增溫對寧夏引黃灌區大豆氮磷鉀養分吸收利用和產量的影響

史云云 張峰舉 許興 肖國舉

摘要 為了探索氣候變化對寧夏引黃灌區大豆氮磷鉀養分吸收利用和產量的影響，利用田間大氣自動增溫設備研究不同增溫處理（0、0.5、1.0、1.5、2.0 ℃）下大豆不同生育期植株干重、不同器官氮磷鉀含量、植株累積量和產量等。結果表明，增溫0～2.0 ℃有利于大豆干物質累積、提高不同器官氮磷鉀含量和植株累積量;大豆百粒重隨著增溫梯度的增加而增加，但是單株結莢數量隨著增溫梯度的增加而顯著降低，最終導致大豆產量、收獲系數和氮磷鉀利用效率降低。

關鍵詞 增溫;大豆;氮;磷;鉀;產量

中圖分類號 S-565.1? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）11-0032-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.010

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Temperature Increase on Nitrogen，Phosphorus and Potassium Nutrient Uptake and Yield of Soybean in the Ningxia Yellow River Irrigation Area

SHI Yun-yun1，ZHANG Feng-ju2，XU Xing1? et al

（1.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Ecology Environment，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract In order to explore the impact of climate change on the absorption and utilization of soybean nitrogen，phosphorus，and potassium nutrients and yield in the Ningxia Yellow River Diversion Irrigation Area，the field atmospheric automatic heating equipment was used to study plant dry weight at different growth stages，nitrogen，phosphorus and potassium content in different organs，plant accumulation and yield under different temperature increasing treatments （0，0.5，1.0，1.5，2.0 ℃）.The results showed that increasing the temperature from 0 to 2.0 ℃ was beneficial to the accumulation of dry matter in soybean，increasing the content of nitrogen，phosphorus and potassium in different organs and the accumulation of plants; the 100-grain weight of soybeans increased with the increasing temperature gradient，but the number of pods per plant significantly decreased with the increase of temperature gradient，and ultimately resulted in lower soybean yield，harvest coefficient and nitrogen，phosphorus and potassium utilization efficiency.

Key words Warming;Soybean;Nitrogen;Phosphorus;Potassium;Yield

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出，1983—2012年30年間全球幾乎所有地區都經歷了升溫過程，綜合多模式多排放情景模型預測21世紀全球平均氣溫增幅比1850—1900年可能超過1.5至2.0 ℃，并且升溫過程不會在2100年終止[1]。氣候變暖的影響從自然災害到生物鏈斷裂，涉及人類生存的各個方面，人們已切身感受到高溫、水資源短缺、干旱蔓延、荒漠化加劇、生物物候異常、農作物減產等氣候變暖引發的不利影響[2]。鑒于氣候變暖為主的全球氣候變化帶給人類社會的重大影響，氣候變暖對農業生產、農業生態的影響已成為科學界關注的熱點[2]。

溫度作為調控作物生長發育的關鍵環境因素之一，氣候變暖對農作物的生長發育及產量形成具有重要影響。大豆是喜溫而又較耐冷涼的作物，其生長對溫度變化較為敏感。曲霞[3]通過人工氣候箱研究發現，短期高溫處理使大豆株高、干物質重、單株莢數、單株粒數、單株粒重等降低;Tacarindua等[4]用溫度梯度室模擬大氣增溫，發現大豆干物質、莢果、籽粒數及其生長率隨溫度的升高明顯降低;楚岱蔚[5]研究發現，夜間增溫使大豆全生育期內植株生物量、產量及產量構成因素減小，分枝期和開花期，N素積累量分別下降30%和20%，P素累積量平均下降39%，K素累積量分別下降18%和17%;通過被動式增溫系統研究發現，夜間增溫使長江中下游地區大豆生物量、N、P養分積累顯著下降、籽粒產量下降25%[6]。然而，也有研究發現，增溫可增加大豆對N素的吸收，使大豆生物量增加從而提高產量[7-8]。這種增溫對大豆生長發育、養分吸收規律影響的不一致說明大豆生產對氣候變暖的響應受到種植區域、試驗方法等因素的影響，需要在更多的地域展開氣候變暖對大豆生長發育的影響研究。

