CO2與夜溫升高對鄭單958生長特征及產(chǎn)量的影響

謝曉金，張耀鴻，李仁英，邱思齊，包云軒

(南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

CO2與夜溫升高對鄭單958生長特征及產(chǎn)量的影響

謝曉金，張耀鴻，李仁英，邱思齊，包云軒*

(南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

為了解未來氣候變化對夏玉米生長特性和產(chǎn)量的影響，以鄭單958為試驗材料，設置3個CO2濃度水平(380、550、750 cm3/m3)與2個夜間增溫水平(0、2 ℃)，共6個處理，測定拔節(jié)期、抽雄期以及成熟期玉米的株高、葉色值(SPAD)、葉面積指數(shù)(LAI)、地上生物量及成熟后的產(chǎn)量和產(chǎn)量構成要素。結(jié)果表明：隨著CO2濃度升高，玉米的株高、SPAD值、LAI以及生物量均呈增加趨勢。拔節(jié)期，夜溫升高，株高、LAI和生物量隨之增加；抽雄期和成熟期，夜間增溫條件下，這些生長指標則降低。玉米的穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及實際產(chǎn)量隨CO2濃度升高而增加，但其在夜間增溫條件下則降低。夜間增溫2 ℃條件下，CO2濃度升高到550 cm3/m3時才可抵消對鄭單958生物量和產(chǎn)量的負效應。

玉米； CO2濃度； 夜間增溫； 生長特征； 產(chǎn)量

大氣 CO2濃度和地表溫度同步劇增是目前全球氣候變化的主要表現(xiàn)形式。據(jù)報道，目前CO2濃度為380 cm3/m3，21世紀末將劇增至700 cm3/m3[1]。大氣科學家還注意到，全球增溫現(xiàn)象具有明顯的不對稱性，即夜間增溫大于白天增溫[2]。CO2濃度與夜溫升高對我國糧食生產(chǎn)與安全將帶來極大的影響[3]。

CO2是作物進行光合作用的重要原料之一，CO2濃度升高直接影響作物光合生理生化過程。許多研究表明，高CO2濃度下，株高增高，作物光合速率和產(chǎn)量提高，而呼吸速率下降[4]。Kimball等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當CO2濃度增至850 cm3/m3時，水稻和小麥增產(chǎn)約40%，玉米增產(chǎn)約15%。孟凡超等[6]研究表明，CO2濃度為550 cm3/m3時，玉米產(chǎn)量平均增加18%。多數(shù)學者認為，溫度升高對作物產(chǎn)量起到負效應[7]。Xiong等[8]研究表明，溫度升高2.5 ℃，水稻、小麥與玉米產(chǎn)量持續(xù)下降。張吉旺等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與正常大田管理相比，大田增溫使農(nóng)大108葉面指數(shù)下降15.4%，光合速率下降22.85%，產(chǎn)量下降46.6%。夜溫升高導致作物產(chǎn)量下降在許多作物上得以體現(xiàn)。如郭培國等[10]研究表明，夜間高溫引起水稻葉綠素含量與葉綠素-蛋白復合體的結(jié)合度下降，光合速率降低。關于CO2濃度或夜溫升高對作物產(chǎn)量的影響均有研究報道，但迄今為止，國內(nèi)外關于以上2個因子對作物產(chǎn)量(特別是C4類作物)的綜合影響研究較少[11]。玉米是我國主要糧食作物和最重要的飼料作物，也是典型C4類作物。隨著我國人口日益增長，提高玉米產(chǎn)量也成為亟待解決的問題。通過開頂式氣室與增溫系統(tǒng)的控制試驗，在玉米的整個生育期設置不同CO2濃度與夜溫處理，研究不同生育時期玉米的生長特征及成熟后產(chǎn)量及產(chǎn)量構成要素的變化，旨在為氣候變化條件下玉米生長和產(chǎn)量的估測提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況與供試材料

