土壤溫度、濕度對作物種子發芽能力的影響

吳鳳日+吳明根+朱國君+李崢++傅民杰+??

摘要：采用盆栽稱質量控水法及人工控溫法，研究不同土壤類型0～10 cm、10～20 cm層土壤不同含水量以及不同溫度梯度處理對大豆、玉米種子出苗率的影響。結果表明，當暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土等3類土壤的含水量≤15%及≥55%時，大豆和玉米的出苗生長均受到抑制，無法正常出苗生長；暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土 0～10 cm耕層土壤最適宜大豆出苗的土壤含水量分別為35%、35%、25%；暗棕壤和黑土最適宜玉米出苗的土壤含水量均為35%，鹽化黑鈣土最適宜玉米出苗的土壤含水量為25%；3種類型土壤 10～20 cm耕層最適宜大豆、玉米經濟播種的土壤含水量均為25%；土壤溫度在9～17 ℃條件下，3種類型土壤播種的大豆、玉米出苗均受到抑制；春季最適宜大豆、玉米經濟播種的土壤溫度為13～21 ℃，且大豆和玉米的出苗率與土壤溫度呈明顯的正相關關系。

關鍵詞：出苗率；土壤含水量；溫度；大豆；玉米

中圖分類號： S311文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0051-04

收稿日期：2016-04-19

基金項目：國家自然科學基金（編號：31560202）；國家科技支撐計劃（編號：2011BAD37B01）；吉林省科技廳重點攻關項目（編號：20140204045SF）。

作者簡介：吳鳳日（1992—），男，吉林磐石人，碩士研究生，研究方向為作物栽培與耕作。E-mail：569751805@qq.com。

通信作者：傅民杰，博士，副教授，主要從事土壤物質營養與循環等研究工作。E-mail：fuminjie@163.com。

作物的發芽、出苗以及生長發育過程與環境中的溫度、水分關系密切。因此在環境季節變化鮮明的北方地區，往往要求作物的生產過程要與當地的物候期相吻合，以便確保安全生產。然而，隨著全球氣候的改變，北方地區氣候變化規律正在發生明顯的改變，生產季節階段性降溫、干旱的氣象災害時常發生，尤其在春季，低溫、干旱的氣象災害現象頻發，對作物的發芽、出苗及后期的生產管理產生了嚴重影響，已經成為近些年北方地區春季生產的最大障礙。因此，研究作物適宜出苗的土壤溫度和水分條件，并與野外土壤溫、濕度條件相結合，確定合適的播種時期，成為北方作物安全生產的重要課題。目前關于溫度和水分對作物生長發育影響的研究較多。李素玲等研究表明，在一定溫度范圍內，種子的發芽率與溫度呈正相關關系[1]。王立華等也證明了溫度與種子出苗過程之間存在極顯著的曲線函數關系[2]。王洪剛等發現，玉米出苗時間隨著溫度的增加呈縮短的趨勢[3]。姚永祥等研究了變溫條件對玉米種子發芽率的影響[4]。馬樹慶等通過田間試驗研究了水分和溫度對春玉米出苗速度和出苗率的影響[5]。王秋京等研究了不同土壤濕度對出苗率的影響[6]。劉明研究發現，水分脅迫條件下玉米的光合特性和形態指標均發生不同形式的改變[7]。從目前已有研究來看，更多的是針對單一作物對某種土壤的溫度與水分的需求特性，或單一種類土壤的溫、濕度對某種作物生長發育的影響，而一個地區往往具備多種類型的土壤類型和多種作物配置，且不同作物對不同土壤類型的溫、濕度要求也存在明顯不同，因此只有清晰認識到種植區所有作物類型對不同類型土壤溫度、濕度的需求，才能確保當地作物生產的安全性和有效性，而目前這方面的研究相對較少。吉林省春季氣溫較低，降水量小，土壤類型多樣，常導致玉米、大豆等作物出苗緩慢、出苗率和成苗率低，直接影響了作物的安全生產。因此，研究不同土壤類型的溫度與水分條件對于作物出苗的影響十分重要。本試驗以吉林省主導作物大豆和玉米為對象，研究不同土壤類型的溫、濕度對其出苗的影響。研究結果可為吉林省大豆、玉米的春播提供理論指導，為吉林省氣象災害預報提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

