馮 茜,苗淑杰,喬云發(fā)

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京 210044)

根據(jù)IPCC第六次評(píng)估報(bào)告,21世紀(jì)前20年(2001-2020年)的全球地表溫度比1850-1900年高0.99 ℃[1],2100年前后地表溫度將升高 2.2～4.2 ℃[2-3]。全球氣候變暖會(huì)導(dǎo)致的一系列環(huán)境問(wèn)題,影響人類的正常生產(chǎn)和生活,目前已經(jīng)成為全人類共同面對(duì)的重大危機(jī)與挑戰(zhàn)。溫度影響作物生長(zhǎng)發(fā)育,溫度變化會(huì)改變作物對(duì)養(yǎng)分等資源的利用。目前,針對(duì)氣候變暖影響作物養(yǎng)分吸收的研究已有一些報(bào)道,但尚未達(dá)成一致的結(jié)論[4]。作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的養(yǎng)分主要來(lái)源于土壤,因而土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力直接影響作物干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收[5]。不同類型土壤的肥力水平及基礎(chǔ)理化性質(zhì)不同[6-7]。在黃棕壤下,夜間增溫后小麥干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量增加[8]。在改良龜裂堿土下增溫超過(guò)1.0 ℃以上時(shí),小麥氮磷鉀養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累量與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)[9]。在黑鈣土和沙壤土下,增溫促進(jìn)了小麥地上部干物質(zhì)積累,提高了氮素吸收量[10-11]。在褐潮土下增溫導(dǎo)致小麥產(chǎn)量及干物質(zhì)量顯著降低[12]。由此可見(jiàn),增溫對(duì)作物干物質(zhì)積累及養(yǎng)分吸收的影響與供試土壤類型和生境差異密切相關(guān)[13]。有關(guān)溫度升高對(duì)小麥生產(chǎn)的影響已有較多研究,但大多數(shù)研究集中于單一類型土壤下小麥形態(tài)指標(biāo)與產(chǎn)量性狀的分析[14-15],而就土壤類型與溫度互作對(duì)小麥干物質(zhì)積累及養(yǎng)分吸收的影響鮮有報(bào)道。本研究于2020年11月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站,以冬小麥品種揚(yáng)麥13為研究對(duì)象,采用開(kāi)放式增溫系統(tǒng)對(duì)小麥進(jìn)行全天增溫,通過(guò)裂區(qū)試驗(yàn),分析了增溫(日平均增溫1.5 ℃)后棕壤、灰鈣土、黃土、潮土、磚紅壤和黃棕壤等6個(gè)不同類型土壤下小麥成熟期根、秸稈及籽粒干物重和氮磷鉀含量的變化,以期為小麥生產(chǎn)應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變暖的策略制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.16°N,118.86°E)模擬氣候變暖定位平臺(tái)進(jìn)行。南京位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,年平均氣溫15.4 ℃,多年平均降水1 106 mm,降水主要集中在5-8月,相對(duì)濕度為76%,無(wú)霜期237 d,年日照時(shí)數(shù)達(dá)1 902 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年開(kāi)始,在冬小麥-夏大豆周年輪作體系下,采用裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)設(shè)置常溫對(duì)照(aT)和增溫(eT,1.5 ℃)兩個(gè)水平,副區(qū)設(shè)置棕壤、灰鈣土、黃土,潮土、磚紅壤和黃棕壤等6個(gè)土壤類型。每個(gè)處理3次重復(fù),處理間設(shè)有5 m保護(hù)行。本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2021年小麥成熟期測(cè)定結(jié)果。試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)肥力如表1所示。

