长期温室栽培对玉米生长生理和土壤酶活性及养分平衡的影响

2022-04-15李旭红王雪玉李章波尹嘉敏

江苏农业科学 2022年6期

李旭红王雪玉李章波尹嘉敏

摘要：采用开顶式生长室（open-top chamber，简称OTC）小尺度的模拟控制试验，设置对照（CK），连续5年（2016—2020年）同步监测模拟增温处理对玉米生长特性及土壤酶活性和养分平衡的影响，为实现全球气候变化背景下玉米的优质高产提供科学依据和理论基础。结果表明，随着生长期的发展，OTC和CK处理下玉米茎粗、株高、比叶重、叶面积指数和单株生物量均呈逐渐增加的趋势，玉米分化期OTC和CK差异不显著（P>0.05），在抽雄期差异显著（P<0.05），在成熟期差异极显著（P<0.01）。OTC和CK处理下玉米叶片叶绿素a和叶绿素b、碳水化合物、蛋白质含量均呈逐渐增加的趋势，二者之间的差异随着生长期的发展而逐渐明显。随着生长期的发展，OTC和CK处理下玉米根际土壤有机碳、全氮、全钾、速效氮、速效钾含量以及土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶活性均呈逐渐增加的趋势，玉米分化期OTC和CK差异不显著（P>0.05），在抽雄期差异显著（P<0.05），在成熟期差异极显著（P<0.01）。回归分析表明，在玉米的整个生长期，土壤呼吸和土壤温度呈极显著的指数关系（P<0.01），成熟期拟合指数最高。相关性分析表明，温室栽培下玉米生长主要受到土壤有机碳、全氮、有效养分的调控。综合分析表明，温室栽培促进了玉米生长、生理生化特性、根际土壤养分和酶活性的提高，其中在成熟期的促进作用表现得最为明显。

关键词：日光温室;玉米;土壤养分;土壤酶活性

中图分类号： S513.04 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）06-0060-06

收稿日期：2021-06-16

基金項目：内蒙古自治区教育厅科学研究项目（编号：NJZY20053）。

作者简介：李旭红（1983—），女，内蒙古赤峰人，硕士，讲师，研究方向为作物栽培。E-mail：lxh28908@163.com。

立足于局地生态的研究视角，由于其在基本构成方面存在突出的多样性，加之不同生态子系统之间难以避免的交互作用，在多种因素综合作用下，从而导致局地生态系统的多样性、复杂性特点尤为突出[1-2]。近些年来，随着人类对自然开发程度的大幅提高，整个生态系统出现了突出的变化，尤其是气候变化尤为突出，甚至产生了长久的负面效应，在人类生产生活中产生了负面影响，成为制约可持续发展的绊脚石，尤其是在农业生产方面尤为突出[3-4]。通过长期的权威观测数据分析得知，本世纪的温室效应上升趋势尤为突出，从全球均温的角度来讲，温度上升已经达到了0.6 ℃[4]。通过对IPCC的评估报告分析得知，本世纪末全球气温上升趋势将有增无减，气温上升将超过1.8 ℃，甚至局部地区温度上升达到4 ℃[5-6]。受全球气温变化的突出影响，温室效应尤为突出，植被生长将直接受到无法避免的生境改变之影响，对其新陈代谢、水热条件等产生无可替代的制约。对于微生物而言，其不仅受到土壤状况的制约，同时受到水热等环境的制约，尤其是其新陈代谢和有机质降解速率方面，而微生物在土壤活力和肥力方面扮演着重要的参与角色，最终影响着作物等植被生长条件，制约土壤特性和作物产量[7]。基于此，从气候变化的角度探究作物生长及土壤特性，具有重要的现实意义。

