增溫對不同土壤上冬小麥保護酶活性的影響

金麗惠，馮茜，潘仕球，苗淑杰，喬云發*

（1.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2.桂林市氣象局，廣西 桂林 541001）

全球變暖背景下，溫度升高已成為作物生長過程中的重要非生物脅迫因子之一[1]，將對全球范圍內的農作物生長發育、產量形成和糧食安全產生直接影響[2-3]。研究表明，全球變暖減少了我國東北區作物高產穩產面積[4]，削弱了作物抗寒和抗病能力[5]。Juroszek等[6]對氣候變化驅動下的作物病害風險模擬發現，溫度升高使得小麥患葉銹病的風險大幅提高。冬小麥作為我國的三大糧食作物之一，具有重要地位。因此，研究冬小麥生長發育對溫度升高的適應性響應，對在全球變暖背景下指導冬小麥生產具有重要意義。

我國冬小麥種植面積大、范圍廣，從寒溫帶逐步過渡到溫帶、亞熱帶和熱帶地區[7]。我國北部冬麥區、長江中下游冬麥區、西南冬麥區和華南冬麥區的冬小麥生長、物候、產量對氣候變暖均有不同響應[8-11]。例如，增溫既有提高華北平原壤質潮土和長江中下游地區棕壤上小麥生理活性、延緩衰老并增加產量的正效應[12-13]，也有加速上述兩地區褐土和黃棕壤上生長的小麥功能葉片衰老、影響干物質分配、造成減產的負效應[14-16]。由此可見，增溫對冬小麥葉片生理活性及產量的影響存有爭議，這種不確定性是不同麥區的農業氣候資源和土壤類型的差異所致[17-18]。當前氣候變暖情境下，冬春季的增溫幅度較夏秋季高[19]。冬小麥屬于喜涼作物，全生育期歷經冬春兩季，常在秋末冬初播種，春季正是營養生長關鍵期，小麥葉片生理特性對增溫的響應會影響其發育和衰老進程，進而影響產量。研究發現：花后8~10 d 增溫導致小麥旗葉超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性明顯上升[20]；灌漿期小麥葉片SOD、過氧化物酶（POD）和CAT 活性在高溫處理下很快被誘導增強，以清除體內活性氧[21]；早春時期增溫提高了SOD 和POD 活性，降低了旗葉丙二醛（MDA）含量[22]；小麥揚花后期高溫處理降低了葉片SOD 和POD 活性，生理功能明顯衰退[23]。不同地區冬小麥生長對溫度升高的響應差異，可能還受光照、降水等其他氣象因子的調控，因此有必要在相同氣候條件下，進行不同類型土壤上生長的小麥適應增溫的生理效應研究。

目前，關于增溫對冬小麥葉片保護酶及產量的影響研究多集中于原位氣候區，但這些研究無法排除其他氣候因子差異的影響。前人在水熱條件和土壤性質對農田土壤硝化作用的影響研究[24]以及不同氣候和土壤條件下玉米產量的預測研究中[25]，將不同類型土壤移位至同一地區進行試驗，排除了除溫度以外的其他氣候因子。因此本研究也采用空間移位法[26]，將東北地區的黑龍江黑土與華南地區的海南磚紅壤移至江蘇南京，同時與江蘇南京黃棕壤進行對比試驗，利用開放式增溫裝置模擬大氣增溫1.5 ℃，分析小麥葉片在營養和生殖階段的葉綠素含量、保護酶系統的變化以及產量及其構成因子的差異，以期為當前氣候變暖背景下的小麥生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2021年11月至2022年5月在南京信息工程大學農業氣象試驗站（32.16°N，118.86°E）進行，該區域地處北亞熱帶季風氣候區，四季分明，雨水充沛，年均氣溫為15.5 ℃，多年平均降水量為1 019.5 mm。

