間比對(duì)照縮短約3—5 d，從觀察到的冠層表征顯示，增溫處理沒(méi)有灼傷葉片，但使葉片和麥穗提前變黃。應(yīng)用Logistic模型模擬圖1中的4條灌漿進(jìn)程曲線后求得，增溫處理使2012年最大灌漿速率從2.41 mg d-1粒-1下降到2.00 mg d-1粒-1；使2013年最大灌漿速率從2.09 mg d-1粒-1下降到1.70 mg d-1粒-1。由此可見(jiàn)，灌漿期高溫脅迫造成粒重下降的機(jī)制是降低灌漿速率和縮短灌漿持續(xù)時(shí)間的雙重影響。

2.2 灌漿中后期短期高溫對(duì)粒重的影響及高溫?zé)岷﹂撝?/h3>

2.2.1 灌漿中后期午間冠層氣溫與粒重的關(guān)系

表2給出了2012年和2013年冬小麥灌漿中后期短期(6 d和9 d)增溫處理的冠層氣溫及其粒重?cái)?shù)據(jù)。首先可見(jiàn)，由于兩個(gè)生長(zhǎng)季氣候條件不同，兩年間對(duì)照的溫度和粒重均相差很大；同時(shí)從表中可看出，各組試驗(yàn)中，冬小麥最終粒重都隨增溫處理期間午間平均冠層氣溫的升高而減小。兩年不同的背景溫度條件使試驗(yàn)取得了更寬溫度范圍內(nèi)粒重與冠層氣溫的關(guān)系數(shù)據(jù)。

表2 灌漿中后期增溫處理的午間(11:00—15:00)平均冠層氣溫(T )及粒重(G )

經(jīng)回歸分析，分別得出各組試驗(yàn)中粒重與冠層氣溫的相關(guān)關(guān)系如下：

G=94.32-1.3815TR2=0.83*n=4 (2012 6 d增溫)

(1)

G=64.69-1.003TR2=0.86*n=4 (2013 6 d增溫)

(2)

G=111.22-1.9374TR2=0.98**n=4 (2012 9 d增溫)

(3)

G=67.47-1.0472TR2=0.96**n=4 (2013 9 d增溫)

(4)

式中,T為增溫處理期間的午間(11:00—15:00)平均冠層氣溫(℃)；G為粒重(mg/粒)；* 表示通過(guò)P≤0.10的顯著性檢驗(yàn)，** 表示通過(guò)P≤0.05顯著性檢驗(yàn)。

分析表明，在不同年份、不同高溫處理持續(xù)時(shí)間下，粒重與高溫處理期間的平均午間冠層氣溫間都呈顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 冬小麥灌漿中后期午間冠層氣溫及百葉箱氣溫間的關(guān)系

前面的分析中所用溫度資料均為冬小麥群體冠層氣溫，為了與常規(guī)氣象資料聯(lián)系起來(lái)，本文利用冬小麥灌漿中后期每天11:00—15:00對(duì)照小區(qū)冠層小時(shí)平均氣溫和同時(shí)的百葉箱氣溫資料，分別分析得到冠層氣溫與百葉箱氣溫(式5)，百葉箱午間(11:00—15:00)平均氣溫與日平均氣溫(式6)和日最高氣溫(式7)間的關(guān)系如下：

Ta= 0.737Tca+6.10R2=0.754***n=226

(5)

Tmd= 1.216Tav-0.53R2=0.808***n=109

(6)

TM= 1.006Tmd+1.64R2=0.961***n=109

(7)

式中,Ta為百葉箱氣溫；Tca為冠層氣溫；Tmd為百葉箱午間(11:00—15:00)平均氣溫；Tav為百葉箱日平均氣溫；TM為百葉箱日最高氣溫；***表示通過(guò)P≤0.01的顯著性檢驗(yàn)。

