增溫與灌溉對大豆水分利用效率與產量及產量構成因素的影響

摘要： 本試驗采用增溫與灌溉雙因素完全隨機區組設計，以自動控制紅外線輻射器模擬增溫，設置3個增溫水平，即T0（0 ℃）、T1（1.5 ℃）、T2（2 ℃），以讀水表抽水漫灌方式進行灌水，按照大豆正常灌水量4 000 m3/hm2的100%、115%和130%設置3個灌溉定額，即W0（4 000 m3/hm2）、W1（4 600 m3/hm2）、W2（5 200 m3/hm2），增溫幅度與灌溉定額兩兩組合，共9個處理，探究增溫與灌溉對大豆水分利用效率和大豆成熟期產量及其構成因素的影響。結果顯示，不同處理大豆水分利用率在苗期有顯著性差異（Plt;0.05），但在開花期、結莢期和鼓粒期均無顯著性差異。各處理組合對大豆產量及其構成因素影響最大的結果如下：T1W2處理使大豆單株結莢數較對照（T0W0）增加了27.77%，T1W2處理使大豆三粒莢數增加了30.09%，T1W2處理較對照大豆單株粒數增加57.40%，T1W2處理的單株產量增加了40.08%，大豆百粒質量在T1W2處理比對照高6.83%，各處理與W0T0處理相比變幅在-27.11%～20.15%之間。綜上，增溫會影響大豆水分利用效率和產量構成因素，但灌溉與其互作，一定程度上抵消了其對產量產生的負效應，對大豆生長和產量形成具有促進作用。本研究為制定合理灌溉定額以應對氣候變暖對寧夏引黃灌區大豆種植的影響提供理論依據，為探索大豆在氣溫升高因子影響下實現穩產增產提供技術支撐。

關鍵詞： 模擬增溫；灌溉定額；大豆；產量構成；水分利用效率

中圖分類號：S565.104 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0056-07

2022年4月4日發布的聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告中指出，21世紀初到中葉對于中國來說，平均氣溫將增加至少1.2 ℃，21世紀末，全球氣溫將上升2～4 ℃［1-2］。氣候變暖帶來的溫度升高會影響農田生態系統，致使作物的生長環境發生改變，從而影響植物的生長指標、土壤指標［3-6］。大豆是世界上種植最廣泛的豆科作物，是蛋白質和油脂的主要來源，現已成為世界上重要的糧食作物。對大豆而言，溫度升高會影響大豆物候、大豆葉片光合作用以及大豆產量和品質［7-12］。灌水是應對氣候變暖的重要舉措之一，灌溉可以快速改變土壤表層的水分和土壤通氣性，改變微生物活性和土壤理化性質等［5，13］。與此同時，灌溉也是影響大豆農田生態系統的重要因子。大豆作為我國主要的經濟作物，需求量大，種植面積廣，其產量構成因素直接受溫度和灌水的影響［14-15］。前人研究表明，高溫和干旱的復合脅迫會嚴重抑制農作物光合作用，影響植物蒸騰速率、氣孔導度等，從而造成作物水力障礙，降低水分利用效率［16-19］。潘仕球等在不同類型土壤上大豆產量對增溫2 ℃的響應研究中得出，大豆產量的形成對大氣增溫的響應間接受土壤類型的調控［20-21］。有增溫與干旱對大豆生長發育的影響研究顯示，在 1～3 ℃的增溫處理下，大豆生育期會明顯縮短，產量也隨增溫幅度逐漸降低［22］。因此研究不同增溫與灌溉水平處理對大豆的影響，對未來全球變暖條件下指導大豆生產具有重要意義。

寧夏引黃灌區是西北地區大豆的主要種植區域之一，本研究對寧夏引黃灌區大豆生長的全生育期進行模擬增溫和灌溉處理并分析其生長指標及產量，探究增溫和灌溉對大豆生長的影響，幫助大豆實現防增溫迫害、合理灌溉、穩定產量的目標，為當地大豆種植栽培管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設置在寧夏石嘴山市平羅縣西大灘寧夏大學鹽堿地改良綜合實驗站，地處寧夏引黃灌區鹽堿地，是鹽堿地改良的主要區域，位于106°13′～106°26′E、38°45′～38°55′N，平均海拔1 100 m。該地區處于中溫帶干旱區，屬于大陸性氣候，氣候特征為冬冷夏熱，日照時間長，蒸發強烈，干旱少雨，春冬風沙大，年平均氣溫為9.1 ℃，年平均降水量為185 mm，且主要集中在每年的7—9月，年平均蒸發量為1 825 mm。本區域適合大豆的生長，一般5—9月為大豆生長期。

