模擬增溫對玉米葉片生理特性及根區(qū)土壤特性的影響

李 葦，張其國，周旭丹，王忠東

(1.吉林農業(yè)大學園藝學院，吉林長春130118;2.白城職業(yè)技術學院，吉林白城137000)

100年來，全球氣候變化正改變著生態(tài)系統(tǒng)平衡，全球平均溫度已上升了0.6℃，帶來了持續(xù)性的負面影響，因此成為21世紀影響全球農業(yè)生產的重要環(huán)境因素之一［1－3］。大量野外模擬增溫的研究表明，20世紀全球范圍內的溫室效應正在繼續(xù)和蔓延，根據2013年的IPCC評估報告，到21世紀末，預計全球平均氣溫將升高1.8～4.0℃［4］。這種高溫可能會對農作物的新陳代謝和土壤代謝過程產生復雜的影響［5］。溫度控制著土壤生態(tài)系統(tǒng)中大量的微生物代謝和反應速率，并起到調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)能量和養(yǎng)分的作用，在一定程度上改變了農作物的產量，從而間接地改變土壤生態(tài)系統(tǒng)過程［6－7］。因此，在全球氣候變化背景下，農作物對氣候條件所表現出的適應和生存方式對其生長、生態(tài)及土壤特性產生了深遠影響。

玉米具有產量高、營養(yǎng)豐富、生態(tài)適應性廣等優(yōu)良特點，同時對于調節(jié)氣候和改善農業(yè)生產具有極其重要的意義［8－10］。在全球氣候變化背景下，研究玉米的生長特性及土壤特性對全球氣候變化的響應，不僅可以加深對其生態(tài)適應、生理特性、生產潛能的系統(tǒng)性認識，而且為玉米的高產優(yōu)質栽培提供理論依據。因此，針對全球氣候變化背景下玉米生長特性不夠明晰的狀況，試圖在前人研究的基礎上，利用開頂式生長室(open－topchamber，簡稱OTC)進行小尺度生態(tài)系統(tǒng)模擬控制試驗，并連續(xù)3年同步監(jiān)測模擬增溫對玉米生長特性及土壤特性的影響，從生長生理特性、土壤特性等方面揭示玉米對全球氣候變化的響應機制，為實現全球氣候變化背景下玉米高產優(yōu)質栽培提供試驗數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為沈糯3號，研究區(qū)位于吉林農業(yè)大學野外試驗田，分別于2014—2016年在玉米整個生長季進行增溫處理。該區(qū)多年平均氣溫5.6℃，多年平均降水量750 mm。供試土壤質地為壤質黏土，耕層土壤黏粒含量25.84%，土壤pH 值 6.76，有機碳含量 20.41 g/kg，全氮含量 1.89 g/kg。

1.2 試驗設計

采用隨機裂區(qū)設計，設置對照(CK)和模擬增溫(OTC)2個試驗處理，每個處理各6個重復，共12個試驗小區(qū)。模擬增溫小區(qū)面積為5.0 m×5.0 m，由約2.0 cm厚氟化玻璃制成，高4.0 m，頂部開口后略收緊(以減少氣體交換)，通過紅外輻射加熱管進行模擬增溫處理，每個開頂式生長室設置1根紅外輻射加熱管(功率220萬W)，24 h不間斷增溫，每個增溫裝置正面處的溫度差值≤0.2℃，增溫效果均一，增溫在5℃左右;對照無紅外輻射加熱管。于2014年，在沈糯3號的整個生長季進行增溫處理。在OTC內與對照CK小區(qū)設置Fluke 2638A全能型溫度數據采集器，在每個生長季選取晴朗無風的1天，每隔1 h測定OTC和CK地上和地下10 cm的地溫。將直徑15 cm、高12 cm的土壤呼吸底座(PVC)埋入各個小區(qū)邊緣，定期除去底座內的雜草，為減少對環(huán)境的影響，在觀測土壤呼吸速率前1個月將PVC測量圈埋入土壤中，以為保證足夠的時間平衡其生態(tài)環(huán)境。

