夜間增溫及免耕對冬小麥生長及養(yǎng)分吸收利用的影響

田思勰等

摘要：采用被動式夜間增溫系統(tǒng)，設(shè)置4個處理：增溫（W）、免耕（NT）、增溫+免耕（WNT）及常溫+翻耕（CK），研究夜間增溫及免耕對小麥生物量、籽粒產(chǎn)量構(gòu)成及營養(yǎng)元素（N、P）吸收利用的影響。結(jié)果表明：夜間增溫（W、WNT處理）促進了小麥葉片生長，葉面積增加，同時地上生物量也顯著提高，而籽粒產(chǎn)量卻降低，顯著低于對照。夜間增溫（W、WNT處理）顯著提高了小麥抽穗期至開花期植株的葉面積，而在灌漿中后期葉片SPAD值卻迅速降低，顯著低于對照。夜間增溫（W、WNT處理）處理下，小麥氮、磷營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運量顯著增加，但是轉(zhuǎn)運率無明顯差異。免耕處理（NT）對小麥株高、葉面積、生物量無明顯影響，對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成也無顯著影響。

關(guān)鍵詞：夜間增溫；免耕；氮轉(zhuǎn)運；磷積累

中圖分類號： S512.1+10.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0111-04

氣候變暖是全球氣候變化的主要特征之一，溫室氣體排放加快了全球變暖趨勢。與工業(yè)革命前相比，全球地表平均氣溫已經(jīng)升高0.4～0.8 ℃[1]。2100年，全球地表溫度可能再升高1.4～5.8 ℃。全球變暖存在明顯的時空差異，即北半球夜間最低氣溫增幅明顯高于白天最高氣溫增幅，冬春季增溫大于夏秋季，北方寒帶增溫幅度大于南方溫?zé)釒?。我國氣候變暖特征與全球基本一致，冬春季增溫顯著，夏季增溫最弱，且高于全球同期平均增溫幅度，預(yù)計到2050年再升溫12～2.0 ℃，2100年增幅將達(dá)到2.2～4.2 ℃[2-3]。溫度是作物生長發(fā)育的必要氣象要素之一，夜間溫度升高極可能對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量產(chǎn)生潛在影響。已有研究報道，夜間氣溫升高（日較差減少）導(dǎo)致玉米、水稻產(chǎn)量增加[4]。田云錄等也發(fā)現(xiàn)，夜間增溫處理下冬小麥單位面積產(chǎn)量提高了18%[5]。Sandvik等研究表明，溫度升高能促進植物生長[6]。Kudo等認(rèn)為，夜間增溫對植物生長的影響并不顯著[7]。夜間增溫對不同地區(qū)植物生長影響各異，探明其內(nèi)在機制對分析氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響具有重要意義。 免耕是保護性耕作方式之一，可以減少生產(chǎn)中勞動力、機械投入，提高產(chǎn)投比。研究表明，免耕播種可減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤水分含量[8]。也有學(xué)者認(rèn)為，免耕種植與傳統(tǒng)耕作相比，作物產(chǎn)量差異不顯著[9]。探討免耕對農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響，對制定耕作措施意義重大。有關(guān)夜間增溫對我國農(nóng)作物生產(chǎn)影響的研究已有一些報道，將夜間增溫與耕作措施結(jié)合起來探索未來氣候變暖背景下農(nóng)作物對保護性耕作措施的響應(yīng)研究尚未見報道。小麥?zhǔn)俏覈钪匾募Z食作物之一，本研究以冬小麥為研究對象，采用增溫與免耕相結(jié)合的方法，分析夜間增溫及免耕對小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素（穗數(shù)、單株粒數(shù)、千粒質(zhì)量等）和生長發(fā)育過程中營養(yǎng)元素（氮、磷）吸收利用的影響，揭示夜間增溫及免耕對冬小麥產(chǎn)量影響的機制，旨在為研究氣候變化、耕作方式對我國小麥生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站（32.16°N，118.86°E） 進行。該試驗站屬于亞熱帶溫潤氣候，年平均溫度為15.6 ℃，年平均降水量為1 100 mm，年平均日照時數(shù)超過1 900 h。供試土壤耕層質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。種植小麥前采集0～20 cm的土層土壤進行土壤理化性質(zhì)分析，土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計