1.2 試驗設計

本試驗采用增溫與灌溉雙因素完全隨機區組試驗設計。增溫方法是采用紅外線輻射器增溫模擬氣候變暖，在各試驗小區上方2 m高處平行地面懸掛遠紅外電暖器［長1.80 m，寬0.15 m，加熱區面積約6.25 m2（2.5 m×2.5 m）］［23］，設置3個增溫梯度，即T0（0 ℃）、T1（1.5 ℃）、T2（2.0 ℃）［24］，增溫時長為全生育期晝夜連續增溫。各小區內安裝EM50-數據采集器記錄試驗小區溫度，日均增溫效果如圖1所示。實際增幅為T0（0 ℃）、T1［（1.5±0.37） ℃］、 T2［（2±0.18） ℃］。設置3個灌溉水平， 灌溉定額分別為大豆正常灌水量（4 000 m3/hm2）的100%、115%和130%，即W0（4 000 m3/hm2）、W1（4 600 m3/hm2）、W2（5 200 m3/hm2）。試驗處理為T0W0、T0W1、T0W2、T1W0、T1W1、T1W2、T2W0、T2W1、T2W2，共9個處理，每個處理重復2次，共18個小區，小區面積6.25 m2（2.5 m×2.5 m），小區四周埋入厚玻璃圍起來，以防水肥流動；灌溉方式為抽水漫灌，灌水量通過水表讀表控制。

供試大豆生育期為120 d，于2022年5月9日播種，播種方式為人工穴播，每穴3粒種子，種植密度為14萬株/hm2，出苗后進行定苗。大豆苗期第1次灌水前人工撒施復合肥400 kg/hm2，全生育期分3次按照不同灌溉定額進行灌水。各小區除溫度和灌水處理外，其他田間管理及病蟲草害防治措施均保持一致。大豆種植前試驗區土壤基礎理化性質見表1。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 大豆水分利用效率

在大豆重要生育時期選取生長情況相近的大豆葉片，使用LI-6400XT便攜式光合測定儀測定凈光合速率（P n）、氣孔導度（G s）、胞間CO 2濃度（C i）、蒸騰速率（T r）等光合參數。用以下公式計算大豆水分利用效率（WUE）。

WUE=P n/T r。

1.3.2 大豆產量及其構成要素

對大豆各生育時期的時長進行觀測記錄，在各生育時期對大豆植株進行取樣，盡可能完整地連根取出，帶回實驗室，沖洗干凈根部，分器官裝入紙質信封袋，稱取鮮質量，將所有樣品放入105 ℃烘箱殺青30 min，然后轉 75 ℃ 烘干至恒質量，參照《植物生理學實驗教程》測定大豆生物量。在大豆成熟期進行破壞性取樣，每個小區取10株大豆，調查單株結莢數、單粒莢數、二粒莢數、三粒莢數、四粒莢數以及單株粒數、單株產量，取平均值進行比較，人工脫粒測定大豆百粒質量和產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2010對數據進行整理和存儲，用SPSS及Origin 2021b軟件進行統計分析，對各項指標進行相關性、差異顯著性分析，獲得平均值、方差和標準差等描述性統計數據，并進行制圖制表。

