夜间增温及免耕对冬小麦生长及养分吸收利用的影响

田思勰等

摘要：采用被动式夜间增温系统，设置4个处理：增温（W）、免耕（NT）、增温+免耕（WNT）及常温+翻耕（CK），研究夜间增温及免耕对小麦生物量、籽粒产量构成及营养元素（N、P）吸收利用的影响。结果表明：夜间增温（W、WNT处理）促进了小麦叶片生长，叶面积增加，同时地上生物量也显著提高，而籽粒产量却降低，显著低于对照。夜间增温（W、WNT处理）显著提高了小麦抽穗期至开花期植株的叶面积，而在灌浆中后期叶片SPAD值却迅速降低，显著低于对照。夜间增温（W、WNT处理）处理下，小麦氮、磷营养元素的转运量显著增加，但是转运率无明显差异。免耕处理（NT）对小麦株高、叶面积、生物量无明显影响，对小麦籽粒产量及其构成也无显著影响。

关键词：夜间增温；免耕；氮转运；磷积累

中图分类号： S512.1+10.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0111-04

气候变暖是全球气候变化的主要特征之一，温室气体排放加快了全球变暖趋势。与工业革命前相比，全球地表平均气温已经升高0.4～0.8 ℃[1]。2100年，全球地表温度可能再升高1.4～5.8 ℃。全球变暖存在明显的时空差异，即北半球夜间最低气温增幅明显高于白天最高气温增幅，冬春季增温大于夏秋季，北方寒带增温幅度大于南方温热带。我国气候变暖特征与全球基本一致，冬春季增温显著，夏季增温最弱，且高于全球同期平均增温幅度，预计到2050年再升温12～2.0 ℃，2100年增幅将达到2.2～4.2 ℃[2-3]。温度是作物生长发育的必要气象要素之一，夜间温度升高极可能对作物生长发育、产量产生潜在影响。已有研究报道，夜间气温升高（日较差减少）导致玉米、水稻产量增加[4]。田云录等也发现，夜间增温处理下冬小麦单位面积产量提高了18%[5]。Sandvik等研究表明，温度升高能促进植物生长[6]。Kudo等认为，夜间增温对植物生长的影响并不显著[7]。夜间增温对不同地区植物生长影响各异，探明其内在机制对分析气候变化对农业的影响具有重要意义。 免耕是保护性耕作方式之一，可以减少生产中劳动力、机械投入，提高产投比。研究表明，免耕播种可减少土壤水分蒸发，增加土壤水分含量[8]。也有学者认为，免耕种植与传统耕作相比，作物产量差异不显著[9]。探讨免耕对农作物生长发育及产量形成的影响，对制定耕作措施意义重大。有关夜间增温对我国农作物生产影响的研究已有一些报道，将夜间增温与耕作措施结合起来探索未来气候变暖背景下农作物对保护性耕作措施的响应研究尚未见报道。小麦是我国最重要的粮食作物之一，本研究以冬小麦为研究对象，采用增温与免耕相结合的方法，分析夜间增温及免耕对小麦产量构成要素（穗数、单株粒数、千粒质量等）和生长发育过程中营养元素（氮、磷）吸收利用的影响，揭示夜间增温及免耕对冬小麦产量影响的机制，旨在为研究气候变化、耕作方式对我国小麦生产的影响提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验在南京信息工程大学农业气象试验站（32.16°N，118.86°E） 进行。该试验站属于亚热带温润气候，年平均温度为15.6 ℃，年平均降水量为1 100 mm，年平均日照时数超过1 900 h。供试土壤耕层质地为壤质黏土。种植小麦前采集0～20 cm的土层土壤进行土壤理化性质分析，土壤理化性质见表1。

1.2试验设计

试验小麦品种为庆丰188，为当地广泛栽种品种。按照

当地常规栽培技术规程种植。种前施用135 kg/hm2尿素、50 kg/hm2 过磷酸钙、50 kg/hm2氯化钾作为底肥。2012年10月31日播种小麦，采用条播方式，种植密度为 300 kg/hm2。小麦生育期雨量充沛，达到作物用水需求，故本试验未进行人工灌溉补水。参照田云录等的被动式夜间增温方法[10]进行增温，即采用红外线反射膜将地面发射出的长波辐射反射回地面，从而减少热量损失，以提高农作物冠层及地表的夜间温度。采用铝箔玻纤布作为增温材料，用铁支架支撑铝箔玻纤布，在整个生育期内使其与小麦冠层始终保持 20 cm。设4个处理：常温+翻耕（CK）、夜间增温+翻耕（W）、常温+免耕（NT）、夜间增温+免耕（WNT）。每个处理重复3次，共12个小区，采用随机区组设计进行排列。每个小区面积为3 m×4 m，其中有效增温面积为2 m×3 m。冬小麦整个生育期（播种至收获期）每天下午19：00覆盖反光膜进行增温处理，次日06：00揭开反光膜。为了消除增温系统的遮光干扰，常温处理小区也安装增温系统支架，但无反光膜。为保持降水量的一致性，雨雪天气不覆盖反光膜进行增温处理，大风天气也不覆盖以避免增温设施被破坏。使用ZDR-41型温度数据记录仪（杭州泽大仪器有限公司），在田间实时监测5 cm土层温度。本试验采用的增温系统可使该层地温的季节平均夜温升高1.2 ℃。