試驗于2013—2014年在南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象試驗站(32.0°14′N,118°42′E)進行。該站處于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均降水量約1 100 mm，多年平均溫度為15.6 ℃，平均日照時數(shù)超過1 900 h，無霜期為237 d。供試夏玉米品種為鄭單958，生育期96 d左右。

1.2 試驗設計

試驗使用的裝置為開頂式氣室，為一個正六邊形鐵質(zhì)框架結(jié)構，直徑為3 m，高2.2 m，每個氣室邊長1.6 m，每個氣室體積均相同，約為15 m3。該氣室利用換氣扇供室內(nèi)通風換氣；以液體CO2普通鋼瓶作為CO2氣源(Φ×h=35 cm ×150 cm，純度為95%)，并通過紅外CO2測控儀(AT-CO2-SDK3，北京安泰吉華科技有限公司)自動控制和監(jiān)控氣室內(nèi)CO2濃度；用加熱鼓風機(EHS-129，上海茂控機電設備有限公司)進行增溫，并通過調(diào)光器進行溫度的控制。于每年6月25日左右將鄭單958播種于氣室內(nèi)，行間距為50 cm×50 cm，之后進行相同的水肥管理。玉米出苗后設置3個CO2水平和2個增溫水平，共6個處理(表1)，其中夜間加熱時間為19:00—7:00。

表1 不同處理的參數(shù)設置

注：T1處理 CO2濃度 為380 cm3/m3，為背景CO2濃度。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高 分別在玉米拔節(jié)期、抽雄期以及成熟期測量玉米株高，每個處理測量10株。

1.3.2 葉色值(SPAD) 與株高測定同時進行，采用日本產(chǎn)SPAD-502型葉綠素計測定玉米的SPAD值，測定時選取玉米頂端已經(jīng)展開的葉片進行測定，每個處理測定10株。

1.3.3 葉面積指數(shù)(LAI) 與株高測定同時進行，全展葉LAI =葉長×葉寬×0.75，未全展葉LAI =葉長×葉寬×0.5，每個處理測定3株。

1.3.4 生物量、產(chǎn)量以及產(chǎn)量構成要素 與株高測定同時進行，在拔節(jié)期、抽雄期、成熟期進行干物質(zhì)測定。當玉米成熟后，進行實收測產(chǎn)，分別記錄穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量以及籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和DPS軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度與夜溫升高對玉米株高的影響

由表2可知，鄭單958的株高隨著生育期的推進不斷增加，同一處理成熟期玉米株高比拔節(jié)期時平均高出82.81 cm。隨著CO2濃度的升高，各生育時期的玉米株高呈增加趨勢。其中，拔節(jié)期，T6處理比T4處理增加了8.69%，差異達到顯著水平；抽雄期，T5、T6處理比T4處理分別增加了0.58%、6.45%，但差異不顯著。此外，拔節(jié)期，夜間增溫對玉米株高有輕微的促進作用，但抽雄期和成熟期卻抑制玉米長高。如拔節(jié)期，T6處理的株高比T3處理增加了2.37%；而抽雄期與成熟期，T6處理比T3處理分別減少了8.52%與5.18%，以上3個時期2個處理間差異均不顯著。

表2 CO2濃度與夜溫升高對不同生育時期玉米株高的影響 cm

注：同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。下同。

2.2 CO2濃度與夜溫升高對玉米葉片SPAD值的影響

玉米葉片SPAD值隨著生育期的推進表現(xiàn)為先升后降的趨勢，在抽雄期達到最大(表3)。隨著CO2濃度的升高，拔節(jié)期、抽雄期、成熟期玉米的SPAD值總體呈增加趨勢，但是差異不顯著。夜間升溫影響玉米葉綠素的形成，其中不同處理間差異不明顯。

