模擬增溫對玉米葉片生理特性及根區(qū)土壤特性的影響

李 葦，張其國，周旭丹，王忠東

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，吉林長春130118;2.白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林白城137000)

100年來，全球氣候變化正改變著生態(tài)系統(tǒng)平衡，全球平均溫度已上升了0.6℃，帶來了持續(xù)性的負面影響，因此成為21世紀影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)境因素之一［1－3］。大量野外模擬增溫的研究表明，20世紀全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)正在繼續(xù)和蔓延，根據(jù)2013年的IPCC評估報告，到21世紀末，預(yù)計全球平均氣溫將升高1.8～4.0℃［4］。這種高溫可能會對農(nóng)作物的新陳代謝和土壤代謝過程產(chǎn)生復(fù)雜的影響［5］。溫度控制著土壤生態(tài)系統(tǒng)中大量的微生物代謝和反應(yīng)速率，并起到調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量和養(yǎng)分的作用，在一定程度上改變了農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而間接地改變土壤生態(tài)系統(tǒng)過程［6－7］。因此，在全球氣候變化背景下，農(nóng)作物對氣候條件所表現(xiàn)出的適應(yīng)和生存方式對其生長、生態(tài)及土壤特性產(chǎn)生了深遠影響。

玉米具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、生態(tài)適應(yīng)性廣等優(yōu)良特點，同時對于調(diào)節(jié)氣候和改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義［8－10］。在全球氣候變化背景下，研究玉米的生長特性及土壤特性對全球氣候變化的響應(yīng)，不僅可以加深對其生態(tài)適應(yīng)、生理特性、生產(chǎn)潛能的系統(tǒng)性認識，而且為玉米的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。因此，針對全球氣候變化背景下玉米生長特性不夠明晰的狀況，試圖在前人研究的基礎(chǔ)上，利用開頂式生長室(open－topchamber，簡稱OTC)進行小尺度生態(tài)系統(tǒng)模擬控制試驗，并連續(xù)3年同步監(jiān)測模擬增溫對玉米生長特性及土壤特性的影響，從生長生理特性、土壤特性等方面揭示玉米對全球氣候變化的響應(yīng)機制，為實現(xiàn)全球氣候變化背景下玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為沈糯3號，研究區(qū)位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)野外試驗田，分別于2014—2016年在玉米整個生長季進行增溫處理。該區(qū)多年平均氣溫5.6℃，多年平均降水量750 mm。供試土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，耕層土壤黏粒含量25.84%，土壤pH 值 6.76，有機碳含量 20.41 g/kg，全氮含量 1.89 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機裂區(qū)設(shè)計，設(shè)置對照(CK)和模擬增溫(OTC)2個試驗處理，每個處理各6個重復(fù)，共12個試驗小區(qū)。模擬增溫小區(qū)面積為5.0 m×5.0 m，由約2.0 cm厚氟化玻璃制成，高4.0 m，頂部開口后略收緊(以減少氣體交換)，通過紅外輻射加熱管進行模擬增溫處理，每個開頂式生長室設(shè)置1根紅外輻射加熱管(功率220萬W)，24 h不間斷增溫，每個增溫裝置正面處的溫度差值≤0.2℃，增溫效果均一，增溫在5℃左右;對照無紅外輻射加熱管。于2014年，在沈糯3號的整個生長季進行增溫處理。在OTC內(nèi)與對照CK小區(qū)設(shè)置Fluke 2638A全能型溫度數(shù)據(jù)采集器，在每個生長季選取晴朗無風(fēng)的1天，每隔1 h測定OTC和CK地上和地下10 cm的地溫。將直徑15 cm、高12 cm的土壤呼吸底座(PVC)埋入各個小區(qū)邊緣，定期除去底座內(nèi)的雜草，為減少對環(huán)境的影響，在觀測土壤呼吸速率前1個月將PVC測量圈埋入土壤中，以為保證足夠的時間平衡其生態(tài)環(huán)境。

