夜間增溫對南京地區(qū)冬小麥生產的影響

蘇海報 陳昆 江曉東 陳彰宇 李侃 甘維金

摘要：以揚麥13和徐麥31為試驗材料，采用開放的田間增溫系統(tǒng)對冬小麥進行全生育時期夜間增溫處理，模擬氣候變暖增溫情景，探討夜間增溫對冬小麥生長發(fā)育過程和產量的影響機制。結果表明，夜間增溫使冬小麥物候期提前，總生育時期天數(shù)縮短，且對偏暖年型的影響更為顯著。夜間增溫使冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結實小穗數(shù)下降，不孕小穗數(shù)增加，不利于穗粒數(shù)形成，同時夜間增溫使冬小麥有效穗數(shù)和千粒質量下降，最終導致產量的三要素共同下降，導致了冬小麥的減產，且在偏暖年型下，減產幅度更大。另外，夜間增溫條件下，強筋冬小麥產量的減幅大于弱筋冬小麥。

關鍵詞：氣候變暖;夜間增溫;冬小麥;生長發(fā)育過程;產量

中圖分類號： S512.101文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0144-04

收稿日期：2018-10-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：41105078）;江蘇省自然科學基金（編號：BK2011827）;江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目（編號：09KJB210004）。

作者簡介：蘇海報（1989—），男，江蘇徐州人，碩士，助理工程師，主要從事農業(yè)氣象、天氣預報研究。E-mail：suhaibao2018@163.com。

政府間氣候變化專業(yè)委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告（AR5）預估未來全球氣候變暖仍將持續(xù)，21世紀末全球平均地表溫度將在1986—2005年的基礎上升髙0.3～4.8 ℃[1]，全球溫度記錄表明，夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[2-4]。我國溫度上升趨勢與全球基本一致，近50年來我國陸地表面平均溫度上升了1.38 ℃，變暖速率為0.23 ℃/10年[5]，預計到2050年將上升1.2～2.0 ℃[6]，增幅同樣表現(xiàn)為夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[7]，即全球氣候變暖主要表現(xiàn)為日較差減小，夜間最低溫度增幅大于白天最高溫度增幅[8]。溫度是作物生長發(fā)育的關鍵氣象因子，夜間溫度升高必然會對其產生一定的影響。

小麥是世界上最重要的糧食作物之一，目前關于溫度升高對其影響的研究尚存分歧。有研究表明，溫度升高可以增加冬小麥的株高、葉面積指數(shù)、有效分蘗、有效穗數(shù)和千粒質量，使其增產[9-12]。也有研究表明，溫度升高使冬小麥的無效分蘗增加，收獲指數(shù)下降，導致減產[13-18]。從全球范圍來看，溫度升高和作物產量呈較為顯著的負相關關系[19]。本試驗擬通過設置田間開放式增溫系統(tǒng)，分析夜間增溫對冬小麥生長發(fā)育過程的影響，旨在探索夜間增溫對冬小麥產量影響的機制，為氣候變暖背景下冬小麥的生產措施提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站（118.70°E、32.20°N）內，屬于亞熱帶季風氣候，年平均溫度為15.6 ℃，年極端最高溫度為39.7 ℃，年極端最低溫度為-13.1 ℃，年平均降水量為1 100.0 mm，年平均無霜期為237 d，年平均日照時數(shù)超過1 900 h。試驗地前茬作物為水稻，收獲后，秸稈還田處理。試驗地土壤質地為壤質黏土，黏粒含量為26.1%，土壤pH值為6.2，有機碳、全氮含量分別為19.4、11.5 g/kg。

1.2試驗材料與處理

試驗材料為揚麥13（弱筋冬小麥，籽粒蛋白質含量約為11%）和徐麥31（強筋冬小麥，籽粒蛋白質含量約為16%）。試驗周期為2012—2014年2個冬小麥生長季，均于11月15日播種，5月30日前收獲。試驗地肥料用量分別為氮肥（N 168 kg/hm2）、磷肥（P2O5 105 kg/hm2）和鉀肥（K2O135 kg/hm2），磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥分為底肥和拔節(jié)肥，用量各1/2，生產管理參照當?shù)馗弋a栽培技術規(guī)程。