表3 CO2濃度與夜溫升高對不同生育時期玉米葉片SPAD值的影響

2.3 CO2濃度與夜溫升高對玉米LAI的影響

由表4可見，玉米LAI隨著生育期的推進先增加后下降，在抽雄期達到最大，拔節(jié)期最小。隨著CO2濃度的升高，3個生育時期的玉米LAI均呈現(xiàn)增加的趨勢。拔節(jié)期，T3處理比T1處理增加了22.68%；T6處理比T4處理增加了26.84%，差異均達到顯著水平。拔節(jié)期，夜間增溫對玉米LAI有輕微的促進作用，但抽雄期和成熟期，則抑制葉面積的增長，T4處理LAI較T1處理分別減少了7.61%和10.09%。

表4 CO2濃度與夜溫升高對不同生育時期玉米LAI的影響

2.4 CO2濃度與夜溫升高對玉米生物量的影響

由表5可知，玉米生物量隨著生育期的推進不斷增加，同一處理下，玉米成熟期生物量比拔節(jié)期平均高557.37 g/m2。CO2濃度升高促進玉米生物量的增加，但拔節(jié)期時各處理間差異不顯著；抽雄期，T5、T6處理較T4處理分別顯著增加了28.09%、33.71%。夜間增溫抑制抽雄期和成熟期玉米生物量的增加。抽雄期與成熟期，T6處理比T3處理的生物量分別減少了0.39%與12.30%，而拔節(jié)期增加了13.19%。夜間增溫2 ℃，當 CO2濃度升高到550 cm3/m3時已抵消了夜間增溫對鄭單958生物量的負效應。

表5 CO2濃度與夜溫升高對不同生育時期玉米地上生物量的影響 g/m2

2.5 CO2濃度與夜溫升高對玉米產(chǎn)量構成的影響

由表6可知，隨著CO2濃度的升高，鄭單958的穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量以及實際產(chǎn)量都呈現(xiàn)增加的趨勢。不同處理穗數(shù)差異不顯著；T2、T3處理穗粒數(shù)較T1處理分別顯著增加了13.43%、25.86%；百粒質(zhì)量分別增加了3.76%、55.56%，其中T3與T1之間差異顯著；實際產(chǎn)量分別顯著增加了18.30%、40.98%。夜間增溫則不利于后期產(chǎn)量的形成，即溫度升高抑制玉米產(chǎn)量各構成要素的增加。當CO2濃度為380 cm3/m3時，T4處理穗數(shù)、穗粒數(shù)均較T1處理減少，但差異不顯著；百粒質(zhì)量減少了32.32%，差異顯著；實際產(chǎn)量顯著減少了13.62%。在夜間增溫2 ℃時，當 CO2濃度升高將近到550 cm3/m3時才可抵消夜間增溫對鄭單958產(chǎn)量的負效應。

表6 CO2濃度與夜溫升高對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構成要素的影響

3 結(jié)論與討論

玉米的生長特征主要反映在株高、葉綠素含量與葉面積等方面。大氣中CO2濃度對玉米具有“施肥效應”，促進其枝、莖以及節(jié)間的生長[12]。葉綠素是葉綠體的主要色素，與光合作用緊密相關，而葉綠素含量與SPAD值之間有著極為顯著的正相關性。趙甍等[13]研究發(fā)現(xiàn)，施氮條件下，CO2濃度倍增提高植物葉片的SPAD值，其光合作用能力也相應增加。CO2濃度升高對植物葉面積的影響也較大，研究表明，隨著CO2濃度升高，68%植物的葉面積增加，27%的沒有變化，而5%的降低[14]。本研究表明，提高CO2濃度對玉米的生長性狀產(chǎn)生積極的作用，株高、SPAD值與LAI呈增加趨勢，表明CO2濃度增加，加速了玉米新葉早發(fā)、莖稈伸長、葉綠素含量增加以及葉面積擴展。CO2濃度升高后，作物的光合能力相應提高，從而使作物的生物量和產(chǎn)量得以增加。但是不同作物的CO2飽和點和同化途徑不同，其增加幅度也不同。如，CO2濃度維持在550 cm3/m3時，小麥和大豆生物量增加30%，產(chǎn)量增加10%～20%，玉米生物量提高27%，產(chǎn)量增加0～10%[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，與T1處理相比，T2處理玉米的穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量以及實際產(chǎn)量分別增加20.00%、13.43%、3.76%和18.31%，CO2濃度繼續(xù)增加，以上各指標增加的幅度增大。

