夜間模擬增溫對大豆生長及產量的影響

董京銘+張耀鴻+田思勰+楚岱蔚+謝曉金+劉爾寧+楊世瓊

摘要：利用被動式增溫系統進行夜間模擬增溫，采取常溫+翻耕、夜間增溫+翻耕、常溫+免耕、夜間增溫+免耕4種處理，研究長江中下游地區夜間增溫對夏大豆生長及產量的潛在影響。結果表明，與常溫+翻耕處理相比，夜間增溫+翻耕處理下大豆植株的生物量、光合速率均顯著下降（P<0.05），氮磷養分積累量也降低，籽粒產量降幅為25%，單株粒數、單株粒質量均顯著減小;常溫+免耕處理下大豆植株的生物量、株高、光合速率、氮和磷積累量、籽粒產量和產量構成各指標都有顯著提高，其中生物量在全生育期內增加20%～46%，光合速率在結莢期增幅最大，為26%，籽粒產量增幅為30%;夜間增溫+免耕處理下，大豆植株的生物量、氮磷積累量有一定程度的提高，在生長中后期大豆株高略有增加，光合速率、籽粒產量及產量構成各指標則無顯著變化?？傮w結果表明，在夜間增溫條件下采用免耕措施，將減少增溫對作物帶來的不利影響。

關鍵詞：夜間增溫;免耕;光合速率;氮積累;產量構成;大豆

中圖分類號： S565.104 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0112-04

收稿日期：2014-05-14

基金項目：國家自然科學基金（編號：41103039、41205087）;江蘇省農業氣象重點實驗室開放課題（編號：KYQ1307）;江蘇省大學生實踐創新訓練計劃（編號：201410300008）;江蘇省高校優秀中青年教師和校長境外研修計劃;江蘇省杰出青年教師聘外專家項目。

作者簡介：董京銘（1989—），男，江蘇連云港人，碩士，主要從事農業應對全球變化研究。E-mail：djm331487563@163.com。

通信作者：張耀鴻，博士，副教授，主要從事地氣交換與全球變化研究。E-mail：yhzhang@nuist.edu.cn。

根據跨政府氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第4次評估報告顯示，全球氣溫呈現非對稱性增加，夜間增溫幅度大于白天，日較差呈現減小的趨勢[1]。溫度是影響農作物生長發育的主要環境因素之一，晝夜增溫的不對稱性會對作物的生長發育以及經濟產量產生潛在影響。房世波等利用田間開放式增溫系統進行試驗，結果表明，夜間增溫導致冬小麥生育期縮短，各物候期提前，產量顯著降低[2];田云錄等研究發現，夜間增溫條件下冬小麥籽粒產量提高18%，旗葉面積、開花期總綠葉面積分別提高26%、17%[3]。目前，國內外對于夜間增溫對農作物生長影響的研究尚未形成定論，須要進一步深入研究。

保護性耕作可以大大緩解沙塵的危害，降低我國北方沙塵暴天氣發生的可能性[4]。免耕具有保持土壤水分、保護耕層土壤結構、節省勞力等優點，在全世界范圍內得到廣泛的應用[5]，免耕的持續效應受到氣候、作物、土壤、栽培管理等綜合影響[6]。目前，關于免耕對農作物生長的影響已有廣泛研究。董百舒等試驗結果表明，少耕、免耕平均可使農作物增產10%以上[7];晉凡生等研究發現，山西省旱塬地農田在免耕方式下的玉米產量達4 500 kg/hm2以上，比傳統耕作增產22%～ 26%[8];胡立峰等研究發現，相對于翻耕而言，免耕方式下玉米產量降低17.6%[9]。

本試驗以夏大豆為對象，將夜間增溫與土壤處理相結合，研究分析對夏大豆生物量、株高、光合作用、氮磷元素吸收利用、籽粒產量和產量構成要素的影響，以期為未來氣候變化條件下預測長江下游地區農田系統生產潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于南京信息工程大學農業氣象試驗站（3216°N，118.86°E），屬亞熱帶濕潤氣候，常年平均氣溫為 15.6 ℃，降水量為1 100 mm，試驗地0～20 cm土層土壤的有機質、氮、速效磷、速效鉀含量分別為14 100、1 160、15.6、64.2 mg/kg，pH值為6.7。