1.3 測定項目及方法

2014—2016年8月底，分別在OTC和CK小區(qū)內(nèi)，按照0.5 m×0.5 m收割地上生物量，并采集足夠多的成熟葉片帶回實驗室，65℃烘干至恒質(zhì)量(精確到0.001 g)。同時采用四分法采集0～15 cm原狀土壤(≥2 kg)，速封袋保存帶回實驗室，去除石塊、動植物殘體和大的顆粒型物質(zhì)，過2 mm篩，4℃ 保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1 玉米農(nóng)藝性狀 不同時期的每個小區(qū)選取5～10株長勢一致的玉米，測量株高、莖粗，掃面儀測定植株葉面積指數(shù)，然后烘干葉片測定干質(zhì)量，計算比葉重;在成熟期收獲后測定百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量［11］。

(1)不同時期在每個小區(qū)選取5～10株長勢一致的玉米，卷尺和游標卡尺測量株高、莖粗(精確到0.01 cm)，用掃描儀測定植株葉面積指數(shù)，并在成熟期收割曬干后稱干質(zhì)量。(2)將單株玉米根系挖取出來，每珠地上與地下用塑料袋分開，帶回實驗室，40目篩網(wǎng)流水沖洗，65℃烘干后測定干質(zhì)量。RIS=植株地下部質(zhì)量/植株地上部質(zhì)量。(3)不同時期采集的玉米葉片烘干粉碎，采用混合液浸提法測定葉綠素含量(CCM－200葉綠素儀);采用蒽酮法測定碳水化合物含量，采用考馬斯亮蘭法測定蛋白質(zhì)含量，碳水化合物和蛋白質(zhì)的含量以占玉米葉片干質(zhì)量的百分比表示;采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定過氧化物酶(POD)活性;采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶(CAT)活性;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量［12］。

1.3.3 土壤酶活性 在玉米成熟期，采用四分法采集每個小區(qū)玉米根區(qū)0～15 cm原狀土壤(≥2 kg)，用速封袋保存帶回實驗室，去除石塊、動植物殘體和大的顆粒形物質(zhì)，過2 mm篩，4℃冰箱保存?zhèn)溆脺y定土壤酶活性。其中，土壤蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定;土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定;土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定;土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用分光光度法測定［13］。

1.3.4 土壤呼吸速率 分別在不同時期選取晴朗無風(fēng)的一天，從07:00開始到16:00結(jié)束，采用動態(tài)密閉氣室紅外CO2分析儀(IRGA)法(美國Li－6400便攜式氣體分析系統(tǒng)和Li－6400土壤呼吸室)每隔3 h測定1次土壤呼吸速率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 18進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One－way ANOVA)和t檢驗比較各處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬增溫對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 生長特性 由表1可知，模擬增溫顯著影響玉米生長期的特性，玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)、比葉重和單株生物量在不同時期均表現(xiàn)為OTC＞CK，而R/S表現(xiàn)為OTC＜CK;隨著生長期的進行，OTC和CK處理下玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)、比葉重和單株生物量均呈逐漸增加的趨勢，而OTC和CK處理下玉米R/S呈逐漸降低的趨勢;其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，除了單株生物量，OTC與CK處理下其他生長指標在分化期差異均顯著(p＜0.05)，也即增溫處理促進了玉米的生長發(fā)育，并促成了地下生物量的累積，其中在成熟期的促進作用表現(xiàn)得最為明顯。

表1 模擬增溫對玉米植株生長特性的影響

2.1.2 生理生化特性 由表2可知，模擬增溫顯著提高了玉米葉片葉綠素a、b和碳水化合物、蛋白質(zhì)含量，在不同時期均表現(xiàn)為OTC＞CK。隨著生長期的推進，OTC和CK處理下玉米葉片葉綠素a、b和碳水化合物、蛋白質(zhì)含量均呈逐漸增加的趨勢，其中OTC與CK之間的差異逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，除了蛋白質(zhì)含量和碳水化合物含量，OTC與CK處理下其他生長指標在分化期差異均顯著(p＜0.05)，并且OTC與CK處理下玉米葉片葉綠素a、b、碳水化合物、蛋白質(zhì)含量在抽雄期差異均顯著(p＜0.05)，也即增溫處理促進了玉米的生長發(fā)育，并促成了地下生物量的累積，其中在成熟期的促進作用表現(xiàn)得最為明顯。