1.3 測定項目及方法

2014—2016年8月底，分別在OTC和CK小區(qū)內，按照0.5 m×0.5 m收割地上生物量，并采集足夠多的成熟葉片帶回實驗室，65℃烘干至恒質量(精確到0.001 g)。同時采用四分法采集0～15 cm原狀土壤(≥2 kg)，速封袋保存帶回實驗室，去除石塊、動植物殘體和大的顆粒型物質，過2 mm篩，4℃ 保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1 玉米農藝性狀 不同時期的每個小區(qū)選取5～10株長勢一致的玉米，測量株高、莖粗，掃面儀測定植株葉面積指數，然后烘干葉片測定干質量，計算比葉重;在成熟期收獲后測定百粒質量、穗粒數和穗粒質量［11］。

(1)不同時期在每個小區(qū)選取5～10株長勢一致的玉米，卷尺和游標卡尺測量株高、莖粗(精確到0.01 cm)，用掃描儀測定植株葉面積指數，并在成熟期收割曬干后稱干質量。(2)將單株玉米根系挖取出來，每珠地上與地下用塑料袋分開，帶回實驗室，40目篩網流水沖洗，65℃烘干后測定干質量。RIS=植株地下部質量/植株地上部質量。(3)不同時期采集的玉米葉片烘干粉碎，采用混合液浸提法測定葉綠素含量(CCM－200葉綠素儀);采用蒽酮法測定碳水化合物含量，采用考馬斯亮蘭法測定蛋白質含量，碳水化合物和蛋白質的含量以占玉米葉片干質量的百分比表示;采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定過氧化物酶(POD)活性;采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶(CAT)活性;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量［12］。

1.3.3 土壤酶活性 在玉米成熟期，采用四分法采集每個小區(qū)玉米根區(qū)0～15 cm原狀土壤(≥2 kg)，用速封袋保存帶回實驗室，去除石塊、動植物殘體和大的顆粒形物質，過2 mm篩，4℃冰箱保存?zhèn)溆脺y定土壤酶活性。其中，土壤蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定;土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定;土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定;土壤轉化酶活性采用分光光度法測定［13］。

1.3.4 土壤呼吸速率 分別在不同時期選取晴朗無風的一天，從07:00開始到16:00結束，采用動態(tài)密閉氣室紅外CO2分析儀(IRGA)法(美國Li－6400便攜式氣體分析系統(tǒng)和Li－6400土壤呼吸室)每隔3 h測定1次土壤呼吸速率。

1.4 數據統(tǒng)計分析

數據采用Excel 2003和SPSS 18進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One－way ANOVA)和t檢驗比較各處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 模擬增溫對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 生長特性 由表1可知，模擬增溫顯著影響玉米生長期的特性，玉米株高、莖粗、葉面積指數、比葉重和單株生物量在不同時期均表現為OTC＞CK，而R/S表現為OTC＜CK;隨著生長期的進行，OTC和CK處理下玉米株高、莖粗、葉面積指數、比葉重和單株生物量均呈逐漸增加的趨勢，而OTC和CK處理下玉米R/S呈逐漸降低的趨勢;其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，除了單株生物量，OTC與CK處理下其他生長指標在分化期差異均顯著(p＜0.05)，也即增溫處理促進了玉米的生長發(fā)育，并促成了地下生物量的累積，其中在成熟期的促進作用表現得最為明顯。

表1 模擬增溫對玉米植株生長特性的影響

2.1.2 生理生化特性 由表2可知，模擬增溫顯著提高了玉米葉片葉綠素a、b和碳水化合物、蛋白質含量，在不同時期均表現為OTC＞CK。隨著生長期的推進，OTC和CK處理下玉米葉片葉綠素a、b和碳水化合物、蛋白質含量均呈逐漸增加的趨勢，其中OTC與CK之間的差異逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，除了蛋白質含量和碳水化合物含量，OTC與CK處理下其他生長指標在分化期差異均顯著(p＜0.05)，并且OTC與CK處理下玉米葉片葉綠素a、b、碳水化合物、蛋白質含量在抽雄期差異均顯著(p＜0.05)，也即增溫處理促進了玉米的生長發(fā)育，并促成了地下生物量的累積，其中在成熟期的促進作用表現得最為明顯。

