夜間增溫下施生物炭和硅肥對冬小麥生長、生理及產量的影響

高安妮 婁運生 劉迎霞 杜澤云 郭峻泓 潘德豐

摘要：氣候變暖是全球氣候變化的顯著特征之一，表現為晝夜不對稱增溫，即夜間溫度增幅大于白天。夜間增溫明顯影響冬小麥生產，通過施肥能否調控夜間增溫的不利影響尚不清楚。通過田間模擬試驗，采用3因素3水平正交試驗設計，研究了夜間增溫條件下施用生物炭和硅肥對冬小麥生長、生理特性及產量的影響。夜間增溫設W0（常溫對照）、W1（5mm鋁箔膜覆蓋）和W2（11mm鋁箔膜覆蓋）3個水平，夜間用鋁箔膜覆蓋植株冠層以模擬增溫（19：00—06：00）；施生物炭設B0（對照）、B1（5t/hm2生物炭）和B2（17.5t/hm2生物炭）3個水平；施硅肥設Si0（對照）、Si1（200kg/hm2鋼渣）和Si2（200kg/hm2礦粉）3個水平。結果表明，W1和W2處理使全生育期5cm土層夜間均溫分別升高0.72℃和0.34℃，10cm土層升高0.22℃和0.18℃。夜間增溫降低冬小麥關鍵生育期分蘗數、株高、葉面積指數（LAI）和產量，提高葉綠素含量（SPAD值）、葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）。與W0處理相比，W1處理胞間CO2濃度（Ci）降低0.41%、W2處理提高0.75%；W1和W2處理分別減產39.34%和46.16%。施用生物炭可提高冬小麥分蘗數、株高、Pn、LAI和Tr，降低Gs和Ci。與B0處理相比，B1處理使葉片SPAD值降低298%，B2處理則升高0.51%；B1處理使葉片Gs降低2.44%，B2處理降低7.32%；B1和B2處理分別增產5.97%和2276%。施硅肥可提高分蘗數、LAI、SPAD值和Pn，降低株高、Gs、Tr和Ci。與Si0處理相比，Si1和Si2處理分別減產16.44%和20.18%。研究認為，施用生物炭（17.5t/hm2）可有效緩解夜間增溫對冬小麥生產的不利影響，提高產量。

關鍵詞：夜間增溫；生物炭；硅肥；冬小麥；產量；生理特性

中圖分類號：S512.1+10.6文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）10-0057-08

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第6次評估報告指出，2014—2018年全球地表平均氣溫已升高1.04℃，預計2021—2030年全球升溫幅度將達1.5℃［1］。氣候變暖呈現明顯的非對稱性，即夜間最低氣溫增幅大于日間最高氣溫，冬春季增溫趨勢明顯高于夏秋季［2-4］。溫度是影響作物生長發育、生理代謝和產量構成的重要因素［5］。小麥是我國主要糧食作物，氣候變暖使小麥生產面臨的不確定性風險顯著增加，對糧食安全和社會經濟發展帶來嚴重影響，已成為社會普遍關注的重要問題。

據報道，夜間增溫可縮短冬小麥生育期，增加株高，減少分藥數［6-7］，明顯增加冬小麥植株無效穗數，減少有效穗數，降低產量［8-9］；但也有報道認為，夜間增溫顯著降低冬小麥株高，增加分蘗數［8］，提高有效穗數和千粒質量，增加干物質積累，提高產量［10-12］。夜間增溫可降低冬小麥植株葉片凈光合速率和氣孔導度，增加胞間CO2濃度，影響植株生長發育［13-14］。硅是地殼中含量最豐富的元素之一，但農田土壤有效硅含量普遍較低［15］。冬小麥是典型的喜硅作物之一，植株地上部含硅量較高［16］。施硅可促進冬小麥植株生長，增加分蘗數和葉面積指數［17-18］，提高葉片光合效率［19］，促進干物質積累及籽粒分配，增強抗逆性［20-21］。施用生物炭可改良土壤結構，增加土壤孔隙度，降低容重，提高有機質和養分含量［22-23］；還可促進植株對氮、磷等養分的吸收，提高葉綠素含量和葉片凈光合速率，增強光合能力，提高產量［24-26］。

有關夜間增溫、施生物炭、施硅對冬小麥生產交互影響的研究，多處于單因素或雙因素水平，三因素耦合效應對冬小麥生長、生理及產量有何影響尚不明確。因此，本研究通過大田模擬試驗，探討了施用硅肥和生物炭對夜間增溫下冬小麥生長、生理及產量的影響，旨在揭示通過調控土壤環境能否減輕夜間增溫對冬小麥生產的不利影響，為我國長江中下游地區冬小麥可持續生產、保障糧食安全及應對未來氣候變化提供試驗參考依據。