1.2 植物材料及處理

供試冬小麥品種為“鎮麥168”，于2021年11月11日播種，播種密度為每框5穴，每穴3粒。肥料施用按照當地常規施肥量，包括尿素0.35 g·pot-1，磷酸氫二銨3.5 g·pot-1，硫酸鉀1 g·pot-1，在苗期每框選定長勢一致的5株保留，田間雜草用手拔出，正常田間管理。2022年5月14日成熟收獲，分析產量及其構成參數。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區框栽試驗設計，主區為對照（常溫，CK）和增溫（1.5 ℃，eT）兩個處理，處理間設置5 m 保護行。其中，增溫處理小區采用開放式增溫系統（Free Air Temperature Increase，FATI）對冬小麥進行全生育期增溫，紅外輻射加熱器（165 cm×15 cm，MR-2420，美國）高度保持在小麥冠層上方50 cm 處，并隨小麥生長調整裝置高度。同時用溫濕度記錄儀（L92-1+型）監測兩種處理小麥冠層的每小時溫度，生育期內冠層日均氣溫變化如圖1所示。

圖1 全生育期冬小麥冠層日均氣溫變化Figure 1 Variation of daily average temperature of winter wheat canopy during whole growth period

副區為3 種典型農田土壤，分別為華東地區江蘇黃棕壤（Ybs，32°13' N，118°43' E）、東北地區黑龍江黑土（Bls，47°26' N，126°38' E）和華南地區海南磚紅壤（Las，19°10' N，108°57' E），其中黑龍江黑土和海南磚紅壤于2017年6月從各原位區域取原狀土，取土深度為50 cm，供試土壤基礎參數如表1 所示。框栽采用PVC 材質無底圓柱（直徑33 cm，深度50 cm）。每個處理3次重復，隨機排列。

表1 供試土壤理化性質Table 1 The physical and chemical properties of soil in different areas

1.4 測定項目與方法

小麥于成熟后收獲，帶回室內測定株高，調查單穗粒數、有效穗數、千粒質量以及每盆產量[27]。

在冬小麥拔節期和開花期分別選取小麥旗葉樣品，利用SPAD-502 型葉綠素測定儀測定葉綠素含量（SPAD），參考孔祥生等[28]的方法測定丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性，參考李合生[29]的方法測定過氧化物酶（POD）活性和過氧化氫酶（CAT）活性。

1.5 數據分析與處理

采用Excel 2019 進行數據處理，JMP 10.0 進行雙因素方差分析（Two-way ANOVA），比較在0.05水平上不同處理間的顯著性差異。對各生理指標和產量之間進行Pearson相關性分析。利用Origin 2018繪圖。

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2 結果與分析

2.1 增溫對不同類型土壤中生長的冬小麥產量的影響

增溫對不同類型土壤中生長的冬小麥產量及其構成因素均產生了影響（表2）。在常溫條件下，生長在黃棕壤中的小麥株高、有效穗數和千粒質量在3種土壤中最高，其中，株高和有效穗數均與磚紅壤中的小麥存在顯著差異（P<0.05），千粒質量與黑土上的小麥差異顯著。磚紅壤上生長的小麥產量分別較黃棕壤和黑土低31.96%和34.45%（P<0.05）。與常溫條件相比，增溫處理下黃棕壤、黑土和磚紅壤上的小麥株高分別降低了10.8%、5.84%和12.55%（P<0.05），黃棕壤和黑土上小麥單穗粒數分別降低10.22%和4.43%（P<0.05），3種土壤上小麥的有效穗數均未見顯著差異，千粒質量在黃棕壤和磚紅壤上表現為顯著降低。最終，黃棕壤和黑土上生長的小麥對增溫表現出顯著減產，磚紅壤無顯著響應，其中黃棕壤減產幅度最大。綜上所述，不同土壤類型上的小麥產量構成均對增溫產生了響應，且響應程度有所不同。

表2 增溫對不同類型土壤中小麥產量構成的影響Table 2 Effects of warming on yield composition of wheat in different soil types