結(jié)果表明，在冬小麥灌漿中后期，氣溫較低時(shí)，冠層氣溫與百葉箱氣溫接近，氣溫較高時(shí)，冠層氣溫則高于百葉箱氣溫，天氣越炎熱，兩者相差越大。其原因可能在于，在冬小麥灌漿中后期，土壤濕度較低，午后的冠層溫度一般高于空氣溫度[20]，到后期，隨著根系吸水能力下降，蒸騰作用減小，午間光照越強(qiáng)，冠層溫度越高，冠氣溫差越大，冠層氣溫也就越高于百葉箱氣溫。根據(jù)觀測(cè)資料，在灌漿中期以前，冠層氣溫一般接近或低于百葉箱氣溫，這可能與前期土壤濕度較高及冠層蒸騰能力較強(qiáng)有關(guān)。因此，式5只適應(yīng)于冬小麥灌漿中后期午間時(shí)段。同時(shí)分析得到，午間平均氣溫與日平均氣溫和日最高氣溫間均存在非常密切的線性相關(guān)關(guān)系(式6、式7)。

根據(jù)涿州農(nóng)氣站歷史資料分析得出，冬小麥乳熟至成熟期的多年(1991—2010)日平均氣溫為23.6 ℃，該溫度值可以視作為當(dāng)?shù)亟?0年冬小麥灌漿中后期的平均溫度條件，由上述關(guān)系式換算成灌漿中后期午間平均冠層氣溫為30 ℃。

2.2.3 試驗(yàn)地區(qū)冬小麥灌漿中后期短期高溫?zé)岷﹂撝?/h4>

因?yàn)閮赡暝囼?yàn)冬小麥生長(zhǎng)背景氣象條件不同，造成不能將兩年的粒重與冠層氣溫關(guān)系作統(tǒng)一分析。為了消除年份間除灌漿中后期氣溫以外其它條件對(duì)粒重的影響，分年對(duì)粒重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，當(dāng)?shù)毓酀{中后期午間冠層氣溫的多年平均值取30 ℃。圖2給出了經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后兩年試驗(yàn)中9d增溫和6d增溫的粒重相對(duì)值與平均冠層氣溫的關(guān)系，圖2顯示，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后，兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)遵從一致的相關(guān)關(guān)系，粒重相對(duì)值隨冠層氣溫升高呈線性下降，回歸關(guān)系均通過(guò)極顯著檢驗(yàn)(P≤0.01)，表明兩年試驗(yàn)得到的高溫減產(chǎn)規(guī)律相同。

根據(jù)圖2中兩組回歸關(guān)系可計(jì)算出，相對(duì)于多年平均冠層氣溫(30 ℃)，9d高溫處理期間午間平均冠層氣溫每升高1 ℃，粒重降低3.4%，6d高溫處理平均冠層氣溫每升高1 ℃，粒重降低約2.6%，這表明，高溫強(qiáng)度相同時(shí)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致更大的減產(chǎn)率。以當(dāng)?shù)毓酀{中后期多年平均氣溫下的粒重作為正常值，依據(jù)通常氣象災(zāi)害分級(jí)對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)百分率[21]，以減產(chǎn)5%—10%為輕度受災(zāi)，10%—20%為中度受災(zāi)，而20%—30%為重度受災(zāi)，分別可以得出，在冬小麥灌漿中后期，如果出現(xiàn)9d平均午間冠層氣溫達(dá)到31.4、32.9 ℃和35.9 ℃，或6d平均午間冠層氣溫達(dá)到 32 ℃、33.8 ℃和37.6 ℃，則冬小麥將分別受到輕、中、重度高溫減產(chǎn)危害，據(jù)此由式5—式7計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的日平均最高氣溫分別為31、32.1、34.4 ℃和31.5、32.8、35.6 ℃。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化后粒重相對(duì)值與灌漿中后期平均冠層氣溫的關(guān)系,Fig.2 Relationship between normalized kernel weight and average canopy air temperature at mid to late grain filling stage

2.3 灌漿中后期高溫積熱及其與粒重的關(guān)系

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化后粒重相對(duì)值與灌漿中后期高溫有效度時(shí)的關(guān)系 Fig.3 Relationship between normalized kernel weight and effective accumulated heat at mid to late grain filling stage