表1 試驗(yàn)前不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)采用 PVC材料無(wú)底圓柱形桶(直徑33 cm)進(jìn)行框栽,其深度50 cm,裝土量35 kg。增溫裝置采用野外開(kāi)放式自動(dòng)增溫系統(tǒng)(FATI),其高度根據(jù)小麥生長(zhǎng)發(fā)育情況隨時(shí)調(diào)節(jié)并始終保持在冠層上方40 cm處,通過(guò)165 cm×15 cm的紅外輻射加熱器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)進(jìn)行全天增溫。用兩個(gè)L92-1+型溫濕度記錄儀每隔1 h記錄一次小麥冠層溫度,以全天記錄數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)日溫度,試驗(yàn)日平均增溫1.5 ℃(圖1)。本研究供試冬小麥品種為揚(yáng)麥13,于2020年11月播種,每框3穴,每穴3粒,分布均勻,苗期每框定苗3株。按照當(dāng)?shù)囟←湷Ｒ?guī)施肥方案,每框施用尿素 0.35 g、磷酸氫二銨3.50 g和硫酸鉀1.00 g。

圖1 小麥生育期內(nèi)冠層日均溫的變化特征

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

成熟期采集植物樣品,用蒸餾水沖洗干凈后,分為根、秸稈、籽粒三個(gè)部分放置于烘箱中, 105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重。各部分干樣測(cè)定干物質(zhì)質(zhì)量后粉碎,用于氮磷鉀含量測(cè)定。全含量氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定,全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀含量采用火焰分光光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,運(yùn)用JMP10.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析,并比較不同處理間的差異顯著性。用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫對(duì)小麥生物量的影響

增溫對(duì)小麥生物量的影響因土壤類型而不同(圖2)。在棕壤和灰鈣土下增溫后小麥總生物量(秸稈+根+籽粒)較常溫對(duì)照分別增加了 46.3%和37.2%,而黃土下降低了17.6%,其他三種類型土壤下小麥總生物量對(duì)增溫反應(yīng)不明顯。從生物量組成來(lái)看,棕壤下增溫后小麥根、秸稈和籽粒生物量分別增加了58.0%、45.7%和 42.6%;灰鈣土下增溫僅增加了秸稈和籽粒生物量,對(duì)根生物量幾乎沒(méi)有影響;而黃土下小麥根生物量收到增溫的抑制,增溫處理比常溫處理降低了 43.6%;潮土下增溫降低了小麥秸稈生物量;而磚紅壤下增溫后小麥的籽粒生物量有所增加。這說(shuō)明,增溫對(duì)小麥干物質(zhì)生產(chǎn)有一定的影響,但影響程度、植株部位因土壤類型而異。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理間差異在0.05水平上顯著。下圖同。

2.2 增溫對(duì)小麥氮含量的影響

增溫對(duì)小麥植株(秸稈+根+籽粒)氮素含量有一定的負(fù)效應(yīng),表現(xiàn)為在棕壤、灰鈣土、潮土和黃棕壤下增溫處理的小麥植株氮含量較常溫對(duì)照分別降低了14.6%、13.5%、22.7%和10.9%,而黃土和磚紅壤上的小麥含氮量未受到顯著影響(圖3)。在潮土下增溫后小麥根系含氮量較常溫對(duì)照降低了45.6%,在其他類型土壤下均無(wú)顯著變化,說(shuō)明增溫對(duì)根系氮素含量總體上影響不大。此外,與常溫對(duì)照相比,增溫后小麥籽粒氮含量在灰鈣土下降低12.0%,在其他類型土壤下均未發(fā)生顯著變化。由此可見(jiàn),增溫后小麥植株氮含量的降低主要是因?yàn)楦滴盏牡蚪斩挼倪\(yùn)輸被抑制,進(jìn)而導(dǎo)致秸稈氮含量顯著降低(磚紅壤除外)。

圖3 增溫對(duì)不同土壤類型下小麥氮含量的影響

2.3 增溫對(duì)小麥磷含量的影響

增溫對(duì)小麥植株磷含量有所抑制,在棕壤、黃土、潮土和黃棕壤下增溫后小麥植株磷含量較常溫對(duì)照分別降低了29.5%、26.4%、27.1%和 20.0%,而灰鈣土和磚紅壤下小麥磷含量變化不顯著(圖4)。在棕壤和黃土下增溫后小麥根系磷含量較常溫對(duì)照分別降低了25.1%和39.4%,其他類型土壤下未表現(xiàn)出顯著變化。棕壤、黃土、潮土和黃棕壤下增溫導(dǎo)致小麥秸稈磷含量均顯著降低,降幅分別為45.9%、33.3%、27.5%和 23.8%。此外,小麥籽粒磷含量在兩種溫度間無(wú)顯著差異。增溫后小麥植株磷含量的降低可能是因?yàn)樵鰷販p弱了根對(duì)磷素的吸收以及所吸收的磷素向秸稈的分配。