供試玉米品種為丹玉69號，大豆品種為吉育47號。供試土壤類型為吉林省各地區有代表性的耕地土壤，包括暗棕壤、黑土及鹽化黑鈣土等。采樣時考慮到春耕時的土壤翻地會將地表10 cm以下的土壤翻到種子播種層，影響種子發芽，因此在0～10 cm、10～20 cm 2個土壤耕作層取樣，并分別用于種子出苗試驗。具體土壤類型及來源信息見表1。

1.2試驗設計

試驗于2014年10—12月在延邊大學實驗室內進行。將上述各地采集的土壤風干后測定土壤含水量（質量分數）。取部分土壤按每盤0.5 kg分別裝入各試驗盤中。將供試大豆與玉米種子按覆土2 cm的標準分別均勻播種于試驗盤中，每盤播種10粒。播種后以基質土壤風干土的含水量為基礎，分別按土壤含水量15%、25%、35%、45%、55%、65%補足水分，并確保試驗盤中土壤濕度均勻，3次重復。補水完畢后用保鮮膜包好盤口，并在膜上分散扎5個細孔以便氣體交換和防止水分過快蒸發。播種后，各處理置于光照培養箱（LRH-250-G型）中25 ℃條件下恒溫培養。播種后每天09：00觀察記錄出苗情況，出苗結束后計算出苗率。以上述試驗篩選出的各類土壤最適宜出苗的含水量為基礎，進行大豆和玉米出苗適宜溫度選擇試驗。試驗以北方春季存在日溫差為依據，以3臺人工智能低溫培養箱（LRH-150CB型）分別模擬出3種溫度范圍，分別為 9～17 ℃、11～19 ℃、13～21 ℃，由于測定時間較長，土溫同氣溫。其中每種溫度范圍中低溫值每天持續12 h（模擬黑夜），隨后升溫至高溫值并持續12 h（模擬白天），24 h為1個變溫循環。將上述3種土壤篩選出的各類適宜含水量的0～10 cm耕層土壤播種盤分別置于3種溫度范圍的培養箱中，每個處理設置3次重復，覆土厚度及播種方式同上。每隔7 d補水1次，每2 d調查1次出苗情況，至最后不再出苗為止，計算出苗率。供試作物品種試驗前測定其發芽勢及發芽率。發芽勢=發芽試驗初期規定日期內發芽種子數/供試種子數×100%；發芽率=發芽試驗末期規定日期內正常發芽的種子數/供試種子數×100%。

1.3數據統計方法

采用Excel 2010進行數據處理統計與圖形制作，不同處理出苗率之間的差異性比較采用單因素方差分析法，數據間多重比較采用Duncans法。

2結果與分析

2.1發芽率及發芽勢

由表2可知，供試大豆、玉米材料平均發芽率分別達到97.5%、98.0%，平均發芽勢分別為94.0%、93.0%，供試作物種子質量可以滿足盆栽試驗播種的要求。

2.20～10 cm耕層土壤含水量對大豆、玉米出苗的影響

由表3可知，0～10 cm耕層不同土壤含水量對大豆、玉米出苗的影響明顯。3種土壤類型中，土壤含水量為15%、55%條件下，大豆、玉米均極少出苗甚至不出苗；在25%～45%含水量范圍內，3種土壤中播種的大豆、玉米均可出苗，但3種土壤類型不同水分含量助理的出苗率之間存在明顯的差異，且大豆與玉米最適宜出苗的土壤水分含量與齊苗時間也不同。對大豆而言，在25%～45%土壤含水量范圍內，所有土壤中播種的大豆出苗率均可在播種8 d后達到穩定。其中，暗棕壤含水量為35%時大豆的出苗率顯著高于含水量為25%的處理，且齊苗時間也提前2 d， 但當含水量增加到45%時，出苗率呈下降趨勢，且出苗時間延長。黑土中播種的大豆在土壤含水量為35%時的出苗率顯著高于含水量為25%和45%的處理，且25%土壤含水量處理下出苗效果也基本顯著優于含水量為45%的處理。鹽化黑鈣土中，土壤含水量為25%的處理出苗率基本顯著高于其他水分含量處理。可見，暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土3種土壤最適于大豆出苗的土壤含水量分別為35%、35%、25%，且在此含水量范圍內，大豆播種6 d后即可齊苗，比其他水分處理齊苗期提前約2 d。玉米種子在3種土類不同水分梯度下的出苗情況與大豆基本一致，其中，暗棕壤和黑土最適于玉米出苗的土壤含水量均為35%，鹽化黑鈣土中最適于玉米出苗的含水量為25%，但出苗最適土壤含水量條件下玉米的齊苗期比大豆晚2～4 d。