試驗小麥品種為慶豐188，為當(dāng)?shù)貜V泛栽種品種。按照

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培技術(shù)規(guī)程種植。種前施用135 kg/hm2尿素、50 kg/hm2 過磷酸鈣、50 kg/hm2氯化鉀作為底肥。2012年10月31日播種小麥，采用條播方式，種植密度為 300 kg/hm2。小麥生育期雨量充沛，達(dá)到作物用水需求，故本試驗未進行人工灌溉補水。參照田云錄等的被動式夜間增溫方法[10]進行增溫，即采用紅外線反射膜將地面發(fā)射出的長波輻射反射回地面，從而減少熱量損失，以提高農(nóng)作物冠層及地表的夜間溫度。采用鋁箔玻纖布作為增溫材料，用鐵支架支撐鋁箔玻纖布，在整個生育期內(nèi)使其與小麥冠層始終保持 20 cm。設(shè)4個處理：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，共12個小區(qū)，采用隨機區(qū)組設(shè)計進行排列。每個小區(qū)面積為3 m×4 m，其中有效增溫面積為2 m×3 m。冬小麥整個生育期（播種至收獲期）每天下午19：00覆蓋反光膜進行增溫處理，次日06：00揭開反光膜。為了消除增溫系統(tǒng)的遮光干擾，常溫處理小區(qū)也安裝增溫系統(tǒng)支架，但無反光膜。為保持降水量的一致性，雨雪天氣不覆蓋反光膜進行增溫處理，大風(fēng)天氣也不覆蓋以避免增溫設(shè)施被破壞。使用ZDR-41型溫度數(shù)據(jù)記錄儀（杭州澤大儀器有限公司），在田間實時監(jiān)測5 cm土層溫度。本試驗采用的增溫系統(tǒng)可使該層地溫的季節(jié)平均夜溫升高1.2 ℃。

1.3植株生理特性分析

分別在小麥各個關(guān)鍵生育期進行采樣，測定株高、頂葉SPAD值、總?cè)~面積。將每株植物分成莖、葉、穗、籽粒，分別殺青后70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定植株各部位的干質(zhì)量。每個小區(qū)預(yù)留1 m×1 m測產(chǎn)區(qū)，用于成熟期收獲后，測定籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子等。

葉面積=葉片長×葉片寬×0.83。

烘干部分植物樣品，粉碎后測定植物各器官的氮、磷含量。采用半微量凱氏法測定植物全氮含量。采用鉬黃比色法測定植物全磷含量。植物氮（磷）累積量為各器官氮（磷）素含量與其干物質(zhì)量乘積之和。

在營養(yǎng)生長階段，植物從土壤中吸收營養(yǎng)元素累積到營養(yǎng)器官中，之后這些營養(yǎng)元素向生殖器官（主要是籽粒）運轉(zhuǎn)。植株營養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運量指植株生殖生長階段，從植株營養(yǎng)器官中轉(zhuǎn)移出的元素總量。植株營養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運量、營養(yǎng)器官氮（磷）素轉(zhuǎn)運率計算公式如下：

植株營養(yǎng)器官氮（磷）元素轉(zhuǎn)運量=開花期植株地上部各營養(yǎng)器官中氮（磷）積累總量-成熟期植株地上部各營養(yǎng)器官中氮（磷）積累總量；

營養(yǎng)器官氮（磷）素轉(zhuǎn)運率=開花期氮（磷）素的轉(zhuǎn)運量/營養(yǎng)器官中元素累積總量×100%。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)，用SPSS 11.5 軟件對結(jié)果進行方差分析和多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1增溫及免耕對小麥生物量的影響

由圖1可以看出，與對照區(qū)（CK）相比，夜間增溫處理（W）下植株生物量顯著增加。孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期植株生物量分別比對照增加18%、6%、11%、9%、11%。免耕處理（NT）與對照區(qū)（CK）相比，植株生物量在整個生育期下降2%～6%，差異不顯著。增溫疊加免耕處理（WNT）下，整個生育期植株生物量與對照相比增加了7%～24%，顯著高于對照。可見，夜間增溫促進了小麥生物量的累積，免耕則對小麥生物量無明顯影響，兩者疊加處理對小麥整個生育期的生物量表現(xiàn)出明顯的促進作用。