对于玉米种植而言，其不仅具有较强的生态适应性和抗病性，而且产量高，成为重要的粮食作物，同时其在调节局地生态方面效果突出，具有重要的生态意义[8-10]。由于玉米种植在土壤生态中扮演着关键角色，因此开展其生长特性研究具有重要意义，同时通过探究土壤理化特性对气候变化的反应来深化研究玉米种植，从而为提升其产量和质量提供一定的参考，这也是对其生态适应性等方面的深化研究。基于此，本研究立足于玉米这一研究对象，从气温变化的视角下探究其生长特性，同时对土壤理化特性加以对比分析，试验过程中借助于开顶式生长室模拟控制试验加以观测分析，通过对温室栽培的持续观测探究玉米及土壤特性，进而探究其对气候变化的响应机理，为优化玉米种植提供有益参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选用的玉米品种为龙高L2号，所选择的野外试验田研究区域属于内蒙古农业大学，正式研究开始于2016年。为了尽可能地降低试验误差，本研究连续开展5年的观测分析，并将增温处理贯穿在玉米整个生长周期。通过气象资料分析，该试验区域均温为3 ℃，且年降水量并不高，仅为不足400 mm。受地理位置及气候影响，试验区域多分布壤质黏土，其pH值为8.3，土壤有机碳、全氮含量分别为6.12、0.92 g/kg。

1.2 试验设计

本研究设置不进行增温处理的对照组（CK），试验采取温室栽培处理（OTC），为了增加试验数据分析准确性，对于各个处理，本研究分别进行6次重复，从而形成试验小区共计12个。要求温室栽培小区长、宽均为5 m，四周由氟化玻璃密封处理，玻璃厚度2 cm，高度为4 m，为了有效降低气体交换，在顶不开口后进行相应的收紧处理，对于增温处理，本研究借助于红外辐射加热管这一途径，在各生长室内布放加热管1根，要求其温差不超过0.2 ℃，增温处理从2015年开始，采取24 h不间断，要求增温达到5 ℃;而对于对照组不进行加热处理。为了进行温度采集及记录，本研究过程中借助于温度数据采集器，型号为Fluke 2638A全能型，温度采集主要集中在生长季，尤其是晴朗无风天气下，每间隔1 h进行1次气温采集，不仅对地上生长区域进行气温采集，对于地下10 cm深度也要进行温度采集，采集区域不仅包括OTC处理小区，也包括对照组。

为了便于开展观测研究，研究过程中需要沿着研究小区的边缘埋入土壤呼吸底座，要求直径、高度分别为20、10 cm，同时定期将杂草清除。为了进行一定时间的生态环境平衡，开展土壤呼吸观测之前需要将PVC测量圈提前1个月埋入土壤，这样能够更大程度降低环境的影响，从而利于观测准确性。对于土壤呼吸测量而言，也要贯穿在玉米生长季，测量时间主要集中在上午，借助于碳通量测量系统进行数据采集，具体型号为LI-8100开路式，测量频率为每周。

1.3 测定项目及方法

在每年的8月底进行收割处理，首先在每个长、宽均为0.5 m的见方内进行地上植株收割，以便于地上生物量测定，同时采集部分成熟叶片，置于实验室条件下烘干处理，要求温度达到65 ℃，待其恒质量后备用。此外，还要采集土样，本试验借助于四分法，从地表向下15cm深处进行原状土样采集，要求采样量超过2 kg，密封后置于实验室，将其杂质清理干净后过筛，于4 ℃保存。

1.3.1 玉米生化性状在不同的生长期，选取10株较为接近的植株，对其株高、茎杆等进行测量，并对叶片干质量及叶面积指数进行测量，从而获取比叶重[11]。

不同的生长期各小区分别选取植株10株，对其株高、茎粗测量后记录，对于叶面积指数的测定借助于扫面仪，之后待其成熟后收割称质量。

将玉米叶片烘干后进行粉碎处理，对于叶绿素含量的测定借助于混合液浸提法，同时使用辅助仪器CCM-200叶绿素仪，对于碳水化合物、蛋白质含量的测定分别借助于蒽酮法、考马斯亮兰法[12]。

