夜间增温对南京地区冬小麦生产的影响

苏海报 陈昆 江晓东 陈彰宇 李侃 甘维金

摘要：以扬麦13和徐麦31为试验材料，采用开放的田间增温系统对冬小麦进行全生育时期夜间增温处理，模拟气候变暖增温情景，探讨夜间增温对冬小麦生长发育过程和产量的影响机制。结果表明，夜间增温使冬小麦物候期提前，总生育时期天数缩短，且对偏暖年型的影响更为显著。夜间增温使冬小麦穗长、总小穗数和结实小穗数下降，不孕小穗数增加，不利于穗粒数形成，同时夜间增温使冬小麦有效穗数和千粒质量下降，最终导致产量的三要素共同下降，导致了冬小麦的减产，且在偏暖年型下，减产幅度更大。另外，夜间增温条件下，强筋冬小麦产量的减幅大于弱筋冬小麦。

关键词：气候变暖;夜间增温;冬小麦;生长发育过程;产量

中图分类号： S512.101文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0144-04

收稿日期：2018-10-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：41105078）;江苏省自然科学基金（编号：BK2011827）;江苏省高校优势学科建设工程项目（编号：09KJB210004）。

作者简介：苏海报（1989—），男，江苏徐州人，硕士，助理工程师，主要从事农业气象、天气预报研究。E-mail：suhaibao2018@163.com。

政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告（AR5）预估未来全球气候变暖仍将持续，21世纪末全球平均地表温度将在1986—2005年的基础上升髙0.3～4.8 ℃[1]，全球温度记录表明，夜间最低温度增幅大于白天最高温度增幅[2-4]。我国温度上升趋势与全球基本一致，近50年来我国陆地表面平均温度上升了1.38 ℃，变暖速率为0.23 ℃/10年[5]，预计到2050年将上升1.2～2.0 ℃[6]，增幅同样表现为夜间最低温度增幅大于白天最高温度增幅[7]，即全球气候变暖主要表现为日较差减小，夜间最低温度增幅大于白天最高温度增幅[8]。温度是作物生长发育的关键气象因子，夜间温度升高必然会对其产生一定的影响。

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，目前关于温度升高对其影响的研究尚存分歧。有研究表明，温度升高可以增加冬小麦的株高、叶面积指数、有效分蘖、有效穗数和千粒质量，使其增产[9-12]。也有研究表明，温度升高使冬小麦的无效分蘖增加，收获指数下降，导致减产[13-18]。从全球范围来看，温度升高和作物产量呈较为显著的负相关关系[19]。本试验拟通过设置田间开放式增温系统，分析夜间增温对冬小麦生长发育过程的影响，旨在探索夜间增温对冬小麦产量影响的机制，为气候变暖背景下冬小麦的生产措施提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于南京信息工程大学农业气象试验站（118.70°E、32.20°N）内，属于亚热带季风气候，年平均温度为15.6 ℃，年极端最高温度为39.7 ℃，年极端最低温度为-13.1 ℃，年平均降水量为1 100.0 mm，年平均无霜期为237 d，年平均日照时数超过1 900 h。试验地前茬作物为水稻，收获后，秸秆还田处理。试验地土壤质地为壤质黏土，黏粒含量为26.1%，土壤pH值为6.2，有机碳、全氮含量分别为19.4、11.5 g/kg。

1.2试验材料与处理

试验材料為扬麦13（弱筋冬小麦，籽粒蛋白质含量约为11%）和徐麦31（强筋冬小麦，籽粒蛋白质含量约为16%）。试验周期为2012—2014年2个冬小麦生长季，均于11月15日播种，5月30日前收获。试验地肥料用量分别为氮肥（N 168 kg/hm2）、磷肥（P2O5 105 kg/hm2）和钾肥（K2O135 kg/hm2），磷、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥分为底肥和拔节肥，用量各1/2，生产管理参照当地高产栽培技术规程。

