夜間模擬增溫對大豆生長及產(chǎn)量的影響

董京銘+張耀鴻+田思勰+楚岱蔚+謝曉金+劉爾寧+楊世瓊

摘要：利用被動式增溫系統(tǒng)進行夜間模擬增溫，采取常溫+翻耕、夜間增溫+翻耕、常溫+免耕、夜間增溫+免耕4種處理，研究長江中下游地區(qū)夜間增溫對夏大豆生長及產(chǎn)量的潛在影響。結(jié)果表明，與常溫+翻耕處理相比，夜間增溫+翻耕處理下大豆植株的生物量、光合速率均顯著下降（P<0.05），氮磷養(yǎng)分積累量也降低，籽粒產(chǎn)量降幅為25%，單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量均顯著減小;常溫+免耕處理下大豆植株的生物量、株高、光合速率、氮和磷積累量、籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成各指標都有顯著提高，其中生物量在全生育期內(nèi)增加20%～46%，光合速率在結(jié)莢期增幅最大，為26%，籽粒產(chǎn)量增幅為30%;夜間增溫+免耕處理下，大豆植株的生物量、氮磷積累量有一定程度的提高，在生長中后期大豆株高略有增加，光合速率、籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成各指標則無顯著變化。總體結(jié)果表明，在夜間增溫條件下采用免耕措施，將減少增溫對作物帶來的不利影響。

關(guān)鍵詞：夜間增溫;免耕;光合速率;氮積累;產(chǎn)量構(gòu)成;大豆

中圖分類號： S565.104 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0112-04

收稿日期：2014-05-14

基金項目：國家自然科學基金（編號：41103039、41205087）;江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室開放課題（編號：KYQ1307）;江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃（編號：201410300008）;江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃;江蘇省杰出青年教師聘外專家項目。

作者簡介：董京銘（1989—），男，江蘇連云港人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)應(yīng)對全球變化研究。E-mail：djm331487563@163.com。

通信作者：張耀鴻，博士，副教授，主要從事地氣交換與全球變化研究。E-mail：yhzhang@nuist.edu.cn。

根據(jù)跨政府氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第4次評估報告顯示，全球氣溫呈現(xiàn)非對稱性增加，夜間增溫幅度大于白天，日較差呈現(xiàn)減小的趨勢[1]。溫度是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的主要環(huán)境因素之一，晝夜增溫的不對稱性會對作物的生長發(fā)育以及經(jīng)濟產(chǎn)量產(chǎn)生潛在影響。房世波等利用田間開放式增溫系統(tǒng)進行試驗，結(jié)果表明，夜間增溫導(dǎo)致冬小麥生育期縮短，各物候期提前，產(chǎn)量顯著降低[2];田云錄等研究發(fā)現(xiàn)，夜間增溫條件下冬小麥籽粒產(chǎn)量提高18%，旗葉面積、開花期總綠葉面積分別提高26%、17%[3]。目前，國內(nèi)外對于夜間增溫對農(nóng)作物生長影響的研究尚未形成定論，須要進一步深入研究。

保護性耕作可以大大緩解沙塵的危害，降低我國北方沙塵暴天氣發(fā)生的可能性[4]。免耕具有保持土壤水分、保護耕層土壤結(jié)構(gòu)、節(jié)省勞力等優(yōu)點，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[5]，免耕的持續(xù)效應(yīng)受到氣候、作物、土壤、栽培管理等綜合影響[6]。目前，關(guān)于免耕對農(nóng)作物生長的影響已有廣泛研究。董百舒等試驗結(jié)果表明，少耕、免耕平均可使農(nóng)作物增產(chǎn)10%以上[7];晉凡生等研究發(fā)現(xiàn)，山西省旱塬地農(nóng)田在免耕方式下的玉米產(chǎn)量達4 500 kg/hm2以上，比傳統(tǒng)耕作增產(chǎn)22%～ 26%[8];胡立峰等研究發(fā)現(xiàn)，相對于翻耕而言，免耕方式下玉米產(chǎn)量降低17.6%[9]。