1.2 試驗設計

1.2.1 大豆種植 供試大豆品種為泗豆4號，該品種屬于中熟類型，春夏皆可播種。2013年7月6日播種，株行距為 20 cm×25 cm，每穴播種3～4粒，出苗期為7月14日。在大豆全生育期，由于降水充沛，可滿足大豆的用水需求，故試驗期間不進行人工澆灌。

1.2.2 增溫方式 試驗參照陳金等被動式夜間增溫的方法[10]進行，使用反光膜將地面發出的長波輻射反射回地表，以減少熱量損失，達到增溫的目的。裝置由支架、反光膜、溫度記錄儀等組成，反光膜材質為鋁鉑玻纖布，反射率達97%以上，在大豆全生育期內每天19：00展開進行增溫，次日06：00卷起，降雨和大風天氣不進行蓋膜處理以保證水分條件一致性、避免損壞增溫裝置。為避免增溫裝置對遮光的影響，常溫組也架設增溫裝置，但不鋪設反光膜。用澤大儀器有限公司生產的溫度記錄儀（精度±0.1 ℃）記錄5 cm深的土壤溫度，每15 min記錄1次。在大豆全生育期，夜間增溫處理區域的夜間均溫比不增溫處理平均增加1.3 ℃（圖1）。

1.2.3 試驗處理 試驗共設4個處理：CK——常溫+翻耕;W——夜間增溫+翻耕;NT——常溫+免耕;WNT——夜間增溫+免耕，每處理重復3次，共計12個小區，小區面積為 3 m×4 m，隨機分布，其中有效增溫區域為2 m×3 m。翻耕處理使用旋耕機翻耕20 cm，翻耕2次，翻耕后進行人工整平;免耕處理為小麥、大豆輪作，不進行常規耕作，直接播種作物。

1.3 測定內容

1.3.1 營養元素含量測定 分別在大豆分枝期（8月9日）、開花期（8月19日）、結莢期（8月29日）、鼓粒期（9月21日）、成熟期（10月16日），除1 m×1 m區域不采樣用于成熟期測產外，每試驗小區隨機選取大豆植株5株，先測定株高;后將植株分為莖、葉、莢、籽粒，105 ℃殺青0.5 h，70 ℃烘干至恒質量，測定生物量;再將樣品粉碎，采用半微量-凱氏定氮法、釩鉬黃比色法[11]分別測定全氮、全磷含量。植物氮（磷）素積累量為該生育期各器官實測氮（磷）素含量（%）與其干物質質量（g）乘積之和。endprint

1.3.2 光合速率測定 在大豆分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期10：00—11：00，使用LI-6400測定每處理小區植株頂部完全展開葉片的光合速率，每植株測定3張葉片，每張葉片重復測定5次。另外，選取相同位置的葉片，使用SPAD儀測定葉片的葉綠素含量。

1.3.3 產量測定 在大豆成熟期，每小區隨機選取植株10株，分別測定單株空秕莢數、1粒莢、2粒莢、3粒莢、4粒莢的數量及單株粒數、粒質量、百粒質量、粒徑;在1 m×1 m測產面積內，記錄有效株數，收獲所有大豆籽粒，折算籽粒產量。籽粒產量（g/m2）=每株籽粒質量（g）×1 m2有效株數（株/m2）。

1.4 數據處理

用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對數據進行處理和統計，用LSD法進行差異顯著性檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對植株生物量、株高的影響

由圖2可見，與CK相比，W處理的大豆在不同生育期內植株生物量下降，降幅為6%～26%，且差異基本達顯著水平（P<0.05）;NT處理的大豆植株生物量顯著增加，分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期分別比CK增加28%、46%、36%、23%、20%;WNT處理的大豆植株生物量也有明顯增加，各生育期分別比CK增加11%、3%、10%、7%、6%;在各生育期，NT處理的大豆植株生物量均高于WNT處理，可能由于夜間增溫對大豆植株生物量的增加有一定程度的抑制作用，免耕處理可以顯著提高大豆植株的生物量。