目前，關于氣候變暖對寧夏引黃灌區大豆養分吸收利用的影響研究尚未見報道。該研究針對寧夏引黃灌區大豆N、P、K養分吸收及產量如何響應氣候變暖這一問題，采用遠紅外輻射器模擬大氣增溫試驗方法，開展模擬冠層大氣梯度增溫對大豆不同生育期氮磷鉀營養元素含量、干物質積累以及產量構成要素的影響，分析梯度增溫下大豆氮磷鉀營養元素吸收、物質積累和產量形成規律，探討氣候變暖對寧夏引黃灌區大豆生產的影響，為區域大豆生產及氣候變化適應對策制定提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況 試驗地選在寧夏石嘴山市平羅縣前進農場寧夏大學鹽堿地改良實驗站，位于106.22°～106.43°E，38.75°～38.92°N，平均海拔1 100 m，屬于溫帶半干旱非季風性氣候，全年日照時間長，晝夜溫差較大，年平均氣溫9 ℃;干旱少雨，年均降水量約185 mm，主要集中在每年的7—9月;蒸發強烈，年均蒸發量1 825 mm[9]。該地區的土壤類型為龜裂堿土，堿化度高（>15%），鹽化程度低，土壤透水透氣性差。供試為改良10年的龜裂堿土，田間試驗開始前0～20 cm土層容重為1.59 g/cm，土壤黏粒、砂粒和粉粒的質量分數為1.18%、5.12%和93.70%，pH為8.60，其他理化性狀如下：全氮710.00 mg/kg、全磷580.00 mg/kg、速效磷18.09 mg/kg、堿解氮33.40 mg/kg、速效鉀247.0 mg/kg、有機質12.53 g/kg。

1.2 試驗設計 依據《巴黎協定》對21世紀末全球氣溫升高控制在2.0 ℃以內為目標，以實時大氣溫度為參照，設計冠層大氣增溫0、0.5、1.0、1.5、2.0? ℃ 5個試驗處理，每處理3次重復。

1.3 試驗方法 大氣增溫采用課題組設計的智能控溫裝置增溫冠層的方法。智能控溫裝置由額定功率3 000 W的遠紅外電暖器（青島宇坤電熱電器有限公司賽陽 AFS-F6-30D）、可控硅電子調壓器（上海穩孚電器有限公司）、智能溫度控制器和支架等組成。遠紅外電暖器長1.80 m、寬0.15 m，通過曲面散熱片以不發光的遠紅外線形式輻射熱，平行地面2.20 m上方懸掛可在地面形成一個2.5 m×3.0 m的均勻加熱區。智能溫度控制器是控溫核心，由單片機和溫度傳感器組連接組成，單片機內置自編程序，溫度傳感器組中的一個傳感器感知周圍大氣環境溫度，另一個傳感器感知試驗處理小區大氣環境溫度。遠紅外電暖器通過支架懸掛于平行地面2.20 m處，交流電通過可控硅電子調壓器輸入遠紅外電暖器，智能溫度控制器與可控硅電子調壓器連接。智能溫度控制器中的單片機內置程序每30 s實時探知一次小區溫度和環境溫度的差值，當溫度差值未達到設定增溫值時，單片機通過軟件發送指令給可控硅電壓調節器，可控硅電子調壓器通過控制輸送給遠紅外電暖器的電壓而控制遠紅外電暖器功率，實現增溫智能化控制。自2019年3月20日至2019年9月28日，全天24 h連續增溫。