本試驗以夏大豆為對象，將夜間增溫與土壤處理相結(jié)合，研究分析對夏大豆生物量、株高、光合作用、氮磷元素吸收利用、籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響，以期為未來氣候變化條件下預(yù)測長江下游地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象試驗站（3216°N，118.86°E），屬亞熱帶濕潤氣候，常年平均氣溫為 15.6 ℃，降水量為1 100 mm，試驗地0～20 cm土層土壤的有機質(zhì)、氮、速效磷、速效鉀含量分別為14 100、1 160、15.6、64.2 mg/kg，pH值為6.7。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 大豆種植 供試大豆品種為泗豆4號，該品種屬于中熟類型，春夏皆可播種。2013年7月6日播種，株行距為 20 cm×25 cm，每穴播種3～4粒，出苗期為7月14日。在大豆全生育期，由于降水充沛，可滿足大豆的用水需求，故試驗期間不進行人工澆灌。

1.2.2 增溫方式 試驗參照陳金等被動式夜間增溫的方法[10]進行，使用反光膜將地面發(fā)出的長波輻射反射回地表，以減少熱量損失，達到增溫的目的。裝置由支架、反光膜、溫度記錄儀等組成，反光膜材質(zhì)為鋁鉑玻纖布，反射率達97%以上，在大豆全生育期內(nèi)每天19：00展開進行增溫，次日06：00卷起，降雨和大風天氣不進行蓋膜處理以保證水分條件一致性、避免損壞增溫裝置。為避免增溫裝置對遮光的影響，常溫組也架設(shè)增溫裝置，但不鋪設(shè)反光膜。用澤大儀器有限公司生產(chǎn)的溫度記錄儀（精度±0.1 ℃）記錄5 cm深的土壤溫度，每15 min記錄1次。在大豆全生育期，夜間增溫處理區(qū)域的夜間均溫比不增溫處理平均增加1.3 ℃（圖1）。

1.2.3 試驗處理 試驗共設(shè)4個處理：CK——常溫+翻耕;W——夜間增溫+翻耕;NT——常溫+免耕;WNT——夜間增溫+免耕，每處理重復(fù)3次，共計12個小區(qū)，小區(qū)面積為 3 m×4 m，隨機分布，其中有效增溫區(qū)域為2 m×3 m。翻耕處理使用旋耕機翻耕20 cm，翻耕2次，翻耕后進行人工整平;免耕處理為小麥、大豆輪作，不進行常規(guī)耕作，直接播種作物。

1.3 測定內(nèi)容

1.3.1 營養(yǎng)元素含量測定 分別在大豆分枝期（8月9日）、開花期（8月19日）、結(jié)莢期（8月29日）、鼓粒期（9月21日）、成熟期（10月16日），除1 m×1 m區(qū)域不采樣用于成熟期測產(chǎn)外，每試驗小區(qū)隨機選取大豆植株5株，先測定株高;后將植株分為莖、葉、莢、籽粒，105 ℃殺青0.5 h，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定生物量;再將樣品粉碎，采用半微量-凱氏定氮法、釩鉬黃比色法[11]分別測定全氮、全磷含量。植物氮（磷）素積累量為該生育期各器官實測氮（磷）素含量（%）與其干物質(zhì)質(zhì)量（g）乘積之和。endprint

1.3.2 光合速率測定 在大豆分枝期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期10：00—11：00，使用LI-6400測定每處理小區(qū)植株頂部完全展開葉片的光合速率，每植株測定3張葉片，每張葉片重復(fù)測定5次。另外，選取相同位置的葉片，使用SPAD儀測定葉片的葉綠素含量。

1.3.3 產(chǎn)量測定 在大豆成熟期，每小區(qū)隨機選取植株10株，分別測定單株空秕莢數(shù)、1粒莢、2粒莢、3粒莢、4粒莢的數(shù)量及單株粒數(shù)、粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、粒徑;在1 m×1 m測產(chǎn)面積內(nèi)，記錄有效株數(shù)，收獲所有大豆籽粒，折算籽粒產(chǎn)量。籽粒產(chǎn)量（g/m2）=每株籽粒質(zhì)量（g）×1 m2有效株數(shù)（株/m2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計，用LSD法進行差異顯著性檢驗分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對植株生物量、株高的影響

由圖2可見，與CK相比，W處理的大豆在不同生育期內(nèi)植株生物量下降，降幅為6%～26%，且差異基本達顯著水平（P<0.05）;NT處理的大豆植株生物量顯著增加，分枝期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期分別比CK增加28%、46%、36%、23%、20%;WNT處理的大豆植株生物量也有明顯增加，各生育期分別比CK增加11%、3%、10%、7%、6%;在各生育期，NT處理的大豆植株生物量均高于WNT處理，可能由于夜間增溫對大豆植株生物量的增加有一定程度的抑制作用，免耕處理可以顯著提高大豆植株的生物量。