由表1可見，W處理的大豆與CK相比，株高相對較低，且未達到顯著水平;在各生育期，NT處理的大豆株高都高于CK，在開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期的差異均達到顯著水平（P<0.05）;WNT處理的大豆株高也都高于CK，且在結莢期、鼓粒期、成熟期的差異達到顯著水平（P<0.05）;NT處理與WNT處理的大豆株高間無顯著差異。

表1 不同處理對大豆各生育期株高的影響

處理

株高（cm）

分枝期 開花期 結莢期 鼓粒期 成熟期

CK 53.3±1.2a 79.5±3.8b 87.0±1.6b 90.3±0.9b 90.5±0.8b

W 53.5±0.1a 78.4±4.3b 86.2±1.2b 89.3±0.9b 89.9±0.7b

NT 54.2±0.6a 87.6±2.0a 93.8±1.7a 95.9±1.1a 96.7±1.5a

WNT 54.6±1.2a 83.4±2.5ab 91.6±1.4a 94.9±0.6a 95.9±0.8a

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。下表同。

2.2 不同處理對植株氮、磷累積量的影響

由圖3可見，4個處理的地上部氮積累量均隨著生育期的推進而增加;與CK相比，W處理大豆植株的氮累積量在各生育期均有所下降，降幅為6%～35%，其中在分枝期和開花期下降最為明顯;NT處理下，大豆植株的氮累積量在分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期、成熟期分別比CK增加13%、53%、14%、19%、34%;在各生育期，WNT處理的大豆植株氮累積量與CK處理無差異。夜間增溫明顯抑制大豆植株的氮積累量，且在前期抑制效應更為明顯;在大豆各生育期內，免耕處理均明顯提高植株的氮積累量，且在開花期和成熟期提高最為明顯。

由圖4可見，在各生育期內，W處理與CK相比，大豆植株的磷積累量都有所下降，在分枝期、開花期降幅最大，分別為31%、40%;NT處理的大豆植株磷積累量均有明顯增加，與CK相比，增幅為17%～51%;WNT處理與CK相比，大豆植株的磷積累量也有所增加，但差異未達顯著水平。與氮累積量相似，夜間增溫顯著降低植株的磷積累量;免耕處理和增溫加免耕條件，大豆植株的磷積累量均有不同程度的提高，免耕處理的提升幅度大于后者。

2.3 不同處理對植株葉片光合速率和葉綠素含量的影響

由圖5可見，W處理與CK相比，大豆植株葉片的光合速率下降10%～14%，其中在鼓粒期降幅最為明顯;NT處理與CK相比，葉片的光合速率在分枝期、開花期、結莢期、鼓粒期

分別增加23%、26%、23%、25%;WNT處理下，大豆結莢期的葉片光合速率顯著增加。

由表2可見，與CK相比，W處理的大豆植株SPAD值在各生育期均有一定程度的下降，分枝期、開花期、鼓粒期SPAD值與CK差異均達顯著水平;NT處理的大豆植株，其SPAD值比CK增加4%～13%;WNT處理與CK相比，葉片SPAD值變化不明顯。

表2 不同處理對大豆不同生育期SPAD值的影響

處理

SPAD值

分枝期 開花期 結莢期 鼓粒期

CK 38.2±0.6b 41.4±0.6b 47.9±0.7bc 52.7±0.2b

W 35.7±0.5c 39.3±0.6c 47.3±0.3c 50.7±0.7c

NT 42.3±0.5a 46.8±0.9a 49.7±0.7a 54.7±0.4a

WNT 38.5±0.5b 41.6±0.5b 48.7±0.3b 52.6±0.3b

2.4 不同處理對大豆籽粒產量、產量構成及單株莢數的影響

由表3可見，W處理下大豆的單株粒數、單株粒質量、粒徑、籽粒產量均顯著減小;NT處理下大豆的單株粒數、單株粒質量、百粒質量、粒徑、產量分別比CK提高28%、31%、3%、2%、30%;WNT處理與CK相比，大豆的籽粒產量和產量構成無顯著變化。W處理的籽粒產量和產量構成各指標均有所降低，NT處理籽粒產量和產量構成各指標均有所提高。endprint

由表4可見，W處理導致總莢數比CK下降11%，且2粒莢數、3粒莢數、4粒莢數均顯著減?。≒<0.05）;NT處理時大豆總莢數比CK提高23%，2粒莢數、3粒莢數分別增加41%、34%;WNT處理時大豆總莢數比CK顯著增加，2粒莢數、3粒莢數分別增加23%、18%。