通過各小區內溫度自動監測裝置記錄的數據可以得出（圖1），大豆全生育期內，設計增溫0.5、1.0、1.5、2.0? ℃的試驗小區實際每天平均冠層增溫為（0.50±0.08）℃、（1.0±0.10）℃、（1.5±0.17）℃、（2.0±0.20）℃，達到了試驗設計的增溫值。

田間試驗每小區長5 m，寬4 m，面積20 m2 ，垂直小區長邊方向安裝一套設定某一增溫值的智能控溫裝置，小區四周用高1m的厚質塑料薄膜包圍，防止小區間水肥運動和動物采食。小區間設置1 m寬的過道，試驗地四周設置5 m寬的保護區。供試大豆品種為寧夏引黃灌區廣泛種植的承豆6號。

2019年4月7日開展田間試驗，人工穴播，每穴3粒種子，種植密度為21萬株/hm2。出苗后每穴只留1株定苗。大豆苗期人工條施磷酸氫二銨357.6 kg/hm2，全生育期灌水4次，每次120 m3，漫灌，其他田間管理同當地常規方法。

1.4 測定項目與方法 記錄各處理大豆進入各生育期的時間，并于分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期進行樣品的采集。在每個小區中間隨機選取3株，整株帶回實驗室，用蒸餾水沖洗干凈，將大豆根、莖、葉、莢（結莢期開始）分開置于烘箱中105 ℃殺青30 min，后轉至80 ℃烘干至恒重，用于測定大豆各器官 N、P、K養分含量和各時期干物質重。大豆收獲時進行樣方測產及室內考種。

大豆干物質重參考《植物生理學實驗指導書》[10]進行測定;產量及各器官N、P、K養分含量參考《土壤農化分析》[11]進行測定和計算。主要公式如下：

（1）植株各組織N（P、K）含量（%）：N（P、K）=ρ·V·ts·10-4/m。

式中，ρ為從標準曲線查得顯色液的質量濃度（μg/mL）; V為顯色液體積（mL）;ts為分取倍數，消煮液定容體積（mL）÷吸取消煮液體積（mL）; m為干樣品質量（g）。

（2）大豆各器官N（P、K）累積吸收量（kg/hm2）= 器官干物重（kg/hm2）×相應器官的N（P、K）含量（%）。

（3）大豆植株N（P、K）累積量（kg/hm2）=∑各器官N（P、K）累積量。

（4）收獲指數= 大豆產量（kg/hm2）÷地上部植株生物量（kg/hm2）。

（5）N（P、K）利用效率= 大豆產量（kg/hm2）÷植株N（P、K）累積量（kg/hm2）。

1.5 數據處理與分析 用Excel 2007對數據進行整理，用SPSS 24進行單因素方差分析，處理間用LSD法進行多重比較，用Origin Pro 8進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 增溫對大豆各生育期植株干重的影響 干物質累積量直接反映大豆發育的健壯程度。由圖2可看出，增溫0～2.0 ℃條件下，大豆各器官干物質重均呈上升趨勢，在分枝期，增溫1.0 ℃處理下，大豆向莖稈中的累積量最多;開花期，各增溫處理間，大豆干物質向各器官累積趨勢相同;結莢期，增溫0.5和增溫1.5 ℃時，大豆干物質向豆莢中累積較多;鼓粒期，干物質向莢果中累積量逐漸增多，這一時期，各增溫處理下，莢果中的干物質累積量分別占總量的比例為19.24%、19.60%、16.40%、16.03%、14.42%;成熟期，大豆各營養器官干物質累積量逐漸減少，以葉片干物質減少最快，營養物質流向結實器官，其中，CK營養器官干物質減少4267%，莢果干物質累積量增加68.84%，增溫0.5、1.0、1.5和2.0? ℃莢果干物質累積量分別增加56.54%、5743%、5751%、60.37%，在大豆生長發育后期，隨著增溫梯度的增大，與CK相比，根系和莖稈中干物質累積量占比越多。