2 結果與分析

2.1 增溫與灌溉對大豆不同生育時期葉片WUE的影響

由表2可知，大豆苗期葉片WUE在不同處理間存在顯著性差異，在T2W1處理下有最大值，為 2.90 mmol/mol， 比對照組T0W0處理高19.83%，其次是T1W1處理，比T0W0高12.81%；開花期大豆葉片WUE在各處理間差異不顯著，其中T1W2處理出現最大值，為4.68 mmol/mol，比對照組高2.63%，T2W0處理處有最小值，為4.33 mmol/mol，比對照組低5.04%；結莢期大豆葉片WUE在T0W1及T1W2處理下有最大值，為2.71 mmol/mol，比對照高3.44%，T2W1 處理下WUE比對照低10.69%；鼓粒期大豆葉片WUE在各處理間無顯著性差異， T0W2處理有最大值，為3.61 mmol/mol，比對照高15.71%，其次是T2W1處理，比對照高13.14%。在大豆4個生育時期中，開花期WUE最大，苗期最小。由此，在苗期增溫幅度大或灌水量大，都會使大豆WUE出現顯著性差異；而在大豆開花期、結莢期和鼓粒期，增溫和灌溉處理的結果未達到顯著差異水平。所以在大豆生長發育的中后期，灌溉在一定程度上和增溫交互，起到促進作用，有利于大豆穩定生長。

2.2 增溫與灌溉對大豆結莢類型及結莢數的影響

由表3可知，W0灌溉處理下，與T0處理相比，T1和T2的單株結莢數分別在0.05顯著水平上增加了12.5%和15.5%，在W1灌溉處理下，T1處理的單株結莢數增加25.13%，T2處理則顯著減少20.35%；W2灌溉處理較前2組處理都表現為單株結莢數顯著增加的趨勢，其中T1處理較T0處理增加27.77%，而T2處理較T0處理單株結莢數顯著減少12.34%。

在W0灌溉處理下，增溫（T1、T2）處理相較T0處理的四粒莢數分別減少30.00%和70.00%；在W1灌溉處理下，與T0處理相比，T1處理的四粒莢數無顯著變化，增溫T2處理的四粒莢數增加175.00%；當灌溉定額是W2時，與T0相比，T1處理的四粒莢數增加50.00%，T2處理下則減少87.50%。

增溫與灌溉對大豆三粒莢數的影響表現為：W0處理時，T1、T2的三粒莢數相較于T0分別增加7.45%和7.09%，W1處理下，T1處理的三粒莢數增加17.86%，T2處理的三粒莢數則下降30.00%；W2處理整體較W0、W1顯著增加；W2處理下T1處理的三粒莢數較T0增加30.09%，T2處理較T0則下降21.78%。

增溫與灌溉對大豆二粒莢數的影響表現為：灌溉定額為W0時，T1、T2處理下的二粒莢數分別增加19.10%和44.94%；灌溉定額為W1時，T1處理較T0處理二粒莢數增加40.23%，T2處理較T0處理二粒莢數只增加了4.60%；當灌溉定額為W2時，大豆二粒莢數較W0、W1處理整體上呈增加趨勢，其中T1處理較T0處理增加18.79%，T2處理與T0處理差異不顯著。

增溫與灌溉對大豆單粒莢數的影響表現為：灌溉定額為W0時，T1、T2處理較T0都增加47.06%；W1處理，T1處理的大豆單粒莢數增加45.83%，T2處理的大豆單粒莢數則減少45.83%；W2處理時，T1、T2處理下大豆單粒莢數分別增加30.43%和21.74%。

W0處理時，T1處理的大豆癟莢數在0.05水平上顯著增加了700.00%，T2處理增加100.00%；W1、W2處理時，各增溫處理下大豆癟莢數分別增加133.33%、100.00%、33.33%和0。

由以上結果可見，增溫與灌溉對大豆結莢類型及數量在0.05水平上都會產生影響，增溫與灌溉在大豆單株結莢數和三粒莢數2個指標上表現出交互作用。

2.3 增溫與灌溉對大豆產量因素的影響

2.3.1 增溫與灌溉對大豆單株粒數的影響

不同灌溉定額下大豆單株粒數對增溫幅度的表現明顯不同，由圖2可見，W0灌溉處理下，與T0處理相比，T1和T2處理的單株粒數各增加8.60%和11.10%，但未達到顯著差異水平；在W1灌溉處理下，T1處理的單株粒數在0.05水平上顯著增加了21.92%，T2處理單株粒數則顯著減少21.54%；W2灌溉處理較前2組處理都表現為單株粒數呈增加的趨勢，其中T1處理較T0處理顯著增加29.05%，而T2處理較T0處理單株粒數顯著減少15.43%。T0處理下，W1與W0處理無明顯差異，W2處理在0.05水平上較W0處理顯著提高了32.50%；T1處理下，W1與W0處理無明顯差異，W2處理在0.05水平上較W0顯著提高了57.40%，T2處理下，W1較W0處理減小了31.10%，W2無顯著變化。增溫和灌溉在大豆單株粒數上表現的交互效應是，T1W2處理較對照（T0W0）增加最大，為70.90%，T2W1處理較對照減小最大，為23.50%。綜上可以得出，增溫或灌溉單因子對大豆單株粒數有顯著影響，雙因素的交互作用在0.05水平上具有顯著性，表明增溫與灌溉交互，表現出促進作用。

