不同阶段夜间增温对小麦生长特性及产量的影响

2021-09-23刘秋霞樊永惠王华斌武倩倩张文静马尚宇黄正来

麦类作物学报 2021年5期

刘秋霞，樊永惠，罗音，王华斌，武倩倩，张文静，马尚宇，黄正来,4

(1.安徽农业大学农学院/农业部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室，安徽合肥 230036；2.华东师范大学生物科学学院，上海 200241；3.安徽农业大学农业园管理中心，安徽合肥 230036；4.江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏南京 210095)

气候变暖的突出特征是夜间气温升高，预计到本世纪末，全球年平均气温将上升1.0～3.7 ℃[1]。研究表明，在过去几十年间，全球平均最低气温(夜间温度)的上升速度快于最高气温(白天温度)[2-3]，这一增温规律又称非对称性增温，表现为冬春季节的增温幅度大于夏秋季节；夜间增温幅度大于白天[4]。气候变暖、人口的增长使得全球农业生产和粮食安全面临着前所未有的挑战。小麦作为主要的温带谷物之一，是人类饮食中能量和蛋白质的重要来源[5-6]，其生长受温度影响，而非对称性增温对小麦生产的影响还不明确。研究不同阶段夜间增温对小麦生长发育的影响，对气候变化背景下实现小麦的优质高产具有重要意义。

小麦叶面积在一定程度上决定了小麦冠层对光的利用能力及小麦的生长速率，小麦旗叶的生理活性直接影响植株干物质的积累与产量的形成[7-8]。温度对叶片机能的影响程度与植株细胞内抗氧化系统活性有密切的关系，温度胁迫会使植株体内活性氧与自由基大量积累，造成氧化代谢平衡失调，加剧细胞膜脂过氧化程度，加速细胞解体[9-10]。并对作物产量造成一定影响[11]。Hernandez-Ochoa等[12]通过模型研究认为，在气候变化背景下，到2050年小麦产量将普遍下降。Zheng等[13]研究表明，夜间温度增加1 ℃，小麦产量平均增加10.1%。Tian等[14]研究发现，增温能增加小麦旗叶的叶面积和叶绿素含量，使冬小麦产量显著增加。前人研究温度对小麦的影响主要侧重于温度对小麦生长发育及其产量形成的影响[15-16]，增温时段多为整个生长季的增温或者是季节性的集中增温[17-18]，有关小麦不同生育阶段夜间增温对其生长发育影响的报道较少。因此，本研究采用被动式增温装置，在小麦不同生长阶段进行夜间增温，探究前期增温对小麦生长发育、花后旗叶衰老特性和产量的影响，以期为未来气候变化新态势下小麦生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2018年11月—2019年5月在安徽农业大学校内试验基地农萃园(31.83°N， 117.24°E)进行，该区属于亚热带季风性气候区，2018—2019年的平均温度为16.87 ℃。试验地土壤为黄棕土，播种前0～20 cm土层土壤速效氮为86 mg·kg-1，速效磷为13 mg·kg-1，速效钾为71 mg·kg-1，土壤有机质含量为1.39%。试验地配备全天候自动化温度监控系统(RC-4HC温度记录仪)，每10 min自动记录一组数据，监测作物冠层温度。试验期间试验地温度和降水状况如图1所示，其中，日昼均温为每10dAM8:00—PM 18:00的平均气温，夜均温为每10 d PM 18:00—AM 8:00(次日)的平均气温。

图1 试验期间试验地降水量与小麦冠层日均温度

1.2 试验材料及设计

供试材料为本地区大面积推广的小麦品种扬麦18。采用原位土回填的大田盆栽的栽培方式(即取大田0～20 cm耕作层土壤装入试验盆，然后将试验盆埋入试验田中)。小麦种植于聚乙烯塑料盆，每盆(高30 cm，直径25 cm)装过筛土 7.5 kg，盆底部嵌入地面以下20 cm。为保证植株营养需求，每盆施用全N 1.2 g、P2O50.36 g和K2O 0.9 g，分别相当于大田每公顷施纯N 220 kg、P2O590 kg、K2O 165 kg。其中氮肥分两次施入，基追比为5∶5，追肥于拔节期施入。土壤经水沉实后播种，每盆播种20粒，在三叶一心时，间苗至每盆8株。每个处理21盆，4个处理共计84盆。试验盆周围大田种植相同品种小麦，种植及栽培管理方式同当地高产田。

