增温对冬小麦产量的影响因土壤类型而不同

赵红飞，潘仕球，乔云发，高雅晓玲，苗淑杰

（应用气象学院，南京信息工程大学，南京 210044）

0 引言

IPCC指出，全球年均气温增加趋势明显，预测到2100年前后中国大陆平均气温将升高2℃[1-2]。温度的逐渐增加势必会影响小麦生长和产量，进而影响中国粮食安全[3]。尽管已经对增温条件下小麦产量变化作了大量研究，但是增温对小麦产量的影响一直存有争议。谭凯炎等[4]发现，偏冷年份增温会导致生长在河北地区典型褐土上的冬小麦增产，而偏暖年份增温会导致冬小麦减产。王鹤龄等[5]发现增温会导致生长在兰州黄绵土上的春小麦产量下降。田云录等[6]发现增温会导致生长在南京地区棕壤土上的冬小麦增产。李娜等[7]发现增温会导致生长在宁夏地区白疆土上的春小麦减产。前人研究所获得的不一致的结果可能是由于小麦品种、气候条件和土壤类型的差异所导致的。其中，土壤类型是影响小麦产量对增温响应的一个重要因素[8]。姬景红等[9]研究发现作物对养分的吸收、利用和积累会因不同地区的土壤和气候存在差异。车京玉等[10]的研究发现春小麦产量在不同类型土壤的表现为沙壤质黑土＞淋溶黑钙土＞草甸黑钙土。郭丹丹等[11]发现黑土条件下春小麦株高、穗长、千粒重和籽粒产量均优于潮土条件下的小麦。Ludwig[12]发现与西澳大利亚的黏土相比，酸性沙壤土上的小麦生产更容易受到气候变暖的影响。Chami[13]发现与英格兰东部的沙壤土相比，增温可能对粉质粘土壤土上的小麦产生更大的负面影响。这些研究结果表明在理化性质不同的土壤类型中，小麦对增温的响应存在着差异[14]。

本研究的目的是揭示生长在不同类型土壤上的小麦对增温的响应。因为不同类型的土壤分布在不同的气候区，为了剔除气候条件的差异，笔者采取了空间移位的办法[15]。将黑土、棕壤、风沙土、潮土、红壤和砖红壤移到南京信息工程大学农业气象试验站，利用开放式增温系统进行24 h全生育期增温。调查小麦产量的变化，分析影响产量变化的因素，进而揭示不同土壤类型条件下增温的效应。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

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。试验站位于北亚热带季风气候区，四季分明，年平均气温为15.4℃。年平均降水为1106 mm，降水主要集中在5—8月。年平均相对湿度为76%，无霜期237天。

1.2 试验设计

供试小麦品种为‘济麦22’，适宜播种温度为14～16℃。

供试土壤为黑龙江黑土、辽宁棕壤、内蒙古风沙土、河南潮土、江西红壤和海南砖红壤。

试验采用农田开放式增温系统(FATI)，该装置包括远红外加热和温度监测两部分。远红外加热部分由165 cm×15 cm的红外辐射加热器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)构成。温度监测部分由两个L92-1+型温湿度记录仪组成。增温装置架设在小麦上方40 cm，温度探头始终保持在远红外辐射加热器下方的小麦冠层中，随着小麦的生长调节增温装置与冠层之间的距离。增温装置和温度探头之间保持40 cm的距离，以保证适当的增温幅度。从小麦出苗至成熟，采用24 h不间断增温模式。

试验采用随机区组框栽设计，框栽材料为PVC，规格为直径33 cm，深度50 cm，装土量35 kg，调整土壤容重与当地田间保持一致。框栽顶部高出地面5 cm，以防止土壤之间交叉污染。基肥用量为尿素(N:46%)每框1.00 g(117 kg/hm2)，磷酸氢二铵(N:18%,P2O5:46%)每框 3.50 g(409 kg/hm2)，硫酸钾(K2O:51%)每框1.00 g(117 kg/hm2)，无追肥。试验包含3个区组（即3个重复），每组设置对照(CK)和增温(eT)处理。在增温处理中，整个生长季日平均增温2℃。框栽试验于2018年10月27日进行播种，每框3穴，每穴3粒种子，出苗后每穴，尽量保留长势相近的植株一株，2019年5月18日收获。