在玉米成熟期开展土样采集，本试验借助于四分法，从地表向下15 cm深处进行原状土样采集，要求采样量超过2 kg，密封后置于实验室，将其杂质清理干净后过筛，于4 ℃保存，以备测量酶活性[13]。

在玉米不同的生长期，本研究从07：00开始，每间隔3 h进行1次土壤呼吸测量，直至16：00结束，在此过程中运用CO2分析仪[14]进行测量。

1.4 数据统计分析

本研究首先利用Excel 2010对试验过程中获取的数据进行相应的整理汇总，之后利用SPSS 21.0开展一系列的统计分析，采用的分析数据为多次测定的数据均值，并对数据进行对数转换、显著性检验等分析。

2 结果与分析

2.1 温室栽培对玉米生长发育的影响

从表1可以看出，在温室栽培处理下，玉米的生长特性出现了较大的改变，虽然其茎粗、株高存在一定的差异，但是其整体变化趋势较为接近，虽然生长周期不同，但是其OTC处理下生长特性好于对照组CK，对于比叶重、叶面积指数来讲亦是如此。随着生长时间的增加，无论是OTC处理，还是对照组CK，对于玉米茎粗、株高、单株生物量而言，其上升发展趋势尤为突出，对于比叶重、叶面积指数来讲亦是如此;但是其差异在抽雄期和成熟期达到了显著状态，而分化期不同处理下并未达到显著状态。综合来看，在温室栽培处理下，玉米生长发育状态更佳，对于玉米长势起着积极作用，在生物量积累方面起着较为突出的促进作用，尤其是在成熟期。

2.2 温室栽培对玉米生理生化特性的影响

从表2可以看出，在温室栽培处理下，玉米的生理生化特性出现了较大的改变，虽然其叶绿素a、叶绿素b、叶片N含量存在一定的差异，但是其整体变化趋势较为接近，虽然生长周期不同，但是其OTC处理下理化特性好于对照组CK，对于蛋白质含量、碳水化合物来讲亦是如此。对于叶片P含量而言，不同处理下并没有明显的变化，且差异未达到显著状态，说明温室栽培并未对其产生影响。随着生长时间的增加，无论是OTC处理，还是对照组CK，对于叶绿素a、叶绿素b、叶片N含量而言，其上升发展趋势尤为突出，对于蛋白质、碳水化合物含量来讲亦是如此;但是其差异在抽雄期和成熟期达到了显著状态，而分化期不同处理下并未达到显著状态，随着生长期的增加，不同处理下的玉米理化特性差异更为突出。综合来看，除了叶片P含量之外，在温室栽培处理下，玉米理化生长特性更为突出，对于玉米长势起着积极作用，尤其是在成熟期。

2.3 温室栽培对玉米根际土壤养分的影响

从表3可以看出，在温室栽培处理下，玉米的根际土壤养分出现了较大的改变，虽然其有机碳、速效氮、速效钾含量存在一定的差异，但是其整体变化趋势较为接近，虽然生长周期不同，但是其OTC处理下理化特性好于对照组CK，对于全氮、全钾含量来讲亦是如此。对于土壤全磷含量而言，不同处理下并没有明显的变化，且差异未达到显著状态，说明温室栽培并未对其产生影响。随着生长时间的增加，无论是OTC处理，还是对照组CK，对于有机碳、速效氮、速效钾含量而言，其上升发展趋势尤为突出，对于全氮、全钾含量来讲亦是如此;但是其差异在抽雄期和成熟期达到了显著状态，而分化期不同处理下并未达到显著状态，随着生长期的增加，不同处理下的玉米根际土壤养分含量差异更为突出。综合来看，除了土壤全磷含量之外，在温室栽培处理下，玉米根际土壤养分增加趋势更为突出，对于玉米长势起着积极作用，尤其是在成熟期。