2.2 增溫對大豆不同生育期不同器官N、P、K含量的影響 由圖3可知，大豆根系、莖和莢果中的N、P含量在各生育期變化趨勢一致，葉片中的N元素含量在開花期達到最大，后隨著發育進程推進逐漸降低;葉片中的P元素含量在分枝到開花期上升，結莢到鼓粒期降低，在成熟期葉片N、P含量均降到最低。根系中的K元素含量隨植株生長逐漸下降;莖和葉片中的K含量在分枝到鼓粒期降低，成熟期升高，莢果中K含量在鼓粒期最低，結莢期和成熟期含量較高。

對比大豆同一生育期不同增溫處理間各器官N、P、K含量的變化，可以得出：增溫0～2.0 ℃有利于提高大豆各器官N、P、K含量，但大豆各器官N、P、K含量隨增溫梯度和增溫時間變化而存在差異，增溫情況下N、P、K吸收利用規律不同。分枝期增溫0.5～2.0 ℃，大豆根系中N、P、K含量分別較CK增加54.5%～90.9%、18.2%～54.5%、36.1%～1557%，莖中N、P、K含量分別較CK增加58.8%～288.2%、0～91.7%、10%～63.2%，葉片中N、P、K含量分別較CK增加11.7%～90.9%、29.2%～104.2%、8.7%～25.1%;成熟期增溫0.5～2.0 ℃，大豆根系、莖稈、葉片和豆莢中N、P、K含量均顯著高于CK。

2.3 增溫對大豆不同生育期植株N、P、K累積吸收量和吸收比例的影響 不同增溫處理下大豆植株各生育期對N、P、K累積吸收量的變化趨勢如表1所示。N元素累積吸收量在分枝開花期呈上升趨勢，結莢鼓粒期開始下降，成熟期又開始上升;P元素累積吸收量隨大豆生長呈上升趨勢;K元素在鼓粒期出現短暫下降。分枝期是大豆植株N、P、K元素累積吸收最快的時期，增溫0～2.0 ℃，N元素的累積吸收量占總吸收量的百分比分別為71.11%、59.50%、53.58%、48.73%、50.49%;P元素的累積吸收量占總吸收量的百分比分別為22.78%、15.22%、19.23%、17.35%、14.55%，K元素的累積吸收量占總吸收量的百分比分別為38.38%、48.61%、51.33%、46.96%、38.49%。分枝期各增溫處理下大豆對N素累積吸收量的大小順序為+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+05 ℃>CK;開花期大豆對P素累積吸收量的大小順序為+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>CK>+0.5 ℃;結莢期大豆對P素累積吸收量的大小順序為+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK;其他生育期增溫處理下大豆對N、P、K累積吸收量的大小順序均為+2.0 ℃>+1.5 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK。

大豆植株對N、P、K的吸收比例范圍為1.00∶（0.13～061）∶（1.16～2.74）。分枝～開花期大豆植株的N∶P∶K比值逐漸降低，開花期后又明顯增加，開花期大豆植株的N∶P∶K比值最小;隨著增溫梯度的增加，大豆植株N∶P∶K的比值逐漸減小，其中N∶K降幅最大。

2.4 增溫對大豆產量及產量構成因素的影響 圖4表明，增溫幅度越大，大豆結莢數、產量和收獲指數下降越明顯，增溫0.5、1.0、1.5和2.0? ℃大豆結莢數分別較CK下降667%、12.5%、18.7%和21.8%;百粒重隨增溫幅度加大而增大，增溫0.5、1.0、1.5和2.0? ℃分別較CK增加1.3%、44%、4.7%和8.4%，產量較CK分別降低6.59%、8.40%、15.82%和13.82%，增溫0.5、1.0、1.5和2.0? ℃使大豆收獲指數分別較CK降低11.93%、21.26%、30.04%和36.90%，且處理間差異顯著。