2.2 增溫對不同類型土壤中生長的小麥葉片葉綠素含量（SPAD）的影響

從圖2 可以看出，與常溫處理相比，增溫顯著降低了小麥葉片葉綠素含量，且不同土壤類型間存在差異（P<0.05）。拔節期，在黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥的SPAD 值表現為增溫處理較對照分別下降12.74%、18.33%和14.42%。對3 種類型土壤上小麥的SPAD 值進行比較可知，常溫條件下，黑土顯著高于黃棕壤（P<0.05），磚紅壤與另外兩種土壤均未達到顯著差異；增溫條件下，3 種土壤上小麥葉片SPAD值之間均無顯著差異。開花期，黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片的SPAD 值表現為增溫處理較對照分別下降了9.51%、19.03%和4.60%。3 種土壤類型進行對比可知，常溫條件下表現為磚紅壤>黑土>黃棕壤（P<0.05），增溫條件下黃棕壤和黑土上生長的小麥葉片SPAD 值無顯著差異，但較磚紅壤分別降低了19.24%和21.25%。

圖2 增溫對不同類型土壤中小麥拔節期和開花期SPAD值的影響Figure 2 Effects of warming on SPAD values of wheat at jointing and flowering stages in different soil types

2.3 增溫對不同類型土壤中生長的小麥葉片保護酶活性的影響

2.3.1 丙二醛（MDA）含量

與常溫對照相比，增溫顯著降低了拔節期小麥葉片MDA 含量，而顯著增加了開花期小麥葉片MDA 含量（P<0.05，圖3）。在拔節期，黃棕壤和磚紅壤上生長的小麥MDA 含量表現為增溫處理較對照分別下降了11.40%和28.76%，而黑土對增溫響應不顯著。3種類型土壤上的小麥葉片MDA 含量進行比較可知：在常溫條件下，MDA含量表現為磚紅壤>黃棕壤>黑土（P<0.05）；增溫條件下，黃棕壤和黑土上生長的小麥葉片MDA 含量無顯著差異，但分別較磚紅壤增加了12.82%和12.45%（P<0.05）。在開花期，增溫處理下黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片MDA 含量較對照分別升高了10.59%、14.83%和13.72%。3 種土壤類型進行對比可知：常溫條件下，MDA 含量表現為磚紅壤>黃棕壤>黑土（P<0.05）；增溫處理下，磚紅壤上生長的小麥葉片MDA 分別顯著高于黃棕壤和黑土12.13%和13.53%（P<0.05）。

圖3 增溫對不同類型土壤中小麥拔節期和開花期MDA含量的影響Figure 3 Effects of warming on MDA content of wheat at jointing and flowering stages in different soil types

2.3.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性

由圖4 可見，與常溫對照相比，增溫對拔節期和開花期小麥葉片SOD 活性的影響不同（P<0.05）。拔節期增溫處理使黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片SOD 活性分別下降了29.63%、36.04%和5.37%。3 種類型土壤上的小麥葉片SOD 活性間進行比較可知：在常溫條件下，黃棕壤和黑土之間無顯著差異，而兩者分別較磚紅壤高32.37%和21.18%（P<0.05）；在增溫處理下，黃棕壤上小麥葉片SOD 活性顯著高于黑土和磚紅壤，黑土和磚紅壤之間無顯著差異。開花期黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片SOD 活性表現為增溫處理較對照分別升高了8.84%、45.20%和71.89%。3種類型土壤間進行比較可知：在常溫條件下，黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥SOD 活性逐漸降低，且差異顯著（P<0.05）；在增溫條件下，黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥SOD 活性逐漸增加，且同樣差異顯著（P<0.05）。

圖4 增溫對不同類型土壤中小麥拔節期和開花期SOD活性的影響Figure 4 Effects of warming on SOD activity of wheat at jointing and flowering stages in different soil types

2.3.3 過氧化物酶（POD）活性

圖5 增溫對不同類型土壤中小麥拔節期和開花期POD活性的影響Figure 5 Effects of warming on POD activity of wheat at jointing and flowering stages in different soil types

2.3.4 過氧化氫酶（CAT）活性

從圖6可以看出，增溫對小麥葉片CAT 活性的影響在拔節期和開花期正好相反（P<0.05）。在拔節期，黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片CAT 活性表現為增溫處理較對照分別下降了36.81%、46.07%和57.39%。3 種類型土壤上的小麥葉片CAT 活性進行比較可知：常溫條件下，黃棕壤和磚紅壤之間未達到顯著差異，但均顯著高于黑土（P<0.05）；增溫條件下，黑土和磚紅壤之間未達到顯著差異，但分別顯著低于黃棕壤29.87%和36.98%。在開花期，黃棕壤、黑土和磚紅壤上生長的小麥葉片CAT 活性表現為增溫處理較對照分別升高了46.24%、35.1%和13.19%（P<0.05）。3 種類型土壤上的小麥葉片CAT 活性進行比較可知：常溫條件下，黑土和磚紅壤之間未表現出顯著差異，但較黃棕壤均增加了20.40%；增溫條件下，黃棕壤和黑土之間未達到顯著差異，但分別顯著高于磚紅壤22.20%和25.93%。