2.4 温室栽培对玉米根际土壤酶活性的影响

从表4可以看出，在温室栽培处理下，玉米的根际土壤酶活性出现了较大的改变，虽然其土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性存在一定的差异，但是其整体变化趋势较为接近，虽然生长周期不同，但是其OTC处理下理化特性好于对照组CK，对于过氧化氢酶、碱性磷酸酶来讲亦是如此。随着生长时间的增加，无论是OTC处理，还是对照组CK，对于脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性而言，其上升发展趋势尤为突出，对于过氧化氢酶、碱性磷酸酶来讲亦是如此;但是其差异在抽雄期和成熟期达到了显著状态，而分化期不同处理下并未达到显著状态，随着生长期的增加，不同处理下的玉米根际土壤酶活性差异更为突出。综合来看，除了在温室栽培处理下，玉米根际土壤酶活性增加趋势更为突出，对于玉米长势起着积极作用，尤其是在成熟期。

2.5 温室栽培对生长期玉米土壤呼吸的影响

从表5可以看出，在温室栽培处理下，玉米的土壤呼吸出现了较大的改变，虽然生长周期不同，但是其OTC处理下理化特性好于对照组CK。随着生长时间的增加，无论是OTC处理，还是对照组CK，对于土壤呼吸而言，其上升发展趋势尤为突出;但是其差异在抽雄期和成熟期達到了显著状态，而分化期不同处理下并未达到显著状态，随着生长期的增加，不同处理下的玉米土壤呼吸差异更为突出。综合来看，除了在温室栽培处理下，玉米土壤呼吸增加趋势更为突出，对于玉米长势起着积极作用，尤其是在成熟期。为了探究土壤呼吸与温度之间的关系，本研究进行了拟合回归分析，从表5可以看出，二者指数关系尤为突出，且通过了0.01的显著性检验，拟合指数最高的是在成熟期。

2.6 温室栽培下土壤养分与玉米生长的相关分析

从表6可以看出，为了探究土壤有机碳与叶绿素a、叶绿素b、叶片N含量之间的关系，本研究开展了相关分析，其正相关性通过了0.05的显著性检验，对于株高和单株生物量来说亦是如此。对于全氮而言，其与叶片蛋白之间的正相关达到了极显著状态，与叶绿素a含量之间的正相关通过了0.05显著性检验，对于叶绿素b含量、株高和单株生物量亦是如此。对于全钾而言，其与叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶片蛋白含量之间的正相关通过了0.05显著性检验，而速效氮和速效钾含量与株高和单株生物量之间的正相关通过了0.01的显著性检验。综合来看，在温室栽培处理下，土壤有机碳、全氮、有效养分含量对于玉米长势起着积极调节作用。

3 讨论与结论

借助于开顶式生长室在增温方面能够取得较好的效果，同时能够满足气体交换流通的需求，避免出现不利的生态影响[15]。借助于增温棚开展增温处理，在降低风速方面效果突出，对于空气湍流起到了很好的减弱效果，这样温室内热量不易散失，如同形成温室效应;此外，玻璃纤维并不会严重阻碍太阳辐射，对于温室栽培效果较好。本研究在探究增温处理下玉米的生长作用机理过程中，借助于开顶式生长室模拟控制试验加以观测分析，通过对温室栽培的持续观测探究玉米及土壤特性，进而探究其对气候变化的响应机理。通过对比分析得知，随着温棚室温的增加，土壤温度也随之上升，但是其湿度出现了明显的下降，对于OTC处理而言，其植株长势较快，具有更大的叶面积，且分蘖数量较多，无论是叶面积指数还是比叶重，均高于对照组，说明温度的适度上升在玉米生长过程中具有较好的促进作用，利于其产量的提升，主要原因在于光合作用的增强[16-17]。对于玉米而言，籽粒的饱满程度很大程度上受制于光合作用，在光合作用下有机质合成效率更高，在叶面积指数较大的情况下其光能获取水平更高，与对照组相比而言，增温处理下具有更强的光照获取能力，同时增强了其新陈代谢能力，最终促进玉米长势和产量的提升，这也是玉米适应环境的生长机理[9-10]。