2.5 增溫對大豆養分利用效率的影響 由圖5可知，隨著增溫梯度的增加，大豆對N、P、K的養分利用效率均呈下降趨勢。CK對N元素的利用效率為36.46，增溫0.5～2.0 ℃處理N元素的利用效率分別比CK下降18.79%、30.69%、42.31%、53.46%;CK對P元素的利用效率為90.17，增溫05～2.0 ℃處理對P元素的利用效率分別比CK下降1938%、23.59%、39.93%、49.96%;CK對K元素的利用效率為2354，增溫0.5～2.0 ℃處理對K元素的利用效率分別比CK下降17.75%、25.48%、41.44%、49.52%。

3 討論

3.1 增溫對大豆植株氮磷鉀含量和累積量的影響 N元素對大豆光合作用、產量和品質形成影響最大[12]，P元素對光合生理和物質運移有顯著影響[13]，K元素與N、P元素配合可加快物質轉化，促進含氮化合物和碳水化合物進一步向籽粒中運移，提高產量[14]。現有研究表明，隨著大豆生育期的推進，大豆各器官N元素和K元素含量的變化，除籽粒呈上升趨勢外，其他器官均呈下降趨勢[12，15]，結莢期后，營養器官中的P元素含量開始降低，莢果中的P元素含量不斷增加[16]。大豆全生育期內N、K元素累積量呈“S”形增長曲線[16 -17]，N、P、K均是移動性較大的元素，在各器官的分配隨著生長中心的改變而變化[16]。該研究結果顯示，K、P元素含量變化趨勢與上述結論一致，CK和處理組大豆各器官K含量均在生長前期達到最大，后隨著生長發育的推進含量逐漸下降，結莢期后葉片中的P元素含量迅速降低，根系和莖稈中的P元素含量變化速率則相對緩慢;而各器官中N元素含量在開花期達到最大，隨后開始下降，成熟期達到最小，這是因為寧夏引黃灌區的土壤大部分存在不同程度的鹽堿化，使得大豆根瘤形成的時間較晚[18-19]，根瘤里面的根瘤菌可通過共生結瘤固氮作用為大豆提供N元素營養，在開花期前大豆主要吸收土壤、肥料氮和根瘤固氮[20]，所以，大豆根瘤越晚形成，對N元素吸收利用影響就越大。大豆生育前期主要以營養生長為主，N元素主要累積在葉片中，K元素主要累積在莖稈中，P元素在葉片和莖稈中的累積量幾乎相等，因此，N、P、K分配在營養器官中的比例相對較高;生育后期則主要以生殖生長為主，生長中心轉變為結實器官，營養元素主要向莢果中轉移，籽粒中N、P、K累積量增加，一方面是根系直接吸收養分向籽粒分配，另一方面大豆營養器官中累積的元素可以重新分配到籽粒中[21-23]。大豆植株P元素的累積量隨大豆生長呈上升趨勢，而植株N、K元素累積量在鼓粒期出現短暫下降，其原因是K元素的移動性很大，不同時期K元素含量時高時低，開花期后大豆主要利用根瘤菌固N[24]，K元素能提高固氮酶和硝酸還原酶的活性，提高大豆體內N素的轉化和根瘤菌固定游離N元素的能力，促進根瘤的固N效率[20]，所以生長后期大豆植株體內K和N元素累積量同步變化。

除營養元素外，溫度也是影響大豆生長發育的主要因素，溫度升高會影響大豆對營養元素的吸收利用[3，5-6，8]。該研究結果表明，增溫0～2.0? ℃有利于大豆生長前期和后期各器官N、P、K元素含量的增加（尤其是生長旺盛的器官，如莖、葉），但在夏季溫度較高的時段，由增溫產生的各器官N、P、K元素含量變化差異并不顯著; N、P、K在植株中的累積量隨增溫梯度的增大而增大;不同生育階段，大豆植株內均是K元素累積量最大，N元素次之，P元素最小，這與魏建軍等[25]對新大豆1號品種的研究結果一致;大豆N、P、K累積吸收比例會因品種、土壤狀況、施肥量和管理措施而發生改變[25]，隨著生育期的推進和增溫梯度的加大，該研究的供試品種承豆6號N∶K的吸收比例逐漸降低，N∶P的吸收比例逐漸增加，因此，建議播種時施足量的K肥，后期追施適當量的P肥。