1.3植株生理特性分析

分别在小麦各个关键生育期进行采样，测定株高、顶叶SPAD值、总叶面积。将每株植物分成茎、叶、穗、籽粒，分别杀青后70 ℃烘干至恒质量，测定植株各部位的干质量。每个小区预留1 m×1 m测产区，用于成熟期收获后，测定籽粒产量及产量构成因子等。

叶面积=叶片长×叶片宽×0.83。

烘干部分植物样品，粉碎后测定植物各器官的氮、磷含量。采用半微量凯氏法测定植物全氮含量。采用钼黄比色法测定植物全磷含量。植物氮（磷）累积量为各器官氮（磷）素含量与其干物质量乘积之和。

在营养生长阶段，植物从土壤中吸收营养元素累积到营养器官中，之后这些营养元素向生殖器官（主要是籽粒）运转。植株营养器官氮（磷）元素转运量指植株生殖生长阶段，从植株营养器官中转移出的元素总量。植株营养器官氮（磷）元素转运量、营养器官氮（磷）素转运率计算公式如下：

植株营养器官氮（磷）元素转运量=开花期植株地上部各营养器官中氮（磷）积累总量-成熟期植株地上部各营养器官中氮（磷）积累总量；

营养器官氮（磷）素转运率=开花期氮（磷）素的转运量/营养器官中元素累积总量×100%。

1.4数据处理

用Excel 2003软件处理数据，用SPSS 11.5 软件对结果进行方差分析和多重比较。

2结果与分析

2.1增温及免耕对小麦生物量的影响

由图1可以看出，与对照区（CK）相比，夜间增温处理（W）下植株生物量显著增加。孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期植株生物量分别比对照增加18%、6%、11%、9%、11%。免耕处理（NT）与对照区（CK）相比，植株生物量在整个生育期下降2%～6%，差异不显著。增温叠加免耕处理（WNT）下，整个生育期植株生物量与对照相比增加了7%～24%，显著高于对照。可见，夜间增温促进了小麦生物量的累积，免耕则对小麦生物量无明显影响，两者叠加处理对小麦整个生育期的生物量表现出明显的促进作用。

2.2增温及免耕对小麦叶面积、SPAD值的影响

由图2可以看出，与对照区（CK）相比，夜间增温处理（W）在抽穗期、开花期显著提高了植株叶面积，增加了2%～7%。免耕处理（NT）下植株叶面积在整个生育期均未受到明显影响。增温叠加免耕处理（WNT）下单株叶面积在抽穗期、开花期显著高于对照区（CK）。可见，夜间增温处理（W）与增温叠加免耕处理（WNT）均促进了植株叶片生长，免耕处理（NT）则对植株叶片生长无明显影响，这与植株的干质量结果一致，说明不同处理间叶片生长差异是导致植株干质量产生显著差异的重要原因之一。

植物叶片SPAD值与叶绿素含量有很强的相关性。由图3可以看出，与对照组（CK）相比，增温处理（W）下，开花后0～9 d内叶片SPAD值均有所增加，比对照提高6%～7%，花后9～15 d SPAD值下降，比对照降低1%～15%，说明在作物灌浆初期，增温能够促进旗叶叶绿素含量增加，在灌浆中期增温促进旗叶衰老，导致叶片SPAD值迅速降低。免耕处理（NT）与对照CK 相比，SPAD值增加幅度较小，对小麦旗叶SPAD值影响不大。增温叠加免耕（WNT）处理下，小麦生长前期SPAD值有所提高，比对照提高6%～8%；花后9～15 d显著降低，降幅约70%；花后15～21 d，旗叶SPAD值均低于对照区（CK）和免耕处理（NT），差异不显著。可见，小麦旗叶SPAD值在灌浆前期相对较稳定，中期则迅速下降，增温处理（W）与增温叠加免耕（WNT）处理均提高了灌浆初期旗叶SPAD值，对小麦籽粒生长具有重要意义。