参照并改进NIJS等[19]的方法，采用被动式夜间增温装置，即采用可移动的塑料增温棚(长 3 m，宽2 m，高1.5 m)进行增温，以不增温为对照(NN)，增温时段为夜间(PM 18:00—AM 8:00)，设分蘖期—拔节期(NWT-J)、拔节期—孕穗期(NWJ-B)、孕穗期—开花期(NWB-A)处理。其中分蘖期—拔节期(NWT-J)处理时间为12月15日至3月7日，平均较对照增温ΔT=1.16 ℃，拔节期—孕穗期(NWJ-B)处理时间为3月8日至3月29日，平均较对照增温ΔT=1.44 ℃，孕穗期—开花期(NWB-A)处理时间为3月30日至4月13日，平均较对照增温ΔT=1.68 ℃。每天由专人按时覆盖和揭开塑料薄膜，为保证试验地接收的降水量保持一致，雨雪天不进行增温处理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质积累量和旗叶面积测定

开花后每小区选取同一天开花、长势一致的6盆麦穗挂牌标记。在开花期、成熟期选标记的20个单茎取地上部样，分为叶片、叶鞘+茎秆、穗(成熟期分为穗轴+颖壳、籽粒)之后于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。花后每间隔5 d取标记小麦的旗叶10片，迅速测量旗叶的叶长与叶宽，之后液氮速冻并放入-80 ℃保存备用。均3次重复。采用系数法换算叶面积，即旗叶面积=叶长×叶宽× 0.85。

1.3.2 叶绿素含量测定

叶绿素含量采用丙酮与无水乙醇混合液 (2∶1)浸提，用比色法测定[20]。

1.3.3 丙二醛含量与抗氧化酶活性测定

采用硫代巴比妥酸法测定膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量；超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用NBT光还原法；过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性则采用紫外吸收法测定[20]。

1.3.4 产量及其构成因素测定

成熟期每个处理取6盆进行有效穗数、穗粒数的调查，并收获计产，测定千粒重。

1.4 数据分析

采用Excel 2019进行数据处理，用SPSS 13.0进行方差分析和差异显著性检验，采用Origin 8.5 作图。

2 结果与分析

2.1 不同阶段夜间增温对小麦旗叶及干物质积累的影响

2.1.1 对旗叶面积和叶绿素含量的影响

由图2可知，花后0～10 d，与对照相比，增温处理的小麦旗叶面积均大于对照，但差异不显著。花后15 d，NWB-A处理的小麦旗叶面积最大，并显著大于对照。在花后20～25 d，夜间增温处理小麦旗叶面积均小于对照，但差异不显著。这可能与夜间增温使小麦生育后期旗叶衰老速率加快有关。

由图3可知，花后0～10 d，增温处理下小麦旗叶叶绿素含量均高于对照，但差异未达显著水平。花后15 d，小麦旗叶叶绿素含量下降速度加快，增温处理下小麦旗叶叶绿素含量低于对照，但处理间差异未达到显著水平。在花后20～25 d，夜间增温处理小麦旗叶叶绿素含量均低于对照，其中花后25 d，NWT-J处理叶绿素含量最低，且显著低于对照。这表明开花前夜间增温有效提高了花后0～15 d旗叶叶绿素含量，利于花后植株光合作用的进行。

图3 不同阶段夜间增温对花后小麦旗叶叶绿素含量的影响

2.1.2 对干物质积累与分配的影响

由图4可知，与对照相比，NWT-J、NWJ-B处理均显著提高了小麦开花期干物质积累量，依次较NN分别增加了10.63%和13.78%，NWB-A处理与对照差异不显著。不同阶段夜间增温均能增加小麦成熟期的干物质积累量，各处理之间差异均达到显著水平，表现为NWJ-B>NWT-J>NWB-A>NN，NWT-J、NWJ-B、NWB-A较 NN分别增加了12.61%、23.93%和8.31%。表明不同阶段夜间增温能有效提高成熟期小麦的干物质积累量。

从表1可看出，不同阶段夜间增温对小麦成熟期干物质在各器官中的分配量和比例均有不同程度的影响。与NN相比，NWT-J、NWJ-B处理显著提高了茎鞘+叶片、穗轴+颖壳、籽粒的分配量，NWB-A则无显著差异。在成熟期籽粒中，NWJ-B处理的分配量和比例均最大，与NN处理差异显著；NWT-J处理的分配量显著高于NN，分配比例与NN差异不显著；NWB-A处理的分配量与比例均较NN有所提升，但差异未达到显著水平。这表明拔节期—孕穗期夜间增温能有效提高小麦成熟期干物质的积累量及其在各器官的分配量和比例，分蘖期至拔节期夜间增温的影响较小，孕穗期至开花期夜间增温对其影响不明显。

表1 不同阶段夜间增温对小麦成熟期干物质在各器官中分配量和比例的影响Table 1 Effect of night warming at different stages on the distribution and proportion of dry matter in wheat organs at maturity