圖4 增溫對(duì)生長(zhǎng)在不同土壤類型上小麥磷含量的影響

2.4 增溫對(duì)小麥鉀含量的影響

增溫后小麥植株鉀含量在棕壤、潮土和磚紅壤下較常溫對(duì)照分別降低了28.0%、18.9%和18.5%,而在黃土下增加了16.5%,在灰鈣土和黃棕壤下變化不明顯(圖5)。增溫處理的小麥秸稈鉀含量在黃土下較常溫處理增加了78.6%,而在磚紅壤和潮土下分別降低了37.2%和29.2%,而根部鉀含量未有顯著變化。增溫使小麥籽粒鉀含量在棕壤和潮土下分別降低了37.8%和 21.2%。這說(shuō)明增溫主要是通過(guò)影響根部鉀向秸稈和籽粒的分配來(lái)影響整體的小麥鉀含量。

圖5 增溫對(duì)不同土壤類型下小麥鉀含量的影響

2.5 增溫對(duì)小麥養(yǎng)分總積累量的影響

增溫對(duì)小麥氮、磷、鉀總積累量的影響因土壤類型而異(圖6)。在黃土和潮土下小麥氮、磷、鉀積累量顯著受增溫的影響。與常溫對(duì)照相比,增溫后小麥氮、磷積累量在黃土下分別降低了 21.6%和39.6%,鉀積累量雖有降低趨勢(shì),但未表現(xiàn)出顯著變化;潮土下增溫使小麥內(nèi)氮、磷、鉀積累量分別降低了31.3%、34.8%和27.9%。這說(shuō)明小麥氮、磷、鉀積累在潮土下對(duì)溫度反應(yīng)最敏感,在其他類型土壤下受溫度影響較小。

圖6 增溫對(duì)在不同土壤類型下小麥養(yǎng)分總累積量的影響

3 討 論

3.1 增溫對(duì)小麥氮磷鉀吸收和分配的影響

增溫直接或間接影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而影響產(chǎn)量的形成[16]。增溫對(duì)作物養(yǎng)分含量的影響還沒(méi)有定論:一方面認(rèn)為,增溫促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的礦化速率,有利于植物吸收,從而增加了作物地上部養(yǎng)分含量[17];另一方面認(rèn)為,增溫對(duì)氮素礦化的促進(jìn)作用持續(xù)時(shí)間較短,隨著時(shí)間的推移,升溫導(dǎo)致作物葉片氮含量顯著下降[18]。本研究發(fā)現(xiàn),在增溫條件下,小麥植株生物量較常溫對(duì)照增加了9.9%,植株氮磷鉀含量較常溫對(duì)照分別降低了 10.6%、17.7%和12.1%。這說(shuō)明增溫在促進(jìn)小麥干物質(zhì)積累的同時(shí)對(duì)養(yǎng)分產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)[9]。張立極等的研究結(jié)果顯示,溫度升高2 ℃后,水稻葉片和穗的氮含量較常溫均增加[19]。Wang等研究認(rèn)為,溫度升高使作物氮磷鉀含量提高,引起干物質(zhì)量及產(chǎn)量減少[20]。試驗(yàn)結(jié)果的不同可能是由于增溫幅度、作物種類及氣候區(qū)環(huán)境差異所造成的。本研究中增溫使小麥秸稈和籽粒的氮磷鉀含量較常溫對(duì)照均降低,說(shuō)明小麥養(yǎng)分含量減少主要是由于增溫使根部向秸稈和籽粒分配的養(yǎng)分減少引起的[21]。這可能是因?yàn)樵鰷靥崆傲诵←溛锖蚱?縮短了生育期,減少了小麥從土壤中吸收養(yǎng)分的時(shí)間以及養(yǎng)分從秸稈轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的時(shí)間。有研究表明,增溫后小麥整個(gè)生育期縮短4～6 d[22],而小麥抽穗至開(kāi)花以后,隨著生殖器官的不斷發(fā)育,各營(yíng)養(yǎng)器官運(yùn)轉(zhuǎn)養(yǎng)分增加[23],生育期縮短會(huì)影響作物營(yíng)養(yǎng)元素輸送。這些結(jié)果支撐了我們的猜測(cè)。