3 結論與討論

夜間增溫條件下，大豆植株的生物量、光合速率、SPAD值、氮磷的積累量都有一定程度的下降，成熟期時籽粒產量和產量構成各指標也下降;在分枝期、開花期，夜間增溫植株的氮積累量分別下降35%、29%，磷積累量分別下降31%、

表3 不同處理對大豆籽粒產量和產量構成的影響

處理 單株粒數

（粒） 單株粒質量

（g） 百粒質量

（g） 粒徑

（mm） 產量

（g/m2）

CK 70.1±0.6b 19.3±0.4b 27.5±0.6ab 7.05±0.03b 860.4±27.2b

W 57.0±5.5c 15.2±1.1c 26.8±0.5b 6.90±0.41c 645.8±53.7c

NT 89.8±2.5a 25.3±1.3a 28.2±0.8a 7.19±0.26a 1 114.4±55.5a

WNT 75.5±2.8b 20.6±0.7b 27.3±0.2ab 7.03±0.02b 872.0±52.8b

表4 不同處理對大豆單株莢數的影響

處理 總莢數

（個） 空莢數

（個） 1粒莢數

（個） 2粒莢數

（個） 3粒莢數

（個） 4粒莢數

（個）

CK 31.3±0.3c 1.8±0.3ab 5.1±0.2a 11.0±0.6c 10.5±0.4c 2.9±0.3a

W 27.9±0.6d 2.3±0.5a 4.7±0.2a 9.7±0.4d 9.0±0.5d 2.1±0.4c

NT 38.6±1.4a 1.3±0.3b 4.8±0.5a 15.5±0.5a 14.1±0.7a 2.9±0.1a

WNT 36.3±1.0b 2.4±0.4a 5.2±0.2a 13.5±0.5b 12.4±0.8b 2.8±0.2b

39%。這可能是由于夜間增溫處理時，植株前期對氮磷營養元素的吸收量較小，從而致使生物量減小、籽粒產量降低，與楚岱蔚等研究結論[12]一致。Lee等研究發現，長期夜間增溫可導致新陳代謝產生副反應，致使葉肉細胞過氧化反應增加，光合速率減弱[13]。本試驗葉片的SPAD值有所下降，這是大豆光合速率下降的重要原因之一。張賢澤等認為，大豆主要生育期的平均光合速率與產量呈正相關[14]，本試驗長期夜間增溫，導致光合速率下降，最終導致籽粒產量減小。

免耕處理條件下大豆植株的生物量、株高、光合速率、SPAD值、氮磷積累量、籽粒產量及產量構成各指標都增加，這與陳甲瑞等對玉米的結論[15]一致。陳軍勝等研究認為，免耕減少了土壤蒸發，有利于提高水分的利用效率，從而促進作物生長[16]，同時，免耕土壤結構、土壤微生物數量與活性相對穩定，有利于提高養分利用效率和作物生長，這可能是大豆氮磷積累量增加的原因之一。另外，彭文英研究發現，長期實施免耕才可提高土壤的增水效應，改善土壤的理化性質[17]。楚岱蔚等早期研究發現，免耕處理顯著減小大豆的地上生物量，對籽粒產量也有一定的抑制效應[12]，與本試驗結果不同，這可能是由試驗大豆品種不同及免耕的持續期短所致。

夜間增溫疊加免耕條件下，大豆植株的生物量、株高、氮磷的積累量都略有提高，但各項指標都低于免耕處理，且高于夜間增溫處理。與傳統耕作相比，免耕可有效增加土壤含水量，增加土壤的比熱值，使土壤對溫度擾動的緩沖性提升[18]，進而使得夜間增溫處理對土壤溫度擾動的敏感性減小，從而降低了夜間增溫對大豆的負面影響。因此，在未來夜間溫度升高條件下實施免耕方式，可有效降低夜間增溫對作物生長帶來的抑制作用。

需要強調的是，不同農作物在不同年份、不同生長季對夜間增溫及免耕的響應特征可能存在差異，這需要開展長期的田間試驗進行深入研究，用多年份試驗數據證實夜間增溫及耕作方式對農作物的潛在影響。

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