由表1可見，W處理的大豆與CK相比，株高相對較低，且未達到顯著水平;在各生育期，NT處理的大豆株高都高于CK，在開花期、結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期的差異均達到顯著水平（P<0.05）;WNT處理的大豆株高也都高于CK，且在結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期的差異達到顯著水平（P<0.05）;NT處理與WNT處理的大豆株高間無顯著差異。

表1 不同處理對大豆各生育期株高的影響

處理

株高（cm）

分枝期 開花期 結(jié)莢期 鼓粒期 成熟期

CK 53.3±1.2a 79.5±3.8b 87.0±1.6b 90.3±0.9b 90.5±0.8b

W 53.5±0.1a 78.4±4.3b 86.2±1.2b 89.3±0.9b 89.9±0.7b

NT 54.2±0.6a 87.6±2.0a 93.8±1.7a 95.9±1.1a 96.7±1.5a

WNT 54.6±1.2a 83.4±2.5ab 91.6±1.4a 94.9±0.6a 95.9±0.8a

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。下表同。

2.2 不同處理對植株氮、磷累積量的影響

由圖3可見，4個處理的地上部氮積累量均隨著生育期的推進而增加;與CK相比，W處理大豆植株的氮累積量在各生育期均有所下降，降幅為6%～35%，其中在分枝期和開花期下降最為明顯;NT處理下，大豆植株的氮累積量在分枝期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期分別比CK增加13%、53%、14%、19%、34%;在各生育期，WNT處理的大豆植株氮累積量與CK處理無差異。夜間增溫明顯抑制大豆植株的氮積累量，且在前期抑制效應(yīng)更為明顯;在大豆各生育期內(nèi)，免耕處理均明顯提高植株的氮積累量，且在開花期和成熟期提高最為明顯。

由圖4可見，在各生育期內(nèi)，W處理與CK相比，大豆植株的磷積累量都有所下降，在分枝期、開花期降幅最大，分別為31%、40%;NT處理的大豆植株磷積累量均有明顯增加，與CK相比，增幅為17%～51%;WNT處理與CK相比，大豆植株的磷積累量也有所增加，但差異未達顯著水平。與氮累積量相似，夜間增溫顯著降低植株的磷積累量;免耕處理和增溫加免耕條件，大豆植株的磷積累量均有不同程度的提高，免耕處理的提升幅度大于后者。

2.3 不同處理對植株葉片光合速率和葉綠素含量的影響

由圖5可見，W處理與CK相比，大豆植株葉片的光合速率下降10%～14%，其中在鼓粒期降幅最為明顯;NT處理與CK相比，葉片的光合速率在分枝期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期

分別增加23%、26%、23%、25%;WNT處理下，大豆結(jié)莢期的葉片光合速率顯著增加。

由表2可見，與CK相比，W處理的大豆植株SPAD值在各生育期均有一定程度的下降，分枝期、開花期、鼓粒期SPAD值與CK差異均達顯著水平;NT處理的大豆植株，其SPAD值比CK增加4%～13%;WNT處理與CK相比，葉片SPAD值變化不明顯。

表2 不同處理對大豆不同生育期SPAD值的影響

處理

SPAD值

分枝期 開花期 結(jié)莢期 鼓粒期

CK 38.2±0.6b 41.4±0.6b 47.9±0.7bc 52.7±0.2b

W 35.7±0.5c 39.3±0.6c 47.3±0.3c 50.7±0.7c

NT 42.3±0.5a 46.8±0.9a 49.7±0.7a 54.7±0.4a

WNT 38.5±0.5b 41.6±0.5b 48.7±0.3b 52.6±0.3b

2.4 不同處理對大豆籽粒產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及單株莢數(shù)的影響

由表3可見，W處理下大豆的單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、粒徑、籽粒產(chǎn)量均顯著減小;NT處理下大豆的單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、粒徑、產(chǎn)量分別比CK提高28%、31%、3%、2%、30%;WNT處理與CK相比，大豆的籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成無顯著變化。W處理的籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成各指標均有所降低，NT處理籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成各指標均有所提高。endprint

由表4可見，W處理導(dǎo)致總莢數(shù)比CK下降11%，且2粒莢數(shù)、3粒莢數(shù)、4粒莢數(shù)均顯著減小（P<0.05）;NT處理時大豆總莢數(shù)比CK提高23%，2粒莢數(shù)、3粒莢數(shù)分別增加41%、34%;WNT處理時大豆總莢數(shù)比CK顯著增加，2粒莢數(shù)、3粒莢數(shù)分別增加23%、18%。