2.2增溫及免耕對小麥葉面積、SPAD值的影響

由圖2可以看出，與對照區(qū)（CK）相比，夜間增溫處理（W）在抽穗期、開花期顯著提高了植株葉面積，增加了2%～7%。免耕處理（NT）下植株葉面積在整個生育期均未受到明顯影響。增溫疊加免耕處理（WNT）下單株葉面積在抽穗期、開花期顯著高于對照區(qū)（CK）?？梢?，夜間增溫處理（W）與增溫疊加免耕處理（WNT）均促進了植株葉片生長，免耕處理（NT）則對植株葉片生長無明顯影響，這與植株的干質(zhì)量結(jié)果一致，說明不同處理間葉片生長差異是導(dǎo)致植株干質(zhì)量產(chǎn)生顯著差異的重要原因之一。

植物葉片SPAD值與葉綠素含量有很強的相關(guān)性。由圖3可以看出，與對照組（CK）相比，增溫處理（W）下，開花后0～9 d內(nèi)葉片SPAD值均有所增加，比對照提高6%～7%，花后9～15 d SPAD值下降，比對照降低1%～15%，說明在作物灌漿初期，增溫能夠促進旗葉葉綠素含量增加，在灌漿中期增溫促進旗葉衰老，導(dǎo)致葉片SPAD值迅速降低。免耕處理（NT）與對照CK 相比，SPAD值增加幅度較小，對小麥旗葉SPAD值影響不大。增溫疊加免耕（WNT）處理下，小麥生長前期SPAD值有所提高，比對照提高6%～8%；花后9～15 d顯著降低，降幅約70%；花后15～21 d，旗葉SPAD值均低于對照區(qū)（CK）和免耕處理（NT），差異不顯著?？梢姡←溒烊~SPAD值在灌漿前期相對較穩(wěn)定，中期則迅速下降，增溫處理（W）與增溫疊加免耕（WNT）處理均提高了灌漿初期旗葉SPAD值，對小麥籽粒生長具有重要意義。

2.3增溫、免耕對小麥氮、磷吸收和轉(zhuǎn)運的影響

由圖4可知，小麥植株地上部氮素累積總量隨小麥生育期的推進而增加。與對照組（CK）相比，增溫（W）處理下小麥氮素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個時期分別上升了2%、4%、9%、17%、14%、8%，由此看出，增溫處理對小麥氮素累積起促進作用。免耕處理（NT）下，與對照相比，小麥氮素累積量減少了2%～6%，差異不顯著。增溫疊加免耕處理（WNT）下，與對照相比，小麥氮素累積量明顯提高，在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個時期分別升高11%、7%、12%、12%、12%、13%。由此可知，增溫處理（W）、增溫免耕處理（WNT）對小麥氮素吸收具有明顯促進作用，免耕處理則對植物氮素累積無明顯影響，這與不同處理間小麥干物質(zhì)累積量結(jié)果一致，說明干物質(zhì)累積差異可能是氮素累積產(chǎn)生差異的重要原因。植物磷素累積量也隨著小麥生長而逐漸增加，表現(xiàn)與氮素累積量相似的遞增規(guī)律。與對照組（CK）相比，增溫（W）處理下植物磷素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個時期分別上升了8%、18%、10%、10%、8%、22%。由此可知，增溫處理對小麥磷素累積有促進作用，尤其在孕穗期、成熟期對小麥磷素累積影響較大。免耕處理（NT）下小麥磷素累積量與對照相比在整個生育期內(nèi)減少2%～5%。增溫疊加免耕處理（WNT）下，磷素累積量在拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、灌漿期、成熟期各個時期分別增加了10%、21%、6%、11%、6%、14%?？梢姡飧麑π←溋姿乩鄯e量無明顯影響，夜間增溫（W）、增溫疊加免耕處理（WNT）對磷素累積有促進作用，尤其在成熟期更為明顯。說明在本試驗處理條件下，W、WNT處理對小麥氮元素、磷元素吸收累積的影響效果是一致的。