圖6 增溫對不同類型土壤中小麥拔節期和開花期CAT活性的影響Figure 6 Effects of warming on CAT activity of wheat at jointing and flowering stages in different soil types

2.4 相關性分析

2.4.1 產量構成要素與產量的相關分析

影響產量的主要構成要素是株高和有效穗數，相關分析結果見表3。結合表2 可知，增溫顯著降低了小麥株高，而株高與產量呈正相關，因此增溫對產量的形成可能是負效應；有效穗數也與產量呈正相關，通過雙因素方差分析得知，雖然增溫沒有顯著影響有效穗數，但在土壤類型間表現出了差異。同時，有效穗數與株高呈正相關。

表3 小麥產量及其構成因素的相關分析Table 3 Correlation analysis of wheat yield and its components

2.4.2 小麥葉片生理特征與產量的相關分析

從兩個時期小麥生理指標與產量的相關分析可知（表4），拔節期決定小麥產量的因素主要是SPAD值和SOD 活性，兩者都與產量呈顯著正相關，開花期MDA含量和POD活性與產量呈極顯著負相關。

表4 不同時期小麥生理指標與產量的相關分析Table 4 Correlation analysis of wheat physiological index and yield in different periods

3 討論

3.1 增溫影響冬小麥生長的可能機制

植物體內存在的活性氧（ROS）調控系統，使植物在生長發育期間產生的活性氧處于動態平衡狀態[30]。增溫脅迫會打破這種平衡，使大量活性氧積累在植物體內，導致細胞膜脂過氧化程度加劇，誘發其自身保護酶系統活性提高，從而減輕增溫帶來的傷害[20]。旗葉SPAD 值可以反映葉片中葉綠素相對含量，較高的葉綠素含量有利于提高光合作用[31]，進而提高光能利用率以增加產量[32]。本研究中增溫顯著提高了開花期冬小麥葉片的SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量；顯著降低了拔節期的MDA 含量以及兩個時期的葉片SPAD 值。從生理特征與產量的相關性分析可知，冬小麥生育前期的SPAD 值越高，對于后期生長發育和產量形成越有利，開花期MDA含量和POD活性越高，越不利于產量形成。這說明增溫通過影響葉片光合作用以及細胞膜脂過氧化程度從而影響冬小麥生長發育。有研究表明，小麥在25~30 ℃短暫熱脅迫時具有一定的適應性[33]。本研究中全生育期平均增溫1.5 ℃，生育期內有11 d 溫度在25~28.4 ℃范圍內，增溫處理下的保護酶系統仍處在較高活性水平，還能保持合適的氧化還原條件，減緩細胞膜脂過氧化程度。這意味著增溫對冬小麥的影響在一定溫度范圍內是可以被保護酶系統所克服的。本研究中增溫引起3種酶活性增加的結果與閆鵬等[13]和劉秋霞等[34]在晚冬早春階段增溫和不同階段夜間增溫下小麥花后SOD、POD 和CAT活性的變化一致。這可能是因為增溫處理提前了小麥生長發育進程，為了延緩小麥衰老，保護酶活性會顯著提高。然而，這兩個研究中增溫降低了MDA 含量，與本研究拔節期的結果相同、與開花期的結果相反，可能是因為他們的研究是采用階段性增溫，移除增溫裝置后早發小麥花后的環境溫度相對降低，小麥旗葉中保護酶活性較高，仍能夠保持較強的活性氧清除能力。本研究進行全生育期增溫與上述研究的增溫方式和時長都不同，本研究小麥從苗期開始就處在增溫條件下，體內保護酶系統被激活的時間可能較早，但苗期到拔節期仍處于全生育期溫度相對較低的階段，因此在冷刺激下對照組小麥葉片酶活性和MDA 含量相對增溫組較高；隨著物候的推進和環境溫度升高，小麥生長進入對溫度最敏感的生殖生長期[35]，加上在經歷冷刺激后產生的應激記憶可能具有增強生殖期耐熱性、增加酶活性的作用[22]，因此，為緩解ROS對小麥細胞膜系統帶來的傷害，SOD、POD 和CAT 協同作用，但該任用無法完全消除生育期內積累的活性氧和自由基的氧化作用[34]，最終導致MDA含量與酶活性協同上升，葉片生理性能降低。