2.3增温、免耕对小麦氮、磷吸收和转运的影响

由图4可知，小麦植株地上部氮素累积总量随小麦生育期的推进而增加。与对照组（CK）相比，增温（W）处理下小麦氮素累积量在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期各个时期分别上升了2%、4%、9%、17%、14%、8%，由此看出，增温处理对小麦氮素累积起促进作用。免耕处理（NT）下，与对照相比，小麦氮素累积量减少了2%～6%，差异不显著。增温叠加免耕处理（WNT）下，与对照相比，小麦氮素累积量明显提高，在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期各个时期分别升高11%、7%、12%、12%、12%、13%。由此可知，增温处理（W）、增温免耕处理（WNT）对小麦氮素吸收具有明显促进作用，免耕处理则对植物氮素累积无明显影响，这与不同处理间小麦干物质累积量结果一致，说明干物质累积差异可能是氮素累积产生差异的重要原因。植物磷素累积量也随着小麦生长而逐渐增加，表现与氮素累积量相似的递增规律。与对照组（CK）相比，增温（W）处理下植物磷素累积量在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期各个时期分别上升了8%、18%、10%、10%、8%、22%。由此可知，增温处理对小麦磷素累积有促进作用，尤其在孕穗期、成熟期对小麦磷素累积影响较大。免耕处理（NT）下小麦磷素累积量与对照相比在整个生育期内减少2%～5%。增温叠加免耕处理（WNT）下，磷素累积量在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期各个时期分别增加了10%、21%、6%、11%、6%、14%。可见，免耕对小麦磷素累积量无明显影响，夜间增温（W）、增温叠加免耕处理（WNT）对磷素累积有促进作用，尤其在成熟期更为明显。说明在本试验处理条件下，W、WNT处理对小麦氮元素、磷元素吸收累积的影响效果是一致的。

由表2可见，夜间增温处理下（W）小麦营养器官的氮、磷转运量均极显著高于对照（CK），比CK分别提高了28%、22%，两者转运率也高于对照组，但差异不显著。免耕处理（NT）下小麦营养器官中氮转运量稍有下降，磷素的转运量、转运率分别比对照略有降低。夜间增温叠加免耕处理（WNT）下小麦营养器官的氮素、磷素转运量均极显著高于对照，氮素、磷素转运率均高于对照（CK）。可见，增温处理（W）提高了小麦N、P转运量，而对N、P转运率无明显影响。夜间增温叠加免耕处理（WNT）对小麦N、P转运量、转运率均有促进作用。免耕处理对小麦营养元素吸收利用情况影响不明显。

2.4增温、免耕对小麦产量及产量构成的影响

由表3可见，与CK相比，增温处理（W）下小麦每穗穗数、单株粒数均减小，分别比对照少6%、9%；空粒数、千粒质量均有一定程度增加。由于单位面积穗数降低，导致最终产量也显著低于对照。免耕处理（NT）下小麦单株粒数稍有减少，但不明显；每穗粒数、千粒质量、单位面积穗数均有一定程度增加，导致小麦产量提高，但与对照差异不显著。与对照相比，增温叠加免耕（WNT）处理下小麦单株粒数、单位面积穗数下降，最终产量也下降；千粒质量、空粒数均有所增加。由此可知，夜间增温对小麦单位面积有效穗数有抑制作用，免耕处理对小麦产量、籽粒质量均无明显影响，夜间增温叠加免耕处理会影响小麦的籽粒产量、产量构成，与单独增温处理影响效应相同。

3结论与讨论

本研究结果表明，夜间增温（W、WNT处理）促进了小麦叶片生长、叶面积增加，同时地上生物量也显著提高，而籽粒产量却降低，显著低于对照，这与之前的研究结果[9]一致。也有学者发现，夜间增温提高了小麦株高、叶面积，平均产量也提高了18.3%[10]，本试验结果与之相反。这可能是由于小麦品种不同或生育期内水肥条件差异造成的。本试验中，夜间增温（W、WNT处理）显著提高了小麦抽穗期至开花期植株表3不同处理下小麦籽粒产量及产量构成的叶面积，而在灌浆中后期叶片SPAD值却迅速降低，显著低于对照，说明增温处理虽然促进了小麦叶面积的增加，但其造成叶片早衰不利于光合产物累积，这可能是导致籽粒产量下降的重要因素之一。夜间增温（W、WNT）处理下，小麦氮、磷营养元素的转运量显著增加，但是转运率无明显差异，这可能是因为冬小麦在夜间增温条件下促进了植物地上部生物量的累积，后期增温影响小麦的开花及有效分蘖，使得有效穗数降低，因此转运率并无明显变化。增温处理导致小麦单位面积有效穗数及产量均显著下降，这与房世波等的研究结果[11]相同。另外，气候变暖容易造成小麦冬前迅速生长，不利于过冬返青，花后气温太高，甚至出现高温胁迫，会降低冬小麦生物量、产量[12]。本研究发现，夜间增温使小麦生物量增加，但有效穗数减少，这可能是由于前期有效分蘖率降低，最终导致作物产量降低。此外，本试验增温处理时间为每天19：00至次日06：00。由于增温反光膜不透光，因此在12月底和1月初白昼最短之时进行盖膜增温，可能减短了增温时间，对农作物后期生长产生潜在不利影响。本研究结果表明，免耕处理（NT）对小麦株高、叶面积、生物量无明显影响，对小麦籽粒产量及其构成也无显著影响，说明本试验中温度效应比耕作效应对小麦生长的影响更大。前人研究结果表明，免耕措施在冬前和春季具有“降温效应”，延迟了冬小麦出苗、返青，使得分蘖率降低，不利于作物生长发育[13]。也有学者认为，半干旱地区的少免耕技术使小麦出苗率增加，且叶面积系数、干物质积累量、产量均有所提高。

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