依據對我國未來溫度變化的預測[1-5]，設定的平均溫度增幅為2.0 ℃。本試驗共設置2個處理，分別為不增溫處理（CK）和夜間增溫處理（NW）。CK是指在自然溫度下的處理，NW是指在18：00至次日06：00對冬小麥冠層進行2.0 ℃ 增溫的處理。冬小麥出苗后開始進行夜間增溫處理（雨雪天停止增溫），直至冬小麥收獲。每個小區(qū)面積為3 m×3 m=9 m2，重復3次，隨機排列。相同增溫處理小區(qū)的間隔為0.5 m，夜間增溫處理小區(qū)與不增溫處理小區(qū)的間隔為2.5 m，間隔栽培冬小麥作為保護行，防止熱量擴散相互影響。參照《農業(yè)氣象觀測規(guī)范》觀測冬小麥的生育時期，每小區(qū)選定2行1 m長發(fā)育期觀測區(qū)，隨機選取10株冬小麥用來測定葉面積指數(shù)、株高和干物質質量等一系列的生長指標，并求平均值[20]。

1.3試驗期間增溫系統(tǒng)設計和效果

1.3.1增溫系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)4部分組成。電力系統(tǒng)由南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站提供，溫度控制系統(tǒng)主要由自行研制的單片機、定時器和溫度傳感器等組成，溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、地溫傳感器、數(shù)據采集器和蓄電池等組成，加熱系統(tǒng)主要由紅外陶瓷加熱燈和白色不銹鋼紅外反射燈罩組成[15]。另外，隨著冬小麥的生長，冠層溫度傳感器位置逐漸上移，地溫傳感器位置不變。

1.3.2增溫系統(tǒng)效果

從表1可以看出，在冬小麥的整個生育時期內，夜間增溫時段冬小麥冠層的平均溫度增幅效果良好，基本滿足試驗需求。

1.4試驗期間氣候背景

表2給出了南京市30年（1981—2011年）冬小麥生長季的各月平均溫度及本試驗2個冬小麥生長季的平均溫度距平。2012—2013年冬小麥生長季的平均溫度距平僅0.14 ℃，與30年平均溫度基本持平，屬于平均年型。2013—2014年冬小麥生長季的平均溫度距平達1.19 ℃，比往年溫度偏高，屬于偏暖年型。

1.5數(shù)據處理

所有數(shù)據用Excel 2013軟件整理，DPS 9.5和SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析。

2結果與分析

2.1夜間增溫對冬小麥物候期和生育時期天數(shù)的影響

揚麥13和徐麥31的物候期及生育時期天數(shù)基本一致。從表3可以看出，夜間增溫使2種年型冬小麥各物候期不同程度提前，全生育時期天數(shù)縮短，且對偏暖年型的影響更為明顯。夜間增溫條件下，2012—2013年（平均年型）冬小麥生長季以拔節(jié)期提前最為明顯，提前6 d;2013—2014年（偏暖年型）冬小麥生長季拔節(jié)期、孕穗期和成熟期均提前7 d。與CK相比，NW使2012—2013年冬小麥生長季總生育時期天數(shù)縮短4 d;使2013—2014年冬小麥生長季總生育時期天數(shù)縮短7 d。

2.2夜間增溫對冬小麥葉面積指數(shù)的影響

葉片是作物進行光合作用的主要器官，葉面積指數(shù)（LAI）的大小直接影響作物受光和農田小氣候，是作物群體結構合理性的標志之一[15，20]。從表4可以看出，夜間增溫不同程度地提高了2種年型冬小麥開花前LAI（不顯著），降低了開花后LAI（較顯著）。與CK相比，NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的開花前LAI分別提高了1.40%、2.16%，開花后LAI分別降低了5.56%、8.55%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的開花前LAI分別提高了2.21%、4.42%，開花后LAI分別降低了7.79%、11.25%?？傮w來看，夜間增溫條件下，冬小麥開花前LAI增幅小于開花后LAI降幅，說明NW對開花后LAI的影響更大一些。品種間比較則可以發(fā)現(xiàn)，開花前或開花后LAI，NW對徐麥31的影響都更大一些。