3.2 土壤類型對冬小麥增溫效應的影響

到目前為止，作物產量對增溫的響應研究結論尚未統一，既存在正效應，也存在負效應。本研究中，全生育期增溫顯著降低了黃棕壤和黑土上的小麥株高、單穗粒數、千粒質量，最終導致減產，這與張凱等[36]、傅曉藝等[37]和卞曉波等[38]在華北地區和江淮地區的全天增溫研究結果一致；也有研究認為非對稱性增溫和夜間增溫處理提高了棕壤土和黃褐土上的小麥株高、千粒質量，最終增產[14，39]，這與我們的結果相反，可能是由于增溫方式不同所導致的差異。本研究中，增溫降低了黑土上的小麥產量，但與黃棕壤相比，減產幅度僅為黃棕壤的一半。此外，磚紅壤上小麥產量未對增溫產生顯著響應，但卻顯著低于黃棕壤和黑土。這些結果表明，冬小麥產量對增溫的響應因土壤類型不同而存在差異。由于本研究是在同一氣候條件下進行，南移的黑土原位于我國東北地區黑龍江省，土壤養分較高，從年均氣溫3~4 ℃的寒溫帶地區移至年均氣溫15.5 ℃的亞熱帶地區，盡管有機碳礦化溫度敏感性與氣候變量無關[40]，但負責養分循環和供應的土壤微生物活性隨升溫而增強，其數量很可能在受到環境氣溫升高的壓力下而減少[41]。研究表明土壤速效養分含量與作物產量呈顯著正相關[42]，氮、磷、鉀養分能有效避免膜脂過氧化對植物細胞造成的傷害，尤其是氮含量，其是限制植物酶活性的關鍵因子[43]。本研究使用的黃棕壤中的有機質含量僅為黑土的27.93%，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為黑土的30.77%、35.73%和41.89%，因此，黑土上冬小麥產量顯著高于黃棕壤，并且對增溫的響應程度也弱于黃棕壤。磚紅壤原位于華南地區的海南省，該地屬于熱帶地區，光熱充足，年均氣溫在25 ℃左右，北移使環境氣溫降低了10 ℃左右，而土壤中的多種功能酶和微生物都在25 ℃時活性最高[44]，且有研究表明磚紅壤的土壤細菌豐富度與溫度呈正相關關系[45]，可見，雖然在試驗區設置了1.5 ℃增溫，但是該溫度條件下，磚紅壤內微生物主導的養分釋放未能滿足作物需求。同時，本研究中磚紅壤為酸性土壤，較黃棕壤和黑土而言土壤結構差，作物生長發育受到影響[46]。因此磚紅壤上生長的冬小麥的產量低于黃棕壤和黑土，其對于增溫也未產生明顯響應。

4 結論

全生育期增溫減少了拔節期和開花期小麥葉片葉綠素含量，提高了開花期葉片保護酶活性。在保護酶系統的作用下誘導丙二醛積累，因此葉內丙二醛含量也協同增加。這些結果表明，增溫通過影響葉片光合作用以及細胞膜脂過氧化程度從而影響冬小麥生長發育。增溫顯著降低了生長在黃棕壤和黑土上冬小麥的株高、單穗粒數和千粒質量，導致減產；對磚紅壤中的小麥產量未產生顯著影響，但其產量顯著低于黃棕壤和黑土。因為本試驗在同一區域進行，摒棄了除溫度外的其他環境因子的差異，因此可以推測不同類型土壤上小麥產量的差異，一方面受增溫的直接影響，另一方面受土壤性狀及土壤微生物適應增溫的影響。