相同时期图柱上不同字母表示处理间差异显著。

2.2 不同阶段夜间增温对小麦氧化代谢指标的影响

2.2.1 对旗叶丙二醛(MDA)含量的影响

图5表明，花后0～15 d，夜间增温处理小麦旗叶MDA含量始终低于对照；花后20～25 d，NWB-A、NWJ-B和NWT-J处理小麦旗叶MDA含量均高于NN，且差异显著，以 NWB-A处理小麦旗叶MDA含量最高。说明不同阶段夜间增温可降低花后0～15 d小麦旗叶的MDA含量，减缓小麦旗叶的膜脂过氧化程度。

图5 不同阶段夜间增温对小麦旗叶丙二醛(MDA)含量的影响

2.2.2 对旗叶中抗氧化物酶活性的影响

由如图6A所示，不同阶段夜间增温处理下，花后0～15 d小麦旗叶SOD活性均高于对照，处理间表现为NWT-J>NWJ-B>NWB-A>NN；花后20～25 d则表现为对照小麦旗叶SOD活性高于增温处理。这表明经过不同阶段夜间增温，小麦旗叶的抗氧化能力在灌浆前期均高于对照，而花后20～25 d小麦旗叶衰老速度加快。图6B表明，花后小麦旗叶POD活性表现出先增加后降低的趋势；POD活性在花后5 d表现最高，其中花后0～15 d增温处理小麦旗叶POD活性均高于对照；花后20～25 d则表现为对照旗叶POD活性高于各增温处理。由图6C可知，开花后小麦旗叶CAT活性表现出逐渐降低的趋势，不同阶段夜间增温提高了花后0～15 d小麦旗叶的CAT活性，但花后20～25 d增温条件下小麦旗叶CAT活性均低于对照。以上结果表明，不同阶段夜间增温可使小麦旗叶在花后0～15 d表现出较高的抗氧化能力，有利于旗叶维持正常的光合作用，而灌浆后期小麦旗叶衰老速率加快。

2.3 不同阶段夜间增温对小麦产量及其构成因素的影响

2.3.1 对产量及其构成因素的影响

由表2可知，不同阶段夜间增温对小麦产量影响程度不同，其中，NWT-J、NWJ-B处理与对照相比产量分别提高了6.03%、8.75%，而NWB-A处理则较对照降低0.94%。从产量构成因素来看，与对照相比，NWT-J和NWJ-B处理增加了有效穗数，NWB-A降低了有效穗数，但差异均不显著；NWJ-B处理增加了穗粒数，NWT-J和NWB-A处理降低了穗粒数，但差异均不显著；不同阶段夜间增温均能显著提高小麦的千粒重，NWT-J、NWJ-B、NWB-A处理与NN相比千粒重分别提高3.07%、4.22%和3.62%，不同增温处理间无显著差异。综合来看，不同阶段夜间增温对小麦产量及其构成因素有不同程度的影响，与NN相比，NWJ-B处理显著提升了小麦产量，NWT-J处理的产量虽有提升，但未达到显著水平； NWB-A处理产量表现最低，并显著低于NWJ-B，NWB-A处理的有效穗数、穗粒数及产量均低于NN，但差异不显著。

表2 不同阶段夜间增温对小麦产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of night warming at different stages on wheat yield and its components

2.3.2 产量构成因素与产量的相关分析

由表3可知，有效穗数与产量呈极显著正相关，穗粒数、千粒重与产量显著正相关。结合表1可知，与NN相比，NWT-J处理显著提高了小麦有效穗数，从而提高小麦产量；NWJ-B处理显著提高了穗粒数和千粒重，从而显著提高小麦产量；NWB-A处理仅千粒重显著高于NN，有效穗数和穗粒数均低于NN，导致产量低于对照，但二者差异不显著。