3 結(jié)論與討論

夜間增溫條件下，大豆植株的生物量、光合速率、SPAD值、氮磷的積累量都有一定程度的下降，成熟期時籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成各指標也下降;在分枝期、開花期，夜間增溫植株的氮積累量分別下降35%、29%，磷積累量分別下降31%、

表3 不同處理對大豆籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

處理 單株粒數(shù)

（粒） 單株粒質(zhì)量

（g） 百粒質(zhì)量

（g） 粒徑

（mm） 產(chǎn)量

（g/m2）

CK 70.1±0.6b 19.3±0.4b 27.5±0.6ab 7.05±0.03b 860.4±27.2b

W 57.0±5.5c 15.2±1.1c 26.8±0.5b 6.90±0.41c 645.8±53.7c

NT 89.8±2.5a 25.3±1.3a 28.2±0.8a 7.19±0.26a 1 114.4±55.5a

WNT 75.5±2.8b 20.6±0.7b 27.3±0.2ab 7.03±0.02b 872.0±52.8b

表4 不同處理對大豆單株莢數(shù)的影響

處理 總莢數(shù)

（個） 空莢數(shù)

（個） 1粒莢數(shù)

（個） 2粒莢數(shù)

（個） 3粒莢數(shù)

（個） 4粒莢數(shù)

（個）

CK 31.3±0.3c 1.8±0.3ab 5.1±0.2a 11.0±0.6c 10.5±0.4c 2.9±0.3a

W 27.9±0.6d 2.3±0.5a 4.7±0.2a 9.7±0.4d 9.0±0.5d 2.1±0.4c

NT 38.6±1.4a 1.3±0.3b 4.8±0.5a 15.5±0.5a 14.1±0.7a 2.9±0.1a

WNT 36.3±1.0b 2.4±0.4a 5.2±0.2a 13.5±0.5b 12.4±0.8b 2.8±0.2b

39%。這可能是由于夜間增溫處理時，植株前期對氮磷營養(yǎng)元素的吸收量較小，從而致使生物量減小、籽粒產(chǎn)量降低，與楚岱蔚等研究結(jié)論[12]一致。Lee等研究發(fā)現(xiàn)，長期夜間增溫可導(dǎo)致新陳代謝產(chǎn)生副反應(yīng)，致使葉肉細胞過氧化反應(yīng)增加，光合速率減弱[13]。本試驗葉片的SPAD值有所下降，這是大豆光合速率下降的重要原因之一。張賢澤等認為，大豆主要生育期的平均光合速率與產(chǎn)量呈正相關(guān)[14]，本試驗長期夜間增溫，導(dǎo)致光合速率下降，最終導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量減小。

免耕處理條件下大豆植株的生物量、株高、光合速率、SPAD值、氮磷積累量、籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成各指標都增加，這與陳甲瑞等對玉米的結(jié)論[15]一致。陳軍勝等研究認為，免耕減少了土壤蒸發(fā)，有利于提高水分的利用效率，從而促進作物生長[16]，同時，免耕土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物數(shù)量與活性相對穩(wěn)定，有利于提高養(yǎng)分利用效率和作物生長，這可能是大豆氮磷積累量增加的原因之一。另外，彭文英研究發(fā)現(xiàn)，長期實施免耕才可提高土壤的增水效應(yīng)，改善土壤的理化性質(zhì)[17]。楚岱蔚等早期研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理顯著減小大豆的地上生物量，對籽粒產(chǎn)量也有一定的抑制效應(yīng)[12]，與本試驗結(jié)果不同，這可能是由試驗大豆品種不同及免耕的持續(xù)期短所致。

夜間增溫疊加免耕條件下，大豆植株的生物量、株高、氮磷的積累量都略有提高，但各項指標都低于免耕處理，且高于夜間增溫處理。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可有效增加土壤含水量，增加土壤的比熱值，使土壤對溫度擾動的緩沖性提升[18]，進而使得夜間增溫處理對土壤溫度擾動的敏感性減小，從而降低了夜間增溫對大豆的負面影響。因此，在未來夜間溫度升高條件下實施免耕方式，可有效降低夜間增溫對作物生長帶來的抑制作用。

需要強調(diào)的是，不同農(nóng)作物在不同年份、不同生長季對夜間增溫及免耕的響應(yīng)特征可能存在差異，這需要開展長期的田間試驗進行深入研究，用多年份試驗數(shù)據(jù)證實夜間增溫及耕作方式對農(nóng)作物的潛在影響。

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