3.2 土壤類型對(duì)小麥氮磷鉀吸收和分配的影響

在增溫條件下作物對(duì)養(yǎng)分的吸收規(guī)律在不同土壤下各不相同[24]。本研究表明,在棕壤下小麥生物量、氮素積累量在增溫條件下較常溫對(duì)照均顯著增加,但秸稈氮含量較常溫對(duì)照顯著下降,說(shuō)明氮素總積累量的增加是由干物質(zhì)量所貢獻(xiàn)的。這與地上部氮、磷、鉀累積吸收量與其干物質(zhì)累積量之間呈顯著正相關(guān)這一研究結(jié)論一致[25]。然而,增溫使黃土下小麥干物質(zhì)量,磷鉀含量較常溫對(duì)照顯著降低,氮磷素總積累量的降低以秸稈養(yǎng)分降低為主。這可能是因?yàn)辄S土有機(jī)質(zhì)含量少,基礎(chǔ)肥力弱,供肥能力較差,同時(shí)土壤含水量較低,在增溫條件下植物蒸騰速率加快,土壤水分供應(yīng)不足而導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制[26]。有研究認(rèn)為,土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率均隨培養(yǎng)溫度的升高而增加[27]。本研究中,增溫對(duì)潮土下小麥的氮磷鉀含量及積累量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng),這可能是因?yàn)槌蓖凛^為貧瘠,且堿性強(qiáng),保水保肥能力差,在增溫環(huán)境下加劇了水分和肥料的損失,不利于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。增溫促進(jìn)了磚紅壤下小麥生物量及氮磷含量,且以增加秸稈氮磷含量為主。磚紅壤來(lái)自我國(guó)的海南省,當(dāng)?shù)貧鉁剌^高,土壤微生物長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下,通過(guò)把土壤空間移位到江蘇,常溫不是微生物群落的最適溫度條件,不利于土壤有機(jī)質(zhì)礦化,而增溫有利于其土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與釋放[28]。有研究發(fā)現(xiàn),夜間增溫后黃棕壤下大豆全生育期內(nèi)植株干物質(zhì)量、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素減少,分枝期和開(kāi)花期的氮磷鉀積累量均下降[29]。這與本研究中生長(zhǎng)在黃棕壤上的小麥各養(yǎng)分累積量趨勢(shì)相一致。黃棕壤來(lái)自江蘇省,與該試驗(yàn)地氣候條件一致,生物群落在長(zhǎng)期的環(huán)境適應(yīng)中較為穩(wěn)定,不受外界干擾,溫度升高會(huì)改變其原有生境,減弱土壤養(yǎng)分釋放能力。

4 結(jié) 論

晝夜增溫影響小麥根系對(duì)氮磷鉀的吸收,進(jìn)而調(diào)控氮磷鉀向秸稈和籽粒的運(yùn)移,最終影響不同類型土壤下小麥干物質(zhì)的積累。增溫在棕壤和灰鈣土下提高了小麥生物量,在黃土下降低了小麥生物量,而對(duì)潮土、磚紅壤和黃棕壤下小麥生物量沒(méi)有顯著影響。增溫后在黃土下小麥生物量的降低是氮磷養(yǎng)分限制的結(jié)果,而潮土下歸因于小麥養(yǎng)分吸收能力降低,表現(xiàn)出對(duì)植株內(nèi)養(yǎng)分的稀釋效應(yīng)。因此,增溫和土壤類型對(duì)小麥養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量形成具有交互效應(yīng)。