3.2 增溫對大豆產量和養分利用效率的影響 大豆干物質累積量是衡量N、P、K吸收的關鍵指標之一，隨著生育期推進，干物質的累積量與N素累積量的正相關性逐漸增加，與P、K元素累積量之間的相關性呈倒“S”形[26]，而干物質累積量與植株體內N、P、K含量呈負相關[13];產量與干物質累積量呈顯著正相關[26]。大豆是喜溫作物，分枝期—開花期、開花期—結莢期、結莢期—鼓粒期、鼓粒期—成熟期的適生溫度范圍分別為14.0～32、16～32、13～30.5、10～30? ℃，最適生長溫度分別為27、25、24、18? ℃[27-28]。大豆開花期白天溫度升高至28～31 ℃會使干物質累積量和產量降低[3]，但研究發現對大豆全生育期內進行對稱性增溫（晝夜均比CK升高3? ℃;CK，晝26? ℃夜16? ℃）則使干物質累積增加，且對產量影響不顯著[7]。該研究中，增溫0～2.0? ℃大豆在分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期的平均溫度分別為20.05～2143、22.55～23.09、21.10～21.94、21.01～22.31 、17.11～20.82? ℃，均略低于大豆的最適生長溫度。大豆在分枝期生長旺盛，干物質累積速度最快，增溫對其累積速度產生明顯促進作用;分枝期后，大豆干物質累積速率降低，但仍是增溫梯度越大，干物質累積量越大，表明在寧夏引黃灌區溫度升高0～2.0? ℃有利于大豆干物質累積。但對冠層增溫會使大豆單株結莢數降低，空莢數量增加[6]，各增溫處理下，大豆百粒重增加的正效應不抵結莢數減少的負效應;所以，增溫最終使大豆產量和收獲指數降低。而引起大豆單株結莢數降低和空莢數量增加的主要原因是增溫會影響花粉的正常發育，導致花粉活力和萌發力降低，不利于授粉受精過程，導致結實率下降;增溫還會使大豆掉花率增高，降低開花總數[29]，從而致使大豆徒長，產量下降，這一點也可以從增溫促進大豆不同生育期各器官N、P、K含量以及植株累積吸收量上得到驗證。養分利用效率是由產量和養分吸收量計算的結果，由于增溫降低了大豆產量，增加了養分的累積吸收量，所以，增溫最終導致大豆對N、P、K的利用效率呈下降趨勢。

綜合增溫對大豆干物質累積、產量和養分利用的影響，可以得出，溫度升高有利于大豆的營養生長，雖然營養生長作為生殖生長的基礎，但最終卻導致大豆有效結莢數量減少，產量降低。因此，為應對氣候變化對寧夏引黃灌區大豆生長的影響，建議引進種植生育期短、較耐高溫的大豆品種。該研究設計的是對稱性增溫，但氣候變化在不同季節、不同空間的增溫效應不同[30]。此外，影響大豆生長的營養元素種類多樣，彼此交互，最終對大豆生長發育產生一個綜合效應。因此，在后續試驗中將展開根據試驗區的實際情況設計更加貼近當地氣候變化趨勢的研究，再擴充更多營養元素，挖掘更深層次的研究內容。

4 結論

在寧夏引黃灌區，增溫0～2.0 ℃，使大豆百粒重增加，但導致有效結莢數量減少，最終導致產量和收獲指數降低。增溫有利于大豆各器官和植株N、P、K含量及累積量的增加，但增溫梯度越大，導致生殖生長階段N、P、K更多地滯留在根系和莖稈中，從而在結實器官中的分配比例降低，造成植株徒長，使N、P、K肥利用效率降低。綜上所述，未來全球氣候變暖將不利于該地區大豆生長。

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