不同类型土壤下增温对小麦养分吸收和分配的影响

冯 茜,苗淑杰,乔云发

(南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京 210044)

根据IPCC第六次评估报告,21世纪前20年(2001-2020年)的全球地表温度比1850-1900年高0.99 ℃[1],2100年前后地表温度将升高 2.2～4.2 ℃[2-3]。全球气候变暖会导致的一系列环境问题,影响人类的正常生产和生活,目前已经成为全人类共同面对的重大危机与挑战。温度影响作物生长发育,温度变化会改变作物对养分等资源的利用。目前,针对气候变暖影响作物养分吸收的研究已有一些报道,但尚未达成一致的结论[4]。作物生长发育所需的养分主要来源于土壤,因而土壤养分的供应能力直接影响作物干物质积累和养分吸收[5]。不同类型土壤的肥力水平及基础理化性质不同[6-7]。在黄棕壤下,夜间增温后小麦干物质积累量和产量增加[8]。在改良龟裂碱土下增温超过1.0 ℃以上时,小麦氮磷钾养分吸收和干物质积累量与温度呈显著负相关[9]。在黑钙土和沙壤土下,增温促进了小麦地上部干物质积累,提高了氮素吸收量[10-11]。在褐潮土下增温导致小麦产量及干物质量显著降低[12]。由此可见,增温对作物干物质积累及养分吸收的影响与供试土壤类型和生境差异密切相关[13]。有关温度升高对小麦生产的影响已有较多研究,但大多数研究集中于单一类型土壤下小麦形态指标与产量性状的分析[14-15],而就土壤类型与温度互作对小麦干物质积累及养分吸收的影响鲜有报道。本研究于2020年11月在南京信息工程大学农业气象实验站,以冬小麦品种扬麦13为研究对象,采用开放式增温系统对小麦进行全天增温,通过裂区试验,分析了增温(日平均增温1.5 ℃)后棕壤、灰钙土、黄土、潮土、砖红壤和黄棕壤等6个不同类型土壤下小麦成熟期根、秸秆及籽粒干物重和氮磷钾含量的变化,以期为小麦生产应对未来气候变暖的策略制定提供理论依据。

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)模拟气候变暖定位平台进行。南京位于北亚热带季风气候区,四季分明,年平均气温15.4 ℃,多年平均降水1 106 mm,降水主要集中在5-8月,相对湿度为76%,无霜期237 d,年日照时数达1 902 h。

1.2 试验设计

试验于2016年开始,在冬小麦-夏大豆周年轮作体系下,采用裂区设计,主区设置常温对照(aT)和增温(eT,1.5 ℃)两个水平,副区设置棕壤、灰钙土、黄土,潮土、砖红壤和黄棕壤等6个土壤类型。每个处理3次重复,处理间设有5 m保护行。本研究数据来源于2021年小麦成熟期测定结果。试验前土壤基础肥力如表1所示。

表1 试验前不同地区土壤理化性质

试验采用 PVC材料无底圆柱形桶(直径33 cm)进行框栽,其深度50 cm,装土量35 kg。增温装置采用野外开放式自动增温系统(FATI),其高度根据小麦生长发育情况随时调节并始终保持在冠层上方40 cm处,通过165 cm×15 cm的红外辐射加热器(MR-2420,Kalglo Electronics Inc,Bethlehem,PA,USA)进行全天增温。用两个L92-1+型温湿度记录仪每隔1 h记录一次小麦冠层温度,以全天记录数据的平均值作为当日温度,试验日平均增温1.5 ℃(图1)。本研究供试冬小麦品种为扬麦13,于2020年11月播种,每框3穴,每穴3粒,分布均匀,苗期每框定苗3株。按照当地冬小麦常规施肥方案,每框施用尿素 0.35 g、磷酸氢二铵3.50 g和硫酸钾1.00 g。

图1 小麦生育期内冠层日均温的变化特征

1.3 测定项目与方法

成熟期采集植物样品,用蒸馏水冲洗干净后,分为根、秸秆、籽粒三个部分放置于烘箱中, 105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干至恒重。各部分干样测定干物质质量后粉碎,用于氮磷钾含量测定。全含量氮采用半微量凯氏定氮法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,全钾含量采用火焰分光光度法测定。