前面用平均冠層氣溫作為特征量分析了短期高溫處理對(duì)粒重的影響，它們間很好的相關(guān)關(guān)系一定程度上與增溫處理均選擇了晴熱天氣有關(guān)，如果用灌漿中后期全階段的平均氣溫來(lái)表示高溫程度，則可能因期間出現(xiàn)多個(gè)低溫日而使其不能真實(shí)反映期間高溫天氣的熱害作用。為了體現(xiàn)灌漿中后期全階段所有不利于冬小麥籽粒灌漿的高溫對(duì)粒重的累積影響，本文用灌漿中后期高溫積熱(累計(jì)高溫有效度時(shí)，℃·h)來(lái)作為全階段的高溫?zé)岷μ卣髁?，即冬小麥開(kāi)花11d后至成熟期間所有小時(shí)氣溫值高于某一閾值的部分的累加。本文以試驗(yàn)地區(qū)冬小麥灌漿中后期多年平均氣溫對(duì)應(yīng)的午間冠層氣溫值(30 ℃)作為閾值，計(jì)算了兩年各處理的高溫有效度時(shí)值。為了消除兩年間冬小麥生育期其它條件對(duì)粒重的影響，分年對(duì)粒重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到粒重相對(duì)值。由兩年各處理灌漿中后期累計(jì)高溫有效度時(shí)和粒重相對(duì)值數(shù)據(jù)得到兩者關(guān)系如圖3，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，粒重與反映灌漿中后期高溫積熱的有效度時(shí)值之間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)P≤0.05的顯著性檢驗(yàn)。分析結(jié)果表明，高溫有效度時(shí)值較好地代表了灌漿中后期高溫的強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間對(duì)粒重的雙重影響。按照2.2.3中的方法，相應(yīng)地可以計(jì)算出試驗(yàn)地區(qū)冬小麥灌漿中后期輕、中、重高溫?zé)岷?duì)應(yīng)的全階段累計(jì)高溫有效度時(shí)值分別為144、215(℃·h)和358(℃·h)。

3 結(jié)論與討論

本研究的兩年田間試驗(yàn)期間，分別只有1d的風(fēng)速和濕度條件達(dá)到干熱風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)(限于篇幅，資料略)，因此，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)的主要是高溫脅迫的影響效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，灌漿中后期短期高溫可以導(dǎo)致產(chǎn)量的顯著降低，粒重隨高溫處理期間的平均冠層氣溫而線性下降，這與曲曼麗早期的田間觀測(cè)結(jié)果規(guī)律一致[15]，本試驗(yàn)中，灌漿中后期冠層氣溫差異是導(dǎo)致粒重差異的唯一因子，所以兩者的相關(guān)關(guān)系更為密切。因試驗(yàn)處理增溫幅度有限，其結(jié)果未能反映更高溫度下的產(chǎn)量響應(yīng)，但據(jù)此可以認(rèn)為，在一定的溫度變幅內(nèi)，短期高溫不至造成產(chǎn)量陡降。

作物受高溫傷害的程度隨高溫強(qiáng)度越強(qiáng)或持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)而越嚴(yán)重[22]，本研究的分析結(jié)果顯示，高溫脅迫引起的冬小麥籽粒減產(chǎn)率也隨高溫脅迫強(qiáng)度增加、脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而加大，可見(jiàn)，冬小麥遭受高溫脅迫危害后的減產(chǎn)幅度取決于高溫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間兩個(gè)因素。本文提出的高溫有效度時(shí)有機(jī)結(jié)合了高溫強(qiáng)度和脅迫時(shí)間的綜合影響，全面反映了灌漿中后期高溫危害程度，隨著自動(dòng)氣象站的普及，由小時(shí)平均溫度數(shù)據(jù)計(jì)算高溫有效度時(shí)值切實(shí)可行。

試驗(yàn)表明，高溫脅迫對(duì)冬小麥灌漿的影響表現(xiàn)在既抑制灌漿速率，同時(shí)縮短灌漿持續(xù)時(shí)間。在高溫脅迫下，光合器官的功能受到傷害以及同化物向庫(kù)器官的分配受到阻礙可能是高溫脅迫致使灌漿速率下降的原因[9,23]，而高溫脅迫使小麥灌漿期縮短則與后期持續(xù)高溫導(dǎo)致植株體內(nèi)SOD、POD酶的活性下降，加速根系與地上部組織衰老有關(guān)[24-25]。為了應(yīng)對(duì)冬小麥生育后期高溫危害，在生產(chǎn)中，除選用耐熱性強(qiáng)的品種外，采取一定的栽培管理措施也可以減輕熱害，根據(jù)研究，提高拔節(jié)期追施氮肥的比例可以延緩后期植株衰老,降低灌漿中后期高溫脅迫對(duì)粒重、 蛋白質(zhì)質(zhì)量和產(chǎn)量的不利影響[26]。

