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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。
参考文献:
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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。
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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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