2.1.3 葉片酶活性和丙二醛含量 由表3可知，模擬增溫顯著提高了玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量，在不同時期均表現(xiàn)為OTC＞CK。隨著生長期的進行，OTC和CK處理下玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性均呈逐漸增加的趨勢，其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，OTC與CK處理在分化期差異均顯著(p＜0.05);而丙二醛含量隨玉米生長期的進行呈逐漸降低趨勢，二者在分化期差異極顯著(p＜0.01)，在抽雄期差異顯著(p＜0.05)，在成熟期差異不顯著(P＞0.05)。增溫處理促進了玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量的提高，總體而言成熟期的促進作用表現(xiàn)得最為明顯。

表2 模擬增溫對玉米植株生理生化特性的影響

表3 模擬增溫對玉米植株葉片酶活性丙二醛含量的影響

2.1.4 產(chǎn)量特性 由圖1可知，模擬增溫顯著提高了玉米在成熟期的百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量，與CK相比，分別增加5.3%、18.9%、8.2%，且穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量均與 CK 之間差異極顯著(p＜0.01)，百粒質(zhì)量也表現(xiàn)為OTC顯著高于CK(p＜0.05)。由于百粒質(zhì)量和穗粒數(shù)是玉米產(chǎn)量的構(gòu)成因子，因此其增加將直接提高玉米產(chǎn)量，表明OTC在一定程度上促進了玉米穗粒數(shù)的增加，從而提高了玉米產(chǎn)量。

2.2 模擬增溫對玉米根區(qū)土壤呼吸速率和酶活性的影響

2.2.1 土壤呼吸速率 由圖2可知，模擬增溫顯著影響生長期玉米根區(qū)土壤呼吸速率。隨著生育期的推進，OTC和CK玉米根區(qū)土壤呼吸速率呈先增加后降低趨勢;同一時期玉米根區(qū)土壤呼吸速率均表現(xiàn)為OTC＞CK，在分化期和抽雄期兩者差異極顯著(p＜0.01)，在成熟期兩者差異不顯著(P＞0.05)。與CK相比，在分化期、抽雄期和成熟期，OTC處理玉米根區(qū)土壤呼吸速率分別提高15.6%、18.3%、3.5%。

表4 玉米根區(qū)土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(x)的指數(shù)關(guān)系

由表4可知，在整個生長期，玉米根區(qū)土壤呼吸速率和土壤溫度呈極顯著的指數(shù)關(guān)系，CK玉米根區(qū)土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(x)的方程為:y=1.217e0.356x，OTC 玉米的方程為:y=0.949e0.497x，OTC和CK的指數(shù)回歸方程可分別解釋土壤呼吸速率71.65%和75.68%的變異。

2.2.2 土壤酶活性 由表5可知，模擬增溫顯著影響生長期玉米根區(qū)土壤酶活性。隨生育時期的推進，OTC和CK玉米根區(qū)土壤酶活性呈先增加后降低的趨勢，其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，同一生育時期，玉米根區(qū)土壤酶活性均表現(xiàn)為OTC＞CK，在抽雄期差異極顯著(p＜0.01)，在分化期差異顯著(p＜0.05)，在成熟期差異相對較小。增溫處理促進了玉米根區(qū)土壤酶活性，其中在抽雄期的促進作用表現(xiàn)得最為明顯。

表5 模擬增溫對玉米根區(qū)土壤酶活性的影響

由表6可知，在玉米的整個生長期，土壤酶活性與土壤溫度呈極顯著的指數(shù)關(guān)系，CK玉米根區(qū)土壤酶活性(y)與土壤溫度(x)的方程為 y=1.012e0.269x，OTC 處理玉米根區(qū)土壤酶活性與土壤溫度的方程為y=0.915e0.384x，CK和OTC的指數(shù)回歸方程可分別解釋土壤酶活性79.23%和83.24%的變異。

表6 玉米根區(qū)土壤酶活性(y)與土壤溫度(x)的指數(shù)關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 模擬增溫對玉米生長特性的影響分析