通过连续观测分析得知，随着玉米生长时间的不断增加，无论是对照组，还是OTC处理组，其碳水化合物、蛋白质均呈现出较为突出的上升趋势[18]，对于叶绿素a和叶绿素b亦是如此，但是随着生长期的增加，对照组出现较为明显的减弱趋势;对于玉米生长发育而言，其关键在于物质和能量的交换，温度在这一过程中起着尤为关键的作用[19-21]。在温度适度上升的情况下，玉米叶绿素含量出现上升趋势，对于光合能力起着增强作用，因此叶片具有更高含量的叶绿素。在增温处理下，玉米的可溶性糖和蛋白质含量均呈现上升趋势，叶片的N、P含量上升趋势也较为明显，促进了营养干物质的积累[18]，呈现出更强的环境适应性。在不同的生长期，增温的促进作用并不完全相同，其效果较为突出的是拔节期和抽穗期，且增温处理明显高于对照组，这是微生物、温度及湿度、根系等多种环境因子共同作用的结果[11-12]。

在土壤酶的作用下，土壤具有更为活跃的生物及化学反应，促进其新陈代谢和能量交换[15-16]，在这一过程中，温度成为关键的影响因子之一[7-8]。通过连续5年的观测分析对比得知，增温处理下玉米具有更高水平的土壤呼吸速率，且酶活性更强，以往不少学者也通过实证得出了类似结论[22]，且土壤温度与其呼吸之间的线性关系较为突出，增温的促进效应明显[8]。在温度上升的情况下，土壤有效养分更易积累，对于微生物群落分布有利，最终促进有机质分解，增强土壤养分和活性，促进土壤生态循环[19-21]。无论是土壤酶，还是土壤呼吸，其影响因素具有多样性，水热、光照、植被分布等都会产生不同程度的影响[23-24]。本研究为了探究多种环境因子与玉米生长之间的关系，特开展了相关分析，通过对比得知，土壤有机碳、全氮及有效养分含量对玉米生长的影响程度更高，尤其是在成熟期更为突出[20-21]。综合来看，温室栽培很大程度上促进了玉米生长。

玉米生长过程中受到一系列环境因子的制约，本研究主要侧重于温度这一影响因子，存在一定的局限性，下一步还需开展多种环境因子的影响效应分析。

参考文献：

[1]钞然，张东，陈雅丽，等. 模拟增温增雨对典型草原土壤酶活性的影响[J]. 干旱区研究，2018，35（5）：1068-1074.

[2]蒋容，余一，唐玉蓉，等. 增温和生物炭添加对农田土壤酶活性的影响[J]. 四川农业大学学报，2018，36（1）：72-77，85.

[3]高丽莉，李凤丹. 模拟增温对小麦生长、土壤酶活性和呼吸的影响[J]. 水土保持研究，2019，26（6）：359-363，371.

[4]郑海峰. 模拟增温对高山林线土壤酶活性和微生物群落结构的影响[D]. 雅安：四川农业大学，2018.

[5]曹聪，阮超越，任寅榜，等. 模拟增温对武夷山不同海拔森林表层土壤碳氮及酶活性的影响[J]. 生态学报，2020，40（15）：5347-5356.

[6]黄艳，李月蛟，樊利华，等. 粗枝云杉外生菌根介导的土壤碳氮过程对增温的响应[J]. 应用与环境生物学报，2019，25（6）：1319-1326.

[7]孔瑞，胡正华，陈书涛，等. 增温和降水量减少对冬小麦和大豆生物量和酶活性的影响[J]. 江苏农业科学，2019，47（23）：110-115.

[8]欧阳青，任健，尹俊，等. 短期增温对亚高山草甸土壤養分和脲酶的影响[J]. 草业科学，2018，35（12）：2794-2800.

[9]马志良，刘美，赵文强. 增温对高寒灌丛土壤呼吸不同组分的影响机制[J]. 生态环境学报，2019，28（3）：636-642.

[10]蒋容.模拟增温与生物炭对土壤理化性质及小麦生长的影响[D]. 雅安：四川农业大学，2018.