1.3 测定项目与方法

（1）株高：在收获时测量主茎的高度。

（2）生物量测定：收获时，将每株小麦的叶片、叶鞘和茎干分开。用蒸馏水冲洗3遍，蒸馏水润洗一遍。放入烘箱105℃杀青1 h，然后在80℃下烘至恒重，称重。

（3）考种：小麦成熟后，调查穗数、穗粒数、千粒重和产量。

1.4 数据统计与分析

利用WPS 2019和OriginPro 2019软件进行数据统计与分析，本研究中数据均显示为平均值±标准误(n=3)。双因素方差分析(Two-way ANOVA)和LSD多重比较法分析各处理间差异。

2 结果

2.1 增温对生长在不同类型土壤上冬小麦株高的影响

增温有利于小麦植株长高（图1）。增温(eT)处理小麦的平均株高比对照(CK)增加了11.5%(P＜0.05)。eT对小麦株高的影响会因土壤类型的不同而变化。在eT条件下，生长在黑土、棕壤、风沙土、潮土、红壤和砖红壤的小麦株高比CK分别增加11.3%、11.6%、9.1%、13.8%、13.7%和9.2%。其中增温对小麦株高影响最小的发生在风沙土上，而影响最大的发生在潮土上。

2.2 增温对生长在不同类型土壤上冬小麦地上干重的影响

图1 增温对小麦株高的影响

图2 增温对冬小麦干物质积累的影响

增温有利于茎、叶片和穗干物质积累（图2）。eT处理小麦的地上部平均干重比CK增加了17.7%，而eT处理的茎、叶片和穗的平均干重比CK分别增加25.2%、23.8%和17.6%(P＜0.05)。eT对小麦地上干重的影响因土壤类型而不同。eT显著增加了生长在风沙土、潮土和红壤上的小麦地上干重，而生长在棕壤和砖红壤上的小麦地上干重无明显变化。eT对风沙土、潮土和红壤上生长的小麦地上干重的影响因子不同。对风沙土和红壤上生长的小麦来说，eT处理显著增加了小麦穗干重。而对潮土上生长的小麦而言，eT处理显著增加了小麦茎干重。eT对生长在黑土上小麦生物量的累积表现出负效应。eT条件下，生长在黑土上的小麦干重比CK下降了11.0%，其穗干重比CK下降了27.7%，而其茎干重和叶片干重比CK分别增长了10.0%和6.9%。这表明生长在黑土上的小麦地上干重的减少主要是由于穗部干重的降低引起的。

2.3 增温对生长在不同类型土壤上冬小麦产量及其构成要素的影响

增温有利于小麦穗粒数和产量的增加（表1）。eT处理下小麦平均穗粒数和平均产量比CK分别增加12.3%和12.8%，而小麦的平均有效穗数和平均千粒重与CK相比无明显差异(P＜0.05)。eT对小麦的产量及构成因素的影响因土壤类型而不同。在eT条件下，生长在潮土和砖红壤上的小麦穗粒数比CK分别增加24.3%和19.5%。在eT条件下，生长在风沙土和红壤上的小麦产量比CK分别显著增加44.7%和43.2%，而eT对生长在其他土壤类型上的小麦产量无显著影响。eT条件下黑土的小麦产量比CK显著减少33.3%，造成黑土的小麦产量下降的原因可能是因为有效穗数和千粒重的减少。在eT条件下，生长在黑土的小麦有效穗数和千粒重分别下降了17.0%和20.1%。

3 讨论

3.1 冬小麦株高受增温和土壤类型的调控

株高是衡量作物生长速度的标志之一[16]。本研究表明，增温会显著提高小麦的株高。这与田云录等[6]的研究结果一致，主要是因为增温减少了小麦的无效分蘖。但该结果与张凯[17]等研究认为增温会导致干旱区春小麦株高产生负效应有所差异，这可能是由于小麦品种和地域之间的差异造成。

增温对小麦株高的影响因土壤类型而不同。增温对小麦株高影响最小的发生在风沙土上。这与郭丹丹等[11]的结果相类似，主要是因为土壤肥力较高的土壤更有利于小麦的生长，而风沙土土壤肥力较低，难以满足增温后小麦生长对养分的需求。而影响最大的发生在潮土上，说明增温对生长在潮土上的小麦株高具有较好的促进效应。这可能是因为潮土对气候变化比较敏感，气温上升有利于提高微生物活性，加速土壤有机质分解，为小麦生长提供更多的养分[18]。

3.2 小麦地上干物质积累对增温和土壤类型的适应

增温有利于冬小麦茎、叶片和穗的干物质积累，从而贡献于其地上干物重的增加。这与前人的研究结果认为增温会加快植物的生长速率，以致干物质得到有效累积，生物量增加[19]的结果相一致。孔瑞等[20]也曾提出，增温可增加豆麦作物地上生物量和总生物量。这些研究结果表明，可能是增温在一定程度上延长了活跃生长期（没有越冬的生长期），促进了小麦地上部生长和干物质积累[21]。