依据对我国未来温度变化的预测[1-5]，设定的平均温度增幅为2.0 ℃。本试验共设置2个处理，分别为不增温处理（CK）和夜间增温处理（NW）。CK是指在自然温度下的处理，NW是指在18：00至次日06：00对冬小麦冠层进行2.0 ℃ 增温的处理。冬小麦出苗后开始进行夜间增温处理（雨雪天停止增温），直至冬小麦收获。每个小区面积为3 m×3 m=9 m2，重复3次，随机排列。相同增温处理小区的间隔为0.5 m，夜间增温处理小区与不增温处理小区的间隔为2.5 m，间隔栽培冬小麦作为保护行，防止热量扩散相互影响。参照《农业气象观测规范》观测冬小麦的生育时期，每小区选定2行1 m长发育期观测区，随机选取10株冬小麦用来测定叶面积指数、株高和干物质质量等一系列的生长指标，并求平均值[20]。

1.3试验期间增温系统设计和效果

1.3.1增温系统设计

本系统主要由电力系统、温度控制系统、温度监测系统和加热系统4部分组成。电力系统由南京信息工程大学农业气象试验站提供，温度控制系统主要由自行研制的单片机、定时器和温度传感器等组成，温度监测系统主要由温湿度传感器、地温传感器、数据采集器和蓄电池等组成，加热系统主要由红外陶瓷加热灯和白色不锈钢红外反射灯罩组成[15]。另外，随着冬小麦的生长，冠层温度传感器位置逐渐上移，地温传感器位置不变。

1.3.2增温系统效果

从表1可以看出，在冬小麦的整个生育时期内，夜间增温时段冬小麦冠层的平均温度增幅效果良好，基本满足试验需求。

1.4试验期间气候背景

表2给出了南京市30年（1981—2011年）冬小麦生长季的各月平均温度及本试验2个冬小麦生长季的平均温度距平。2012—2013年冬小麦生长季的平均温度距平仅0.14 ℃，与30年平均温度基本持平，属于平均年型。2013—2014年冬小麦生长季的平均温度距平达1.19 ℃，比往年温度偏高，属于偏暖年型。

1.5数据处理

所有数据用Excel 2013软件整理，DPS 9.5和SPSS 19.0软件统计分析。

2结果与分析

2.1夜间增温对冬小麦物候期和生育时期天数的影响

扬麦13和徐麦31的物候期及生育时期天数基本一致。从表3可以看出，夜间增温使2种年型冬小麦各物候期不同程度提前，全生育时期天数缩短，且对偏暖年型的影响更为明显。夜间增温条件下，2012—2013年（平均年型）冬小麦生长季以拔节期提前最为明显，提前6 d;2013—2014年（偏暖年型）冬小麦生长季拔节期、孕穗期和成熟期均提前7 d。与CK相比，NW使2012—2013年冬小麦生长季总生育时期天数缩短4 d;使2013—2014年冬小麦生长季总生育时期天数缩短7 d。

2.2夜间增温对冬小麦叶面积指数的影响

叶片是作物进行光合作用的主要器官，叶面积指数（LAI）的大小直接影响作物受光和农田小气候，是作物群体结构合理性的标志之一[15，20]。从表4可以看出，夜间增温不同程度地提高了2种年型冬小麦开花前LAI（不显著），降低了开花后LAI（较显著）。与CK相比，NW使2012—2013年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的开花前LAI分别提高了1.40%、2.16%，开花后LAI分别降低了5.56%、8.55%;使2013—2014年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的开花前LAI分别提高了2.21%、4.42%，开花后LAI分别降低了7.79%、11.25%。总体来看，夜间增温条件下，冬小麦开花前LAI增幅小于开花后LAI降幅，说明NW对开花后LAI的影响更大一些。品种间比较则可以发现，开花前或开花后LAI，NW对徐麦31的影响都更大一些。