2.1.3 葉片酶活性和丙二醛含量 由表3可知，模擬增溫顯著提高了玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量，在不同時期均表現為OTC＞CK。隨著生長期的進行，OTC和CK處理下玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性均呈逐漸增加的趨勢，其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，在成熟期二者均達到極顯著差異水平(p＜0.01)，OTC與CK處理在分化期差異均顯著(p＜0.05);而丙二醛含量隨玉米生長期的進行呈逐漸降低趨勢，二者在分化期差異極顯著(p＜0.01)，在抽雄期差異顯著(p＜0.05)，在成熟期差異不顯著(P＞0.05)。增溫處理促進了玉米葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性和丙二醛含量的提高，總體而言成熟期的促進作用表現得最為明顯。

表2 模擬增溫對玉米植株生理生化特性的影響

表3 模擬增溫對玉米植株葉片酶活性丙二醛含量的影響

2.1.4 產量特性 由圖1可知，模擬增溫顯著提高了玉米在成熟期的百粒質量、穗粒數和穗粒質量，與CK相比，分別增加5.3%、18.9%、8.2%，且穗粒數和穗粒質量均與 CK 之間差異極顯著(p＜0.01)，百粒質量也表現為OTC顯著高于CK(p＜0.05)。由于百粒質量和穗粒數是玉米產量的構成因子，因此其增加將直接提高玉米產量，表明OTC在一定程度上促進了玉米穗粒數的增加，從而提高了玉米產量。

2.2 模擬增溫對玉米根區(qū)土壤呼吸速率和酶活性的影響

2.2.1 土壤呼吸速率 由圖2可知，模擬增溫顯著影響生長期玉米根區(qū)土壤呼吸速率。隨著生育期的推進，OTC和CK玉米根區(qū)土壤呼吸速率呈先增加后降低趨勢;同一時期玉米根區(qū)土壤呼吸速率均表現為OTC＞CK，在分化期和抽雄期兩者差異極顯著(p＜0.01)，在成熟期兩者差異不顯著(P＞0.05)。與CK相比，在分化期、抽雄期和成熟期，OTC處理玉米根區(qū)土壤呼吸速率分別提高15.6%、18.3%、3.5%。

表4 玉米根區(qū)土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(x)的指數關系

由表4可知，在整個生長期，玉米根區(qū)土壤呼吸速率和土壤溫度呈極顯著的指數關系，CK玉米根區(qū)土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(x)的方程為:y=1.217e0.356x，OTC 玉米的方程為:y=0.949e0.497x，OTC和CK的指數回歸方程可分別解釋土壤呼吸速率71.65%和75.68%的變異。

2.2.2 土壤酶活性 由表5可知，模擬增溫顯著影響生長期玉米根區(qū)土壤酶活性。隨生育時期的推進，OTC和CK玉米根區(qū)土壤酶活性呈先增加后降低的趨勢，其中OTC與CK之間的差異隨生長期的進行而逐漸拉大，同一生育時期，玉米根區(qū)土壤酶活性均表現為OTC＞CK，在抽雄期差異極顯著(p＜0.01)，在分化期差異顯著(p＜0.05)，在成熟期差異相對較小。增溫處理促進了玉米根區(qū)土壤酶活性，其中在抽雄期的促進作用表現得最為明顯。

表5 模擬增溫對玉米根區(qū)土壤酶活性的影響

由表6可知，在玉米的整個生長期，土壤酶活性與土壤溫度呈極顯著的指數關系，CK玉米根區(qū)土壤酶活性(y)與土壤溫度(x)的方程為 y=1.012e0.269x，OTC 處理玉米根區(qū)土壤酶活性與土壤溫度的方程為y=0.915e0.384x，CK和OTC的指數回歸方程可分別解釋土壤酶活性79.23%和83.24%的變異。