各类型土壤上生长的冬小麦地上干重对增温的响应不同。增温显著增加了生长在风沙土、潮土和红壤上的小麦地上干重，而生长在棕壤和砖红壤上的小麦地上干重无明显变化，却抑制了生长在黑土上小麦生物量的累积。这些结果表明，增温对冬小麦地上干物质的积累的正负效应与土壤类型密切相关。尤其是对生长在黑土上的小麦地上干重的负效应主要来源于穗部干重的降低，该结果与杨卫君[22]等的结果类似，出现这些结果的可能原因是增温促进了小麦干物质向营养器官的分配，而使光合产物向收获器官的输送受到抑制的结果。虽然本研究证实了增温对冬小麦地上干物质积累的影响因土壤类型而不同，但是针对生长在各土壤区域的冬小麦不同生育期之间的干物质积累的情况尚未探明，有必要进行进一步的田间试验。

表1 增温对冬小麦产量构成因素的影响

3.3 小麦产量对增温的响应因土壤类型而不同

温度是植物生长发育的重要气象因子，温度的升高会使作物产量发生变化[23]。我们的研究发现，增温明显提高了各处理小麦产量，这与Qian等[26]和zhao等[27]的结果相类似。主要是因为增温增加了小麦株高，提升了冠层的透光率，有利于光合作用的进行和光合产物的积累，从而促进小麦增产[6]。然而，高美玲[24]等利用整合分析量化了田间不同增温幅度及不同时段增温对中国小麦产量及生育期的影响程度，发现全天增温对中国小麦产量无明显影响。卞晓波等[25]研究发现花后全天增温处理会显著降低小麦产量、穗粒数和千粒重。谭凯炎等[4]发现在不同气候背景下增温对冬小麦产量构成因素的影响不同，在偏暖年份增温会导致冬小麦穗粒数增加、千粒重下降；而偏冷年份增温会增加冬小麦的有效穗数。在本研究条件下，增温引起小麦穗粒数的增加，而对千粒重和有效穗数无明显影响。高丽莉等[28]和田云录等[6]均发现增温会增加冬小麦穗粒数和千粒重。这是因为在一定的温度范围内，株高与小麦的产量和穗粒数之间呈极显著正相关[21]。然而与石娇娇等[29]和杨卫君等[22]认为增温对小麦穗粒数和千粒重无明显影响的结果不同。这些不同的研究结果表明，在复杂的农业生态系统中，增温对小麦产量的影响会因为增温幅度、增温时期、环境条件和小麦品系的不同而产生差异。

冬小麦产量及其构成因子对增温的响应因土壤类型而不同。增温显著增加了生长在风沙土和红壤上的小麦产量，而对生长在其他土壤类型上的小麦产量无显著影响。这与高涛等[30]的研究结果不同，其研究发现，增温会导致风沙土上生长的小麦产量下降。引起这种差异可能是因为本试验地处北亚热带季风气候区，水热条件较好，增温有利于风沙土生产能力提升。增温条件下生长在黑土上的小麦产量显著降低，造成黑土上小麦产量下降的原因是有效穗数和千粒重的减少。这可能是因为增温降低了黑土的硝化作用[15]，从而导致土壤中硝态氮含量相对降低。而冬小麦是典型的喜硝作物，土壤中硝态氮含量下降引起冬小麦产量降低。虽然生长在不同类型土壤上的小麦产量对增温的响应存在明显差异，然而本研究仅仅为1年试验的结果，不能给出大田生产的可靠证据，本试验结果有待于进一步的长期和田间试验进行验证。

4 结论

增温促使冬小麦株高、地上干重、穗粒数和产量分别增加了11.5%、17.7%、12.3%和12.8%，这表明增温所致的穗粒数增加是冬小麦产量增加的主要因素。增温增加了生长在风沙土、红壤、潮土、黑土、砖红壤和棕壤上小麦株高，其中生长在潮土上的小麦株高增幅最大，生长在风沙土上的小麦株高增幅最小。然而，因为生长在不同类型土壤上的冬小麦对增温的适应能力不同，小麦产量对增温的响应趋势出现明显差异。增温提高了生长在风沙土、红壤上的小麦产量，却降低了黑土上的小麦产量。虽然本研究结果证实了生长在不同类型土壤上的冬小麦产量对增温的响应存在明显差异，但是仅为1年试验结果，不能给出大田生产的可靠依据，研究结果有待进一步长期试验进行验证。