2.3夜间增温对冬小麦株高的影响

株高是衡量作物生长速度的标志之一[15]。从表5可以看出，夜间增温提高了2种年型冬小麦株高，品种间表现也基本一致，但影响均较小。与CK相比，NW使2012—2013年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的株高分别提高了2.75%、3.16%;使2013—2014年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的株高分别提高了2.91%、0.50%。

2.4夜间增温对冬小麦穗部特征的影响

从表6可以看出，夜间增温不同程度降低了2种年型冬小麦穗长、总小穗数和结实小穗数，增加了不孕小穗数，且对偏暖年型的影响更大。与CK相比，NW使2012—2013年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的穗长分别降低了10.81%、9.57%，总小穗数分别降低了7.46%、4.71%，结实小穗数分别降低了8.74%、6.21%，不孕小穗数分别提高了5.56%、14.29%;使2013—2014年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的穗长分别降低了12.32%、10.34%，总小穗数分别降低了8.59%、6.35%，结实小穗数分别降低了10.61%、8.67%，不孕小穗数分别提高了10.53%、18.75%。

2.5夜间增温对冬小麦产量构成因素的影响

产量三要素为单位面积的有效穗数、穗粒数和千粒质量，它们对产量的形成至关重要[15，20]。从表7可以看出，夜间增温不同程度地降低了2种年型冬小麦的有效穗数、穗粒数、千粒质量和产量，且对偏暖年型的影响更为显著。与CK相比，NW使2012—2013年冬小麦生长季扬麦13和徐麦31的产量分别降低了4.32%、7.25%;使2013—2014年冬小麦生长季揚麦13和徐麦31的产量分别降低了9.95%、11.46%。总体来看，夜间增温条件下，2种年型冬小麦生长季徐麦31的产量降幅均大于扬麦13，说明NW对强筋冬小麦的影响更大。

3讨论与结论

IPCC第四次报告指出，春季的物候现象（植物和动物）出现时间提前，与气候变暖造成的生长季变化有关[3]，在过去10年中，大约有385种植物的开花期比40年前提前了4.5 d，当温度升高2.5 ℃时，许多植物的开花期提前了5～25 d[21-22]。本研究表明，对南京地区而言，夜间增温使冬小麦物候期提前，总生育时期天数缩短，且对偏暖年型的影响更为显著。

作物产量形成的实质是其和环境之间物质-能量的转化过程[23]。高永刚等认为，近40年来，我国东北地区玉米产量受气候变暖影响一直增加，增速为4.81%/10年，而大豆以1.52%/10年的速度减产[24]，西北地区不同作物产量也有增有减，不尽相同[25]。单位面积的有效穗数、穗粒数和千粒质量是产量构成的三要素[20]。房世波等的研究表明，夜间增温增加了冬小麦的无效穗数，显著减少了有效穗数、穗粒数和千粒质量，最终导致减产[8]。刘萍等的研究表明，花后高温对弱筋冬小麦的粒质量影响较小，对强筋小麦的粒质量影响较大[26]。高素华等的研究表明，随着温度的升高，作物产量逐渐下降[27-29]。本研究表明，对南京地区而言，夜间增温对冬小麦株高影响较小，对开花后LAI影响较大，LAI下降不利于光合作用进行[30-31]，而且夜间增温使日较差减小，导致夜间呼吸消耗加剧，不利于物质积累[32]。另外，夜间增温使冬小麦穗长、总小穗数和结实小穗数降低，不孕小穗数增加，不利于穗粒数形成，同时夜间增温使有效穗数和千粒质量下降，最终导致产量三要素共同下降，导致了冬小麦减产。本研究同时表明，夜间增温对强筋冬小麦的产量影响更大，对弱筋冬小麦的产量影响较小。由于本研究是在南京地区进行的试验，对其他地区冬小麦产量的影响还有待进一步探索。建议在全球气候变暖背景下，采用适宜品种或者措施来应对温度升高产生的不利影响，从而确保冬小麦的稳产和高产。

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