2.310～20 cm耕層土壤含水量對大豆和玉米出苗的影響

由表4可知，3種土壤類型10～20 cm層土壤的不同含水量對大豆和玉米出苗的影響與0～10 cm層土壤表現出較大的差異，整體上呈現隨著土層加深，適宜大豆、玉米出苗的含水量下降且適宜含水量范圍加寬的趨勢。其中，10～20 cm層暗棕壤和黑土在含水量為25%和35%條件下大豆的出苗率之間差異基本不顯著，但黑土土壤含水量在25%條件下，大豆出苗至齊苗時間間隔縮短，齊苗期比35%含水量條件下提前約 2 d；而鹽化黑鈣土最適出苗含水量與0～10 cm層土壤表現一致。玉米在3種土壤類型的不同水分含量條件下的出苗情況與大豆表現基本一致，暗棕壤與黑土在土壤水分含量為 25%～35%范圍內，玉米的出苗率之間差異不顯著，且最終出苗率均大于95%，而鹽化黑鈣土在25%土壤含水量條件下的玉米出苗率明顯高于其他水分梯度，玉米出苗的水分適宜范圍明顯比其余2種土壤窄。[FL）]

2.4不同土壤溫度對大豆出苗的影響

不同土壤溫度處理對大豆出苗率的影響差異較大，在適宜的土壤水分條件下，隨著土壤溫度升高大豆出苗率隨之提高（圖1）。在9～17 ℃溫度范圍內，3種土壤在適宜大豆出苗的水分范圍內，連續培養18 d時，大豆出苗率均低于20%，而培養36 d時，出苗率均低于60%。而在11～19 ℃范圍內，播種8 d后，大豆開始出苗，播種14 d后，大豆出苗已基本穩定，出苗至齊苗間隔為6～8 d；暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土等3種土壤中大豆最終出苗率分別為77%、73%、57%。當溫度在13～21 ℃范圍內時，3種土壤的大豆出苗日期均比11～19 ℃ 處理提前約2 d，且大豆的出苗率也明顯提高，其中，暗棕壤、黑土、鹽化黑鈣土最終出苗率分別為97%、90%、93%，分別比11～19 ℃處理提高了25.97%、23.29%、6316%（圖1）。

2.5不同土壤溫度對玉米出苗的影響

由圖2可知，在播種后20 d內，9～17 ℃處理下3種土壤中播種的玉米均未出苗，且在播種36 d后調查時，3個土壤玉米[CM（25]出苗率均低于40%。11～19 ℃處理的 3種土壤中玉米出苗所需時間為11～13 d，且出苗率明顯提高，3種土壤中玉米出苗率分別為53%、53%、43%。在13～21 ℃處理下，3種土壤中玉米出苗時間均提前約4 d，且出苗率明顯高于11～19 ℃處理，最終出苗率分別達到93%、90%、90%，與25 ℃最適含水量條件下的出苗率相近。由上述結果可見，大豆和玉米的出苗率與土壤溫度呈明顯的正相關關系，而在北方春季種植期，常以平均氣溫大于10 ℃作為大豆和玉米播種期標準，這種標準的界限十分模糊且不科學，因為氣溫的日變化幅度明顯大于地溫，且春季白天氣溫較播種層的地溫高，而夜間又低于地溫，常導致大豆和玉米播種過早，由此導致二者播種后出苗時間長且出苗率偏低。