小麥灌漿期高溫?zé)岷κ且环N偶發(fā)天氣現(xiàn)象，其發(fā)生的時(shí)期、強(qiáng)度和持續(xù)天數(shù)因年因地而異?？刂圃囼?yàn)表明，高溫脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量的影響因高溫處理的灌漿階段、高溫強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間而不同[18-19,27]，同時(shí)，冬小麥對(duì)高溫的響應(yīng)還與品種的耐熱性密切相關(guān)[10]，因此，要全面揭示冬小麥后期高溫脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響規(guī)律需要開(kāi)展大量的試驗(yàn)研究。此外，本文中給出的試驗(yàn)地區(qū)高溫?zé)岷Φ牟糠譁囟乳撝祦?lái)自于兩年試驗(yàn)，也需要更多觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

致謝：感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站工作人員對(duì)本試驗(yàn)的大力協(xié)助，感謝梁宏博士在MATLAB軟件應(yīng)用上的幫助。

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Impact of high temperature stress at the grain-filling stage on winter wheat yield

TAN Kaiyan1,*, YANG Xiaoguang2, REN Sanxue1, FANG Shibo1

1ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China

High air temperatures at the grain-filling stage are a critical constraining factor on winter wheat yields in Northern China. As global warming progresses, the more frequent occurrence of high temperatures may lead to large fluctuations in winter wheat yield in this region, which may be a threat to the food security of China. To evaluate the effects of unusually high temperatures at the mid to late grain-filling stage on winter wheat yield in Northern China, open field experiments with a short-term high temperature treatment were conducted at the Gucheng Ecometeorological Observation Experimental Station of the Chinese Academy of Meteorological Sciences (Dingxing County, Hebei Province, 39°08′N, 115°40′E) in 2012 and 2013. High air temperatures under the winter wheat canopy were induced using infrared radiator heaters. Two temperature increase treatments were applied each day from 11:00—15:00 for 6 or 9 days, during the mid to late grain-filling stage of winter wheat. In each temperature increase treatment, three levels of temperature increase above the ambient temperature were applied. Canopy air temperatures were recorded and the weights of 1000 kernels were sampled. High temperature stress at the mid to late grain-filling stage of winter wheat reduced the grain-filling rate and shortened the grain-filling period, resulting in a significant reduction in grain yield. After accounting for covarying factors, a significant negative linear relationship was found between grain weight and midday canopy air temperature: when the average midday canopy air temperature over 9 days rose to 32.9℃ and 35.9℃, or the average midday canopy air temperature over 6 days rose to 33.8℃ and 37.6℃, winter wheat grain yields decreased by 10% and 20%, respectively, compared to grain yields at the average midday canopy air temperature during the grain filling stage over the last 20 years in the region (30℃). A steeper drop in grain weight owing to high temperature stress was not observed because of the limited temperature increase. This study suggests that the magnitude of high temperature stress effects on winter wheat grain yields depends on both the strength and duration of the stress, which can be represented as the effective accumulated heat (summation of the hourly temperature differences above a threshold value during the mid to late grain-filling stage of winter wheat). There were significant negative linear relationships between the normalized grain weight of winter wheat and the effective accumulated heat above 30℃ during the mid to late grain-filling stage (P≤ 0.05). This shows that the high temperature stress index is a useful parameter for quantitative evaluation of the impacts of high temperatures at the grain-filling stage on winter wheat yield. To cope with such high temperature damage at the mid to late grain filling stage, it will be necessary to adopt heat tolerant varieties and to develop cultivation and management measures to mitigate the effects of heat damage.

high temperature stress; winter wheat; yield; infrared heating

公益性行業(yè)(氣象)專項(xiàng)(GYHY201106030); 國(guó)家自然科學(xué)基金(41375118)

2014-02-28; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201402280346

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tanky@cams.cma.gov.cn

譚凱炎, 楊曉光, 任三學(xué), 房世波.高溫脅迫對(duì)華北地區(qū)冬小麥灌漿及產(chǎn)量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6355-6361.

Tan K Y, Yang X G, Ren S X, Fang S B.Impact of high temperature stress at the grain-filling stage on winter wheat yield.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6355-6361.