開頂式生長室(OTC)是一種較為理想的試驗升溫設(shè)備，也是研究全球氣候變暖的有效工具［1，14］，在全球各種模擬增溫的控制性試驗已得到廣泛的應(yīng)用。本研究采用OTC進行小尺度的模擬控制試驗研究玉米對增溫的響應(yīng)。受到OTC內(nèi)溫度的影響，OTC內(nèi)土壤溫度顯著增加，土壤濕度顯著降低，不僅玉米生長較快，葉面積大，分蘗數(shù)多，而且比葉重和葉面積指數(shù)均高于CK，該結(jié)果表明增溫能夠促進玉米植株的的生長和促進其產(chǎn)量的提高。在此過程中，主要是通過促進玉米的光合代謝能力、物質(zhì)的合成與積累，從而提高產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果［15－16］一致。玉米的產(chǎn)量主要是由光合作用產(chǎn)生的有機物質(zhì)決定，而葉面積指數(shù)有利于捕獲更多的太陽光能，本研究中，玉米對增溫的響應(yīng)較為敏感，同時，發(fā)達的根系和較小的R/S是實現(xiàn)其新陳代謝的穩(wěn)定的基礎(chǔ)，這也是玉米適應(yīng)氣候變化的重要生理機制［17－18］。而此過程中，增溫也調(diào)控了土壤健康狀況(提高了土壤酶活性和土壤呼吸速率)，從而為玉米的生長提供了更好的條件。

3.2 增溫對玉米生理指標的影響分析

能量和物質(zhì)代謝是玉米生長發(fā)育的基礎(chǔ)，溫度調(diào)控各個生理、生化過程。由表2可知，隨著生育期的推進，OTC和CK玉米葉片葉綠素含量、碳水化合物和蛋白質(zhì)含量呈逐漸增加趨勢，相同時期均表現(xiàn)為OTC＞CK。增溫主要通過影響玉米葉綠素含量而間接影響植物的光合生產(chǎn)能力，從而促進了葉綠素的合成。因此，增溫對玉米葉片光合生理特性和葉綠素含量的變化保持一致。此外，增溫處理能夠增加玉米葉片碳水化合物、葉綠素和蛋白質(zhì)含量，一方面說明玉米可能適應(yīng)更高的增溫環(huán)境，另一方面說明了碳水化合物和蛋白質(zhì)作為植物體的基礎(chǔ)性物質(zhì)，參與了營養(yǎng)期干物質(zhì)的合成與積累，為了適應(yīng)環(huán)境改變而作出的積極的生理調(diào)節(jié)，對玉米的生長具有重要的生態(tài)學(xué)指示意義［18］。此外，在玉米生長的不同時期，增溫對玉米均有一定的促進作用，盡管促進作用不盡一致，但總體表現(xiàn)為成熟期的促進作用最為明顯，這與玉米自身調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)的平衡有關(guān)，還有可能是土壤動物、微生物、植物根系或者非生物因子共同調(diào)控所產(chǎn)生的結(jié)果［19］。

3.3 增溫對玉米土壤特性的影響分析

土壤酶活性能夠催化土壤的生物化學(xué)循環(huán)，在一定程度上反映了生物化學(xué)過程的方向和強度。溫度往往是影響土壤酶活性的重要因子，在全球氣候變化背景下，土壤酶活性在生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中起著重要的作用。本研究中，增溫處理下玉米土壤呼吸和土壤酶活性均顯著提高，與前人的研究結(jié)果［20－21］一致;本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸和土壤酶活性均與土壤溫度呈現(xiàn)出較好的一元指數(shù)關(guān)系，由此表明了增溫對玉米土壤酶活性和土壤呼吸均有一定的促進作用。作為一種活性蛋白土壤酶和胞外酶，在一定的溫度條件下，溫度的升高有助于土壤酶活性和土壤呼吸的提高［22］;此外，土壤溫度的升高有助于提高養(yǎng)分的可吸收性、有效性，促進了土壤微生物群落的增殖，進而促進土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動［23－24］。

玉米的形態(tài)和生理特征對增溫的響應(yīng)機制至今仍存在很大的不確定性。本研究連續(xù)3年的控制性試驗基于小尺度，未能完全反映出大尺度下的全球氣候變暖對玉米的形態(tài)和生理特征的影響。值得注意的是，該試驗背景下的光照、CO2通量、水分等微環(huán)境因子仍有待進一步觀測和分析，未來應(yīng)重點著手于長期觀測和自然狀態(tài)下的微環(huán)境因子的相結(jié)合。