表6 玉米根區(qū)土壤酶活性(y)與土壤溫度(x)的指數關系

3 討論與結論

3.1 模擬增溫對玉米生長特性的影響分析

開頂式生長室(OTC)是一種較為理想的試驗升溫設備，也是研究全球氣候變暖的有效工具［1，14］，在全球各種模擬增溫的控制性試驗已得到廣泛的應用。本研究采用OTC進行小尺度的模擬控制試驗研究玉米對增溫的響應。受到OTC內溫度的影響，OTC內土壤溫度顯著增加，土壤濕度顯著降低，不僅玉米生長較快，葉面積大，分蘗數多，而且比葉重和葉面積指數均高于CK，該結果表明增溫能夠促進玉米植株的的生長和促進其產量的提高。在此過程中，主要是通過促進玉米的光合代謝能力、物質的合成與積累，從而提高產量，這與前人的研究結果［15－16］一致。玉米的產量主要是由光合作用產生的有機物質決定，而葉面積指數有利于捕獲更多的太陽光能，本研究中，玉米對增溫的響應較為敏感，同時，發(fā)達的根系和較小的R/S是實現其新陳代謝的穩(wěn)定的基礎，這也是玉米適應氣候變化的重要生理機制［17－18］。而此過程中，增溫也調控了土壤健康狀況(提高了土壤酶活性和土壤呼吸速率)，從而為玉米的生長提供了更好的條件。

3.2 增溫對玉米生理指標的影響分析

能量和物質代謝是玉米生長發(fā)育的基礎，溫度調控各個生理、生化過程。由表2可知，隨著生育期的推進，OTC和CK玉米葉片葉綠素含量、碳水化合物和蛋白質含量呈逐漸增加趨勢，相同時期均表現為OTC＞CK。增溫主要通過影響玉米葉綠素含量而間接影響植物的光合生產能力，從而促進了葉綠素的合成。因此，增溫對玉米葉片光合生理特性和葉綠素含量的變化保持一致。此外，增溫處理能夠增加玉米葉片碳水化合物、葉綠素和蛋白質含量，一方面說明玉米可能適應更高的增溫環(huán)境，另一方面說明了碳水化合物和蛋白質作為植物體的基礎性物質，參與了營養(yǎng)期干物質的合成與積累，為了適應環(huán)境改變而作出的積極的生理調節(jié)，對玉米的生長具有重要的生態(tài)學指示意義［18］。此外，在玉米生長的不同時期，增溫對玉米均有一定的促進作用，盡管促進作用不盡一致，但總體表現為成熟期的促進作用最為明顯，這與玉米自身調節(jié)營養(yǎng)物質的平衡有關，還有可能是土壤動物、微生物、植物根系或者非生物因子共同調控所產生的結果［19］。

3.3 增溫對玉米土壤特性的影響分析

土壤酶活性能夠催化土壤的生物化學循環(huán)，在一定程度上反映了生物化學過程的方向和強度。溫度往往是影響土壤酶活性的重要因子，在全球氣候變化背景下，土壤酶活性在生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中起著重要的作用。本研究中，增溫處理下玉米土壤呼吸和土壤酶活性均顯著提高，與前人的研究結果［20－21］一致;本研究還發(fā)現，土壤呼吸和土壤酶活性均與土壤溫度呈現出較好的一元指數關系，由此表明了增溫對玉米土壤酶活性和土壤呼吸均有一定的促進作用。作為一種活性蛋白土壤酶和胞外酶，在一定的溫度條件下，溫度的升高有助于土壤酶活性和土壤呼吸的提高［22］;此外，土壤溫度的升高有助于提高養(yǎng)分的可吸收性、有效性，促進了土壤微生物群落的增殖，進而促進土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動［23－24］。

玉米的形態(tài)和生理特征對增溫的響應機制至今仍存在很大的不確定性。本研究連續(xù)3年的控制性試驗基于小尺度，未能完全反映出大尺度下的全球氣候變暖對玉米的形態(tài)和生理特征的影響。值得注意的是，該試驗背景下的光照、CO2通量、水分等微環(huán)境因子仍有待進一步觀測和分析，未來應重點著手于長期觀測和自然狀態(tài)下的微環(huán)境因子的相結合。