3討論與結論

作物的種子萌發、出苗及生長發育與土壤水分狀況密切相關，土壤水分過少時作物種子或根系吸水困難，導致生長停滯或植物器官萎蔫，而水分過多時則會造成厭氧過程的發生，抑制作物的生長。本研究中，3種土壤在15%或55%的水分狀況下，大豆和玉米的出苗率極低或不能出苗。分析認為，3種土壤均為壤土，土壤質地適中，具有較好的水分保持能力，當土壤含水量≤15%時，由于土粒及礦物的強吸附能力，使土壤水勢低，玉米和大豆種子極難從土壤中吸取足夠的自由水分，導致發芽困難；而當土壤含水量≥55%時，3種供試土壤中過多水分占據土壤中的各級孔隙，導致土壤氣相與液相比例失調，土壤中氧氣含量低而造成種子有氧呼吸困難，進而引起出苗率下降，而在土壤含水量為25%～45%條件下，3種土壤才能表現出較好的出苗勢。此外，暗棕壤、黑土和鹽化黑鈣土因質地結構的差異，在最適出苗含水量方面表現出一定的差異。其中，暗棕壤和黑土0～10 cm層土壤最適宜出苗土壤含水量均為35%，10～20 cm層土壤含水量均為25%；而鹽化黑鈣土0～10 cm層與10～20 cm層土壤最適宜出苗含水量均為25%。分析認為，由于采于吉林省東部地區的暗棕壤和中部地區的黑土的有機質含量較高，調節了土壤的團聚體結構和吸水性，使得土壤在較高含水量條件下，土壤的氣相與液相比例仍能得到較好的平衡，因此0～10 cm層土壤在35%含水量條件下較適于2種作物的出苗，而采于吉林省西部地區的鹽化黑鈣土，其土壤有機質含量低，質地較為細膩，黏粒比例大，土壤毛管孔隙比例大，對自由水保持能力強，在較低的含水量（25%）條件下，也能滿足種子正常出苗需水量的要求。正是基于上述原因，暗棕壤和黑土的10～20 cm層土壤比0～10 cm層土壤質地黏重，也造成最適出苗含水量均較 0～10 cm層低。

溫度是作物生長發育的另一個重要影響因子。作物在生理最適宜溫度條件下生長發育最好[8]。因此對溫度影響玉米與大豆出苗及苗期發育的報道較多，然而，多數研究對溫度的控制常用恒溫處理或平均溫度處理法[9-10]。本試驗以日較差法及作物生長溫度下限控制而獲得的研究結果與其他研究有所不同。本研究表明，玉米和大豆在日均溫13 ℃條件下（即9～17 ℃處理），室內培養36 d后，其出苗率仍低于60%，大豆和玉米的生理學發芽下限溫度為8～10 ℃[11]，而土壤均溫明顯高于生物學下限溫度，仍不能保證大豆與玉米的正常出苗。而當下限溫度提高2 ℃達到11 ℃時，即平均溫度達15 ℃（即11～19 ℃處理）后，大豆培養14 d后，出苗率可達69%，鹽化黑鈣土玉米培養16 d后出苗率低于50%，但仍未達到安全出苗。當低限溫度調整到13 ℃，平均溫度提高到17 ℃（即13～21 ℃處理）時，所有土壤中大豆和玉米出苗率均大于90%。上述結果表明，在長期低溫條件下，玉米和大豆的出苗受最低溫度的控制，而在較高溫度條件下，二者的出苗受積溫控制。陳傳曉在研究不同積溫帶春玉米碳代謝機制及化學調控效應的過程中，也得出相似結果[12]。由此可見，北方春季大豆和玉米播種時期的選擇不應以平均氣溫或平均地溫穩定通過作物生長下限溫度為標準，而應以土壤或空氣的最低與平均溫度綜合來評價。本試驗的結果是在室內模擬培養條件下獲得的，其試驗的環境因子與播種時覆土的厚度與實際生產還存在較大的差異，因此獲得的結果在生產上的應用尚須進一步驗證。

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