由表2可見，夜間增溫處理下（W）小麥營養(yǎng)器官的氮、磷轉(zhuǎn)運量均極顯著高于對照（CK），比CK分別提高了28%、22%，兩者轉(zhuǎn)運率也高于對照組，但差異不顯著。免耕處理（NT）下小麥營養(yǎng)器官中氮轉(zhuǎn)運量稍有下降，磷素的轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率分別比對照略有降低。夜間增溫疊加免耕處理（WNT）下小麥營養(yǎng)器官的氮素、磷素轉(zhuǎn)運量均極顯著高于對照，氮素、磷素轉(zhuǎn)運率均高于對照（CK）。可見，增溫處理（W）提高了小麥N、P轉(zhuǎn)運量，而對N、P轉(zhuǎn)運率無明顯影響。夜間增溫疊加免耕處理（WNT）對小麥N、P轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率均有促進作用。免耕處理對小麥營養(yǎng)元素吸收利用情況影響不明顯。

2.4增溫、免耕對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3可見，與CK相比，增溫處理（W）下小麥每穗穗數(shù)、單株粒數(shù)均減小，分別比對照少6%、9%；空粒數(shù)、千粒質(zhì)量均有一定程度增加。由于單位面積穗數(shù)降低，導(dǎo)致最終產(chǎn)量也顯著低于對照。免耕處理（NT）下小麥單株粒數(shù)稍有減少，但不明顯；每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、單位面積穗數(shù)均有一定程度增加，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量提高，但與對照差異不顯著。與對照相比，增溫疊加免耕（WNT）處理下小麥單株粒數(shù)、單位面積穗數(shù)下降，最終產(chǎn)量也下降；千粒質(zhì)量、空粒數(shù)均有所增加。由此可知，夜間增溫對小麥單位面積有效穗數(shù)有抑制作用，免耕處理對小麥產(chǎn)量、籽粒質(zhì)量均無明顯影響，夜間增溫疊加免耕處理會影響小麥的籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成，與單獨增溫處理影響效應(yīng)相同。

3結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，夜間增溫（W、WNT處理）促進了小麥葉片生長、葉面積增加，同時地上生物量也顯著提高，而籽粒產(chǎn)量卻降低，顯著低于對照，這與之前的研究結(jié)果[9]一致。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，夜間增溫提高了小麥株高、葉面積，平均產(chǎn)量也提高了18.3%[10]，本試驗結(jié)果與之相反。這可能是由于小麥品種不同或生育期內(nèi)水肥條件差異造成的。本試驗中，夜間增溫（W、WNT處理）顯著提高了小麥抽穗期至開花期植株表3不同處理下小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的葉面積，而在灌漿中后期葉片SPAD值卻迅速降低，顯著低于對照，說明增溫處理雖然促進了小麥葉面積的增加，但其造成葉片早衰不利于光合產(chǎn)物累積，這可能是導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降的重要因素之一。夜間增溫（W、WNT）處理下，小麥氮、磷營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運量顯著增加，但是轉(zhuǎn)運率無明顯差異，這可能是因為冬小麥在夜間增溫條件下促進了植物地上部生物量的累積，后期增溫影響小麥的開花及有效分蘗，使得有效穗數(shù)降低，因此轉(zhuǎn)運率并無明顯變化。增溫處理導(dǎo)致小麥單位面積有效穗數(shù)及產(chǎn)量均顯著下降，這與房世波等的研究結(jié)果[11]相同。另外，氣候變暖容易造成小麥冬前迅速生長，不利于過冬返青，花后氣溫太高，甚至出現(xiàn)高溫脅迫，會降低冬小麥生物量、產(chǎn)量[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，夜間增溫使小麥生物量增加，但有效穗數(shù)減少，這可能是由于前期有效分蘗率降低，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。此外，本試驗增溫處理時間為每天19：00至次日06：00。由于增溫反光膜不透光，因此在12月底和1月初白晝最短之時進行蓋膜增溫，可能減短了增溫時間，對農(nóng)作物后期生長產(chǎn)生潛在不利影響。本研究結(jié)果表明，免耕處理（NT）對小麥株高、葉面積、生物量無明顯影響，對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成也無顯著影響，說明本試驗中溫度效應(yīng)比耕作效應(yīng)對小麥生長的影響更大。前人研究結(jié)果表明，免耕措施在冬前和春季具有“降溫效應(yīng)”，延遲了冬小麥出苗、返青，使得分蘗率降低，不利于作物生長發(fā)育[13]。也有學(xué)者認(rèn)為，半干旱地區(qū)的少免耕技術(shù)使小麥出苗率增加，且葉面積系數(shù)、干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量均有所提高。

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