1.4 数据分析

用Excel 2019对数据进行整理,运用JMP10.0软件进行双因素方差分析,并比较不同处理间的差异显著性。用Origin 2021软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 增温对小麦生物量的影响

增温对小麦生物量的影响因土壤类型而不同(图2)。在棕壤和灰钙土下增温后小麦总生物量(秸秆+根+籽粒)较常温对照分别增加了 46.3%和37.2%,而黄土下降低了17.6%,其他三种类型土壤下小麦总生物量对增温反应不明显。从生物量组成来看,棕壤下增温后小麦根、秸秆和籽粒生物量分别增加了58.0%、45.7%和 42.6%;灰钙土下增温仅增加了秸秆和籽粒生物量,对根生物量几乎没有影响;而黄土下小麦根生物量收到增温的抑制,增温处理比常温处理降低了 43.6%;潮土下增温降低了小麦秸秆生物量;而砖红壤下增温后小麦的籽粒生物量有所增加。这说明,增温对小麦干物质生产有一定的影响,但影响程度、植株部位因土壤类型而异。

图柱上不同小写字母表示不同处理间差异在0.05水平上显著。下图同。

2.2 增温对小麦氮含量的影响

增温对小麦植株(秸秆+根+籽粒)氮素含量有一定的负效应,表现为在棕壤、灰钙土、潮土和黄棕壤下增温处理的小麦植株氮含量较常温对照分别降低了14.6%、13.5%、22.7%和10.9%,而黄土和砖红壤上的小麦含氮量未受到显著影响(图3)。在潮土下增温后小麦根系含氮量较常温对照降低了45.6%,在其他类型土壤下均无显著变化,说明增温对根系氮素含量总体上影响不大。此外,与常温对照相比,增温后小麦籽粒氮含量在灰钙土下降低12.0%,在其他类型土壤下均未发生显著变化。由此可见,增温后小麦植株氮含量的降低主要是因为根系吸收的氮向秸秆的运输被抑制,进而导致秸秆氮含量显著降低(砖红壤除外)。

图3 增温对不同土壤类型下小麦氮含量的影响

2.3 增温对小麦磷含量的影响

增温对小麦植株磷含量有所抑制,在棕壤、黄土、潮土和黄棕壤下增温后小麦植株磷含量较常温对照分别降低了29.5%、26.4%、27.1%和 20.0%,而灰钙土和砖红壤下小麦磷含量变化不显著(图4)。在棕壤和黄土下增温后小麦根系磷含量较常温对照分别降低了25.1%和39.4%,其他类型土壤下未表现出显著变化。棕壤、黄土、潮土和黄棕壤下增温导致小麦秸秆磷含量均显著降低,降幅分别为45.9%、33.3%、27.5%和 23.8%。此外,小麦籽粒磷含量在两种温度间无显著差异。增温后小麦植株磷含量的降低可能是因为增温减弱了根对磷素的吸收以及所吸收的磷素向秸秆的分配。

图4 增温对生长在不同土壤类型上小麦磷含量的影响

2.4 增温对小麦钾含量的影响

增温后小麦植株钾含量在棕壤、潮土和砖红壤下较常温对照分别降低了28.0%、18.9%和18.5%,而在黄土下增加了16.5%,在灰钙土和黄棕壤下变化不明显(图5)。增温处理的小麦秸秆钾含量在黄土下较常温处理增加了78.6%,而在砖红壤和潮土下分别降低了37.2%和29.2%,而根部钾含量未有显著变化。增温使小麦籽粒钾含量在棕壤和潮土下分别降低了37.8%和 21.2%。这说明增温主要是通过影响根部钾向秸秆和籽粒的分配来影响整体的小麦钾含量。

图5 增温对不同土壤类型下小麦钾含量的影响

2.5 增温对小麦养分总积累量的影响

增温对小麦氮、磷、钾总积累量的影响因土壤类型而异(图6)。在黄土和潮土下小麦氮、磷、钾积累量显著受增温的影响。与常温对照相比,增温后小麦氮、磷积累量在黄土下分别降低了 21.6%和39.6%,钾积累量虽有降低趋势,但未表现出显著变化;潮土下增温使小麦内氮、磷、钾积累量分别降低了31.3%、34.8%和27.9%。这说明小麦氮、磷、钾积累在潮土下对温度反应最敏感,在其他类型土壤下受温度影响较小。