2.3夜間增溫對冬小麥株高的影響

株高是衡量作物生長速度的標志之一[15]。從表5可以看出，夜間增溫提高了2種年型冬小麥株高，品種間表現(xiàn)也基本一致，但影響均較小。與CK相比，NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的株高分別提高了2.75%、3.16%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的株高分別提高了2.91%、0.50%。

2.4夜間增溫對冬小麥穗部特征的影響

從表6可以看出，夜間增溫不同程度降低了2種年型冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結實小穗數(shù)，增加了不孕小穗數(shù)，且對偏暖年型的影響更大。與CK相比，NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的穗長分別降低了10.81%、9.57%，總小穗數(shù)分別降低了7.46%、4.71%，結實小穗數(shù)分別降低了8.74%、6.21%，不孕小穗數(shù)分別提高了5.56%、14.29%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的穗長分別降低了12.32%、10.34%，總小穗數(shù)分別降低了8.59%、6.35%，結實小穗數(shù)分別降低了10.61%、8.67%，不孕小穗數(shù)分別提高了10.53%、18.75%。

2.5夜間增溫對冬小麥產量構成因素的影響

產量三要素為單位面積的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質量，它們對產量的形成至關重要[15，20]。從表7可以看出，夜間增溫不同程度地降低了2種年型冬小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質量和產量，且對偏暖年型的影響更為顯著。與CK相比，NW使2012—2013年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的產量分別降低了4.32%、7.25%;使2013—2014年冬小麥生長季揚麥13和徐麥31的產量分別降低了9.95%、11.46%?？傮w來看，夜間增溫條件下，2種年型冬小麥生長季徐麥31的產量降幅均大于揚麥13，說明NW對強筋冬小麥的影響更大。

3討論與結論

IPCC第四次報告指出，春季的物候現(xiàn)象（植物和動物）出現(xiàn)時間提前，與氣候變暖造成的生長季變化有關[3]，在過去10年中，大約有385種植物的開花期比40年前提前了4.5 d，當溫度升高2.5 ℃時，許多植物的開花期提前了5～25 d[21-22]。本研究表明，對南京地區(qū)而言，夜間增溫使冬小麥物候期提前，總生育時期天數(shù)縮短，且對偏暖年型的影響更為顯著。

作物產量形成的實質是其和環(huán)境之間物質-能量的轉化過程[23]。高永剛等認為，近40年來，我國東北地區(qū)玉米產量受氣候變暖影響一直增加，增速為4.81%/10年，而大豆以1.52%/10年的速度減產[24]，西北地區(qū)不同作物產量也有增有減，不盡相同[25]。單位面積的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質量是產量構成的三要素[20]。房世波等的研究表明，夜間增溫增加了冬小麥的無效穗數(shù)，顯著減少了有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質量，最終導致減產[8]。劉萍等的研究表明，花后高溫對弱筋冬小麥的粒質量影響較小，對強筋小麥的粒質量影響較大[26]。高素華等的研究表明，隨著溫度的升高，作物產量逐漸下降[27-29]。本研究表明，對南京地區(qū)而言，夜間增溫對冬小麥株高影響較小，對開花后LAI影響較大，LAI下降不利于光合作用進行[30-31]，而且夜間增溫使日較差減小，導致夜間呼吸消耗加劇，不利于物質積累[32]。另外，夜間增溫使冬小麥穗長、總小穗數(shù)和結實小穗數(shù)降低，不孕小穗數(shù)增加，不利于穗粒數(shù)形成，同時夜間增溫使有效穗數(shù)和千粒質量下降，最終導致產量三要素共同下降，導致了冬小麥減產。本研究同時表明，夜間增溫對強筋冬小麥的產量影響更大，對弱筋冬小麥的產量影響較小。由于本研究是在南京地區(qū)進行的試驗，對其他地區(qū)冬小麥產量的影響還有待進一步探索。建議在全球氣候變暖背景下，采用適宜品種或者措施來應對溫度升高產生的不利影響，從而確保冬小麥的穩(wěn)產和高產。

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