而溫度對不同作物生長特征以及產(chǎn)量的影響各不相同。劉照等[16]在人工氣候箱中研究發(fā)現(xiàn)，高溫處理使水稻劍葉中光合速率和葉綠素含量呈下降趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期，夜間增溫促進莖葉伸長從而導致株高、LAI以及生物量增加；而抽雄期和成熟期，夜間增溫對其影響恰好相反，株高、LAI和生物量呈遞減趨勢，這與玉米屬于喜溫性作物有密切關系，短暫高溫并不影響玉米的營養(yǎng)生長，該結(jié)果與王修蘭等[17]的結(jié)論有一定的相似。 但長時間的夜間增溫卻不利于后期產(chǎn)量和產(chǎn)量構成要素的形成。

CO2濃度與溫度協(xié)同效應如何？De Costa等[18]在開頂式氣室中研究發(fā)現(xiàn)，高溫、高CO2濃度使玉米收獲時總生物量提高23%～31%，穗粒數(shù)提高14%，即使高溫條件減弱了這種增產(chǎn)效應，但仍有提高。房世波等[19]研究表明，持續(xù)提高CO2濃度下，夜間增溫會減弱CO2濃度對玉米和高粱產(chǎn)量增加的刺激。本研究發(fā)現(xiàn)，在夜間增溫2 ℃時，CO2濃度升高到550 cm3/m3時才可抵消對鄭單958生物量和產(chǎn)量的負效應?？梢?，夜間高溫條件會減弱CO2對玉米的增產(chǎn)效應。

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Effects of Increase of CO2Concentration and Night Temperature on Growth Characteristics and Yield of Zhengdan 958

XIE Xiaojin,ZHANG Yaohong,LI Renying,QIU Siqi,BAO Yunxuan*

(Collaborative Innovation Center on Forecast and Assessment of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

In order to understand the effects of future climate change on growth characteristics and yield of summer maize,three CO2concentration(380,550,750 cm3/m3) treatments and two night temperature increase (0,2 ℃) treatments were conducted in six different Open Top Chamber(OTC) and heating devices with Zhengdan 958 as material.The plant height,SPAD(soil and plant analyzer development) value,LAI(leaf area index) and above ground biomass during jointing,tasseling and maturing periods were measured. In addition,maize yield and yield components were also determined.The results showed that the plant height,SPAD,LAI and above ground biomass all increased with the increase of CO2concentration. The plant height,LAI and above ground biomass increased when night temperature raised during the jointing period;however,the three indexes decreased at the tasseling and maturing periods.The yield and yield components increased with the increase of CO2concentration,and decreased under night warming conditions.When the night temperature was increased by 2 ℃,550 cm3/m3CO2could counteract the negative effect on biomass and yield produced by night warming.

maize; CO2concentration; night warming; growth characteristic; yield

2016-03-03

國家自然科學青年基金項目(41205087);公益性(氣象)行業(yè)專項項目(GYHY201506018)；江蘇省自然科學基金項目(BK20141479)

謝曉金(1979-)，女，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail:xxj_200210@sina.com

*通訊作者：包云軒(1963-)，男，江蘇如東人，教授，博士，主要從事氣候變化與防災減災、應用氣象與病蟲害測報學研究。 E-mail:baoyunxuan@163.com

S513

A

1004-3268(2016)07-0024-04