图6 增温对在不同土壤类型下小麦养分总累积量的影响

3 讨 论

3.1 增温对小麦氮磷钾吸收和分配的影响

增温直接或间接影响作物对养分的吸收,进而影响产量的形成[16]。增温对作物养分含量的影响还没有定论:一方面认为,增温促进了土壤养分的矿化速率,有利于植物吸收,从而增加了作物地上部养分含量[17];另一方面认为,增温对氮素矿化的促进作用持续时间较短,随着时间的推移,升温导致作物叶片氮含量显著下降[18]。本研究发现,在增温条件下,小麦植株生物量较常温对照增加了9.9%,植株氮磷钾含量较常温对照分别降低了 10.6%、17.7%和12.1%。这说明增温在促进小麦干物质积累的同时对养分产生了稀释效应[9]。张立极等的研究结果显示,温度升高2 ℃后,水稻叶片和穗的氮含量较常温均增加[19]。Wang等研究认为,温度升高使作物氮磷钾含量提高,引起干物质量及产量减少[20]。试验结果的不同可能是由于增温幅度、作物种类及气候区环境差异所造成的。本研究中增温使小麦秸秆和籽粒的氮磷钾含量较常温对照均降低,说明小麦养分含量减少主要是由于增温使根部向秸秆和籽粒分配的养分减少引起的[21]。这可能是因为增温提前了小麦物候期,缩短了生育期,减少了小麦从土壤中吸收养分的时间以及养分从秸秆转运到籽粒的时间。有研究表明,增温后小麦整个生育期缩短4～6 d[22],而小麦抽穗至开花以后,随着生殖器官的不断发育,各营养器官运转养分增加[23],生育期缩短会影响作物营养元素输送。这些结果支撑了我们的猜测。

3.2 土壤类型对小麦氮磷钾吸收和分配的影响

在增温条件下作物对养分的吸收规律在不同土壤下各不相同[24]。本研究表明,在棕壤下小麦生物量、氮素积累量在增温条件下较常温对照均显著增加,但秸秆氮含量较常温对照显著下降,说明氮素总积累量的增加是由干物质量所贡献的。这与地上部氮、磷、钾累积吸收量与其干物质累积量之间呈显著正相关这一研究结论一致[25]。然而,增温使黄土下小麦干物质量,磷钾含量较常温对照显著降低,氮磷素总积累量的降低以秸秆养分降低为主。这可能是因为黄土有机质含量少,基础肥力弱,供肥能力较差,同时土壤含水量较低,在增温条件下植物蒸腾速率加快,土壤水分供应不足而导致植株生长发育受到抑制[26]。有研究认为,土壤有机碳累积矿化量和矿化速率均随培养温度的升高而增加[27]。本研究中,增温对潮土下小麦的氮磷钾含量及积累量产生负效应,这可能是因为潮土较为贫瘠,且碱性强,保水保肥能力差,在增温环境下加剧了水分和肥料的损失,不利于作物对养分的吸收利用。增温促进了砖红壤下小麦生物量及氮磷含量,且以增加秸秆氮磷含量为主。砖红壤来自我国的海南省,当地气温较高,土壤微生物长期处于高温环境下,通过把土壤空间移位到江苏,常温不是微生物群落的最适温度条件,不利于土壤有机质矿化,而增温有利于其土壤养分的转化与释放[28]。有研究发现,夜间增温后黄棕壤下大豆全生育期内植株干物质量、产量及其构成因素减少,分枝期和开花期的氮磷钾积累量均下降[29]。这与本研究中生长在黄棕壤上的小麦各养分累积量趋势相一致。黄棕壤来自江苏省,与该试验地气候条件一致,生物群落在长期的环境适应中较为稳定,不受外界干扰,温度升高会改变其原有生境,减弱土壤养分释放能力。

4 结 论

昼夜增温影响小麦根系对氮磷钾的吸收,进而调控氮磷钾向秸秆和籽粒的运移,最终影响不同类型土壤下小麦干物质的积累。增温在棕壤和灰钙土下提高了小麦生物量,在黄土下降低了小麦生物量,而对潮土、砖红壤和黄棕壤下小麦生物量没有显著影响。增温后在黄土下小麦生物量的降低是氮磷养分限制的结果,而潮土下归因于小麦养分吸收能力降低,表现出对植株内养分的稀释效应。因此,增温和土壤类型对小麦养分吸收和产量形成具有交互效应。