2.3.2 增溫與灌溉對大豆單株產量的影響

由圖3可見，灌溉定額為W0時，T1處理大豆單株產量增加20.18%，而T2處理下的大豆單株生產力無顯著變化；W1處理下，T1處理較T0處理顯著增加55.71%，而T2處理較T0處理減少8.34%；W2處理下，T1處理較T0處理顯著增加39.53%，T2處理的大豆單株生產力較T0處理減少18.91%。T0時，W1較W0處理減少13.97%，W2處理增加44.94%；T1處理下，W1處理較W0處理增加11.46%，W2處理增加68.29%；T2處理下，W1處理較W0處理減少21.19%，W2處理較W0處理增加17.48%。由于增溫與灌溉對大豆單株產量的交互作用，T1W2處理的單株產量增加最多，為40.08%，T2W1處理則減少最多，為49.27%。由此可以看出，單個因子的影響顯著，雙因素的交互作用具有顯著性影響，增溫與灌溉的交互作用對大豆生長具有促進作用。

2.3.3 增溫與灌溉對大豆百粒質量的影響

由圖4可以看出，灌溉W0處理下，T1、T2處理的大豆百粒質量較T0分別增加10.61%和9.24%；W1處理下，T1、T2處理較T0分別增加27.71%和16.82%；W2處理下，T1處理較T0增加9.65%，T2處理較T0減少1.69%。T0時，W0、W2分別顯著比W1處理提高13.35%、24.00%；T1處理下，W1、W2處理的百粒質量分別顯著比W0處理提高1.86%、6.92%；T2處理下，W1、W2處理分別顯著比W0降低5.66%和1.55%。大豆百粒質量在T1W2處理的交互作用下出現最大值，比對照高6.83%，T0W1處理下有最小值，比對照低11.77%。由上述結果可知，大豆百粒質量在增溫或灌溉的單因素處理水平上呈現顯著性差異，在雙因素交互作用下，大豆百粒質量在處理間也具有顯著性差異。

2.3.4 增溫與灌溉對大豆產量的影響

由圖5可知，W0處理下，大豆產量在T1處理下比T0顯著減少16.12%，在T2處理下減少5.49%，但未達顯著水平；W1處理下，T1處理的大豆產量顯著增加52.26%，T2處理的產量增加25.13%；W2處理下，T1處理較常規溫度處理無明顯變化，T2 處理的產量顯著下降10.37%。T0處理下，W1處理的產量顯著低于W0處理27.11%，W2處理高于W0處理20.15%；T1處理下，W1處理顯著高于W0處理32.31%，W2處理顯著高于W0處理43.23%；T2處理下，W1處理與W0處理間無明顯差異，W2處理下大豆產量顯著高于W0處理13.95%。各組合處理與T0W0處理相比變幅在-27.11%～20.15%之間。由此可見，灌水量增加15%，增溫會使大豆產量增加， 雙因素交互作用在T1W2處理時對大豆產量有顯著影響，灌水和增溫對大豆產量形成具有促進作用。

3 討論與結論

3.1 討論

氣候變暖背景下，溫度升高給大豆光合作用帶來的不良影響可以依靠合理灌溉改善。增溫幅度過高，會顯著降低大豆生長關鍵時期的P n、G s等光合參數，增大T r和C i等光合參數，P n/T r對應降低，使WUE下降，同時使光合同化物含量降低，也會影響到產量［25］。本試驗結果顯示，隨增溫幅度由0 ℃到1.5、2.0 ℃的增加，相應處理組合的大豆生育期葉片WUE差異不顯著。而馬愛平等研究發現增溫麥田露地和增溫麥田覆蓋的水分利用效率均低于降溫麥田和常規麥田［26］，本研究結果與之不一致，正能說明在加入灌水處理后，大豆葉片光合作用沒有明顯升高或下降，進而表明灌溉改善了增溫對大豆葉片光合作用的負效應，增溫與灌溉的交互效應表現為使大豆穩定生長。