表3 产量及其构成因素的相关分析Table 3 Correlation analysis of yield and its components

A：超氧化物歧化酶；B：过氧化物酶；C：过氧化氢酶。

3 讨论

3.1 夜间增温对小麦生长发育的影响

叶面积在一定程度上决定着作物冠层对光照的利用能力和生长速率，进而影响作物的生物量积累和产量的形成[22]。作物的叶面积除了受遗传基因的影响，在生长过程中也会受到水、氮、温等环境因素的影响，而环境因素中温度对叶面积的影响最大[23]。本研究发现，夜间增温条件下小麦花后0～15 d旗叶面积、旗叶叶绿素含量均高于对照。研究表明，抽穗期、扬花期及灌浆期的干物质积累量对作物产量贡献显著[24]；冬季夜间增温可以增加小麦的旗叶面积、叶绿素含量，使冬小麦产量显著增加[14]。这说明旗叶面积、叶绿素含量的提高有利于小麦产量的形成。吴杨周等[25]研究表明，温度升高2 ℃显著增加了拔节至孕穗期冬小麦地上部生物量和总生物量。Hu等[26]也认为，夜间增温能增加拔节期至开花期小麦的干物质积累量。本研究结果表明，不同阶段夜间增温处理能有效提高小麦地上部生物量的积累，以成熟期表现最为明显，而夜间增温对小麦成熟期干物质在各器官中的分配量和比例的提升幅度以NWJ-B处理最显著。这可能是由于增温有效提高了小麦旗叶面积和叶绿素含量，有较多的光合产物用于植株的生长，促进了小麦地上部生物量的积累。本研究结果与前人研究结果一致[25]。但Fang等[18]认为，温暖年份，夜间增温小麦地上部生物量与对照相比无显著差异，而寒冷年份夜间增温小麦地上部生物量显著高于不增温处理。因此分蘖至拔节期(冬季)夜间增温对小麦干物质积累的影响还需要更多品种和年份田间试验的进一步研究证明。

3.2 夜间增温对小麦旗叶氧化特性的影响

灌浆期小麦旗叶的生理活性直接影响干物质的积累和转运[8]，而花后旗叶的衰老速率会加快。小麦在衰老过程中各类抗氧化酶活性下降，破坏植株体内活性氧生产与清除系统的动态平衡，从而破坏膜脂结构阻碍光合作用的正常进行[27]。小麦抗氧化胁迫能力与其体内SOD、POD和CAT的活性和协同作用密切相关[28]，抗氧化酶维持较高活性可以延缓叶片的衰老[29]。本研究结果表明，NWT-J、NWJ-B和NWB-A处理提高了花后0～15 d旗叶的SOD、POD和CAT活性，这说明不同阶段夜间增温处理能有效提高旗叶的抗氧化能力，将有利于旗叶保持较高的活性氧清除能力，保证旗叶光合作用的正常进行，从而增加植株干物质以及产量的积累。本研究结果与Fan等[30]研究结论一致。植株体内活性氧含量的增加会造成膜脂过氧化，表现为MDA含量上升，从而形成氧化胁迫[31]。本试验条件下，不同阶段夜间增温处理能有效降低花后0～15 d旗叶MDA含量，说明可以减轻灌浆前期小麦旗叶的膜脂过氧化程度和细胞膜的损伤。这可能是夜间增温导致小麦旗叶抗氧化酶活性的提高，有效减轻了膜脂过氧化伤害程度，表明增温条件下小麦旗叶面积的增加和抗氧化能力的提高共同促进了植株干物质及产量的积累。

3.3 夜间增温对小麦产量的影响

气候变暖使农业生产的不稳定性增加，作物产量对温度的响应表现不一[23]。本研究结果表明，NWJ-B处理对小麦产量的提升幅度最大，其次为NWT-J。这与Zheng等[13]研究结论一致。分蘖期至拔节期夜间增温能提高有效穗数，这可能与分蘖期至拔节期的夜间增温促进了小麦的分蘖有关。NWJ-B处理下穗粒数和千粒重都得到了提升，因而与对照相比产量提升幅度最大。这可能是因为拔节期至孕穗期的夜间增温减缓了孕穗期低温天气对小麦幼穗发育的伤害，从而提高了穗粒数和千粒重。NWB-A条件下有效穗数、穗粒数及产量均低于NN，可能与孕穗期至开花期的夜间增温导致小麦夜间呼吸作用增强有关。卞晓波等[32]研究认为，在较低增温水平(1.1 ℃)下，寒冷年份白天增温的负效应大于夜间增温，而在温暖年份夜间增温的负效应大于白天增温。而当增温水平较高(1.8 ℃)时，夜间增温引起的减产大于白天增温。此外盆栽试验与大田环境存在一定差异，需要通过完善试验操作手段，实现模拟环境与大田环境最大程度的一致或相近[33]。而本研究只设置了夜间增温，并未设置全天增温，因此增温对小麦产量的影响还需要开展更进一步的试验来验证与完善。

本试验仅研究了增温单因子对小麦生长发育的影响，没有综合考虑气候变化背景下其他因素(如CO2浓度、降水)的变化对小麦生长发育及产量的影响，以及小麦地下部的生长对增温的响应。但小麦产量受到除温度影响外，还会受水分、光照、肥料等环境因素的影响[33]，因此探究增温是否为小麦产量提高的直接因子之一，以及更深入认识增温对小麦的影响及其机制，仍需进一步研究验证。