大豆結莢類型及莢數受增溫和灌溉交互作用的影響體現在最終產量上，是綜合作用的結果。本研究中，各處理對大豆四粒莢數、二粒莢數、單粒莢數、癟莢數的影響不同，且灌溉和增溫對大豆單株結莢數和三粒莢數影響最大，這一結果與楊錦浩等對夜間增溫對小麥產量及其構成因素的影響結果［27］類似，Chen等的研究也表明夜間適度增溫可以改善冬小麥的庫源平衡，提高產量［28］。本研究的灌溉措施補充冠層增溫引起的葉片蒸騰作用散失的水分，改善大豆植株的庫源平衡，促進大豆對水分的吸收運輸，保證生理活動，同時保證大豆對氮磷鉀養分的吸收利用，提高養分利用效率，進而提高產量［29-30］。

隨灌溉定額增大，增溫對大豆產量的影響有所減小。李娜通過研究模擬增溫對春小麥產量的影響得出隨溫度增加， 春小麥千粒質量減小、穗粒數下降、小穗數減少，最終產量減少21.71%～23.33%［23］，這與肖國舉等在春小麥產量隨模擬增溫幅度升高而減小的結果［30］一致。 本研究的結果顯示，大豆百粒質量和產量在灌溉定額為5 200 m3/hm2 時， 與常規灌水無顯著差異，甚至在增溫影響下，大豆百粒質量及產量有下降趨勢，這與王萍等的研究結果［6］一致，大豆3葉至開花期，深層土壤水分不能過量，否則土壤有效水分儲藏量越多，百粒質量越??；而結莢期到鼓粒期上層土壤水分含量在一定范圍內越高，百粒質量越大。江英澤等在研究中指出，干旱會使大豆百粒質量下降，產量明顯降低［31］。本研究在常規灌水的基礎上增加灌水定額，在增溫的同時保持充足的土壤水分，改善了大豆結莢數，保證了一部分產量。因此，在實際生產中，可以合理控制灌水時期與灌水量，以調節大豆最佳長勢，增加結莢數跟百粒質量，從而增加產量，同時節約水資源。

王樂政等的研究結果表明增溫幅度越大生育期縮短天數越多，而不同灌水量對大豆生育期的影響不如增溫顯著［14，22，32］，是因為大豆為喜溫作物，積溫是決定大豆產量的重要因素。如果在大豆生長發育的過程中進行增溫處理，會使大豆達到有效積溫的時間縮短；從而使得大豆生育期縮短，當大豆光合時間減少，其光合產物的積累減少，就會進一步導致大豆的單株莢數和產量降低。本研究顯示當灌水定額增大時，大豆單株結莢數、單株粒數、單株產量、百粒質量等有所增加。因此，在實際生產中，可依照科學灌溉定額對大豆進行灌溉，以延長大豆生育期，消解氣候變暖帶來的不良影響，使大豆穩產。

3.2 結論

增溫與灌溉的交互作用對大豆水分利用效率無顯著性影響，即對大豆光合特性無顯著影響；灌溉定額較常規灌水增加30%時，對大豆單株結莢數、三粒莢數、單株粒數、單株產量及百粒質量、總產量等指標的影響總體呈現增加趨勢；增溫幅度是 1.5 ℃ 時，比常規溫度和增溫2.0 ℃對各指標的影響總體呈現增加趨勢，但灌溉定額對增溫幅度在一定程度上產生的影響有所消減，兩者互作對大豆生長和產量形成具有促進作用。

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收 稿日期：2023-02-12

基金項目：國家自然科學基金（編號：32060410、31660377）；寧夏自然科學基金（編號：NZ16007）。

作者簡介：楊寧艷（1997—），女，寧夏靈武人，碩士研究生，研究方向為農藝與種業作物栽培。E-mail：1208705303@qq.com。

通信作者：張峰舉，副研究員，主要從事土壤鹽漬化治理研究。E-mail：zhang fj@nxu.edu.cn。