1材料與方法

1.1試驗區概況

田間模擬試驗于2020年11月至2021年5月在南京信息工程大學農業氣象試驗站（32.0°N，118.8°E）進行。該站地處亞熱帶濕潤氣候區，海拔22m，年平均降水量約1090mm，年平均氣溫約15℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，耕層土壤（0～20cm）有機質含量19.4g/kg，全氮含量1.45g/kg，pH值6.2（土水比1∶1），質地為壤質黏土，黏粒含量26.1g/kg。供試生物炭為稻殼生物炭，有機碳含量50%。供試硅肥為鋼渣粉和礦粉，SiO2含量分別為14.2%和32.3%。

1.2試驗設計

本試驗采用3因素3水平正交試驗設計，處理方案見表1。夜間增溫設W0（常溫對照）、W1（5mm鋁箔膜覆蓋）和W2（11mm鋁箔膜覆蓋）3個水平；施生物炭設B0（對照）、B1（5t/hm2生物炭）和B2（17.5t/hm2生物炭）3個水平；施硅肥設Si0（對照）、Si1（200kg/hm2鋼渣）和Si2（200kg/hm2礦粉）3個水平。

采用開放式被動增溫法模擬夜間增溫，即在冬小麥生長期內夜間用鋁箔反光膜覆蓋植株冠層（19：00—06：00）。根據冬小麥的生長進程及時調整鋁箔反光膜高度，使作物冠層與反光膜間距保持30cm左右。在大風（風速大于10m/s）或降雨天氣時夜間不覆蓋反光膜，避免增溫設施損壞和降水引起水分差異影響。采用溫度自動記錄儀（型號L93-4）每隔30min記載麥田5cm土層和10cm土層的土壤溫度。小區面積2m×2m=4m2，隨機排列，重復3次。農田翻耕時將硅肥和生物炭以基肥方式施入土壤，同時每小區施復合肥（15∶15∶15）315g。冬小麥種子經晾曬后播入土壤，每小區播種量為120g。

1.3測定方法

1.3.1生長指標測定

在冬小麥植株的拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期和成熟期，選取1d進行測定，測定時間為09：00—11：00。測定時，每小區選取代表性3株植株測量株高，取平均值。采用LAI-2000手持葉面積指數儀測定葉面積指數，連續測定3次，取平均值。采用葉綠素儀（SPAD-502）測定葉片葉綠素含量，每小區隨機選取3張劍葉，測定葉片不同部位并取3張劍葉的平均值作為最終值。

1.3.2生理指標測定

在冬小麥的生長季內，每周選取1d采用便攜式光合作用測定儀（Li-6400）測定植株葉片光合和蒸騰作用指標，測定時間為09：00—11：00，測定指標主要包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），每小區測定結果取3次重復的平均值。

1.3.3產量測定

2021年5月22日（成熟期）將每小區中間部位（0.5m×0.5m）作為計產樣方，用常規方法脫粒、風干和稱質量，計算產量（t/hm2）。

1.4數據處理

采用IBMSPSS21.0統計分析軟件進行正交表方差分析，利用MicrosoftExcel2019軟件進行數據處理并編制極差分析表。

2結果與分析

2.1被動式增溫效果

由圖1可知，夜間增溫明顯提高冬小麥5cm土層和10cm土層溫度。與對照（W0）相比，W1和W2增溫處理的5cm土層溫度分別升高0.72℃和0.34℃，10cm土層溫度則升高0.22℃和0.18℃。相較于W1處理，W2處理5cm和10cm土層平均溫度分別降低0.38℃和0.04℃，表明不同厚度的鋁箔膜均可提高土層溫度，但土層增溫幅度與鋁箔膜厚度呈負相關。

2.2不同處理對增溫冬小麥植株生長的影響

2.2.1不同處理對增溫冬小麥植株分蘗數的影響

極差分析（表2）表明，3個因素對分蘗數的影響程度表現為夜間增溫＞施生物炭＞施硅肥。與對照相比（W0，不增溫），夜間增溫（W1或W2）均明顯降低分蘗數，降幅分別為19.25%和19.97%。與不施生物炭（B0）相比，施用生物炭（B1或B2）均明顯增加分蘗數，增幅分別為1.04%和10.73%。與不施硅相比（Si0），施用200kg/hm2鋼渣（Si1）或礦粉（Si2）均可增加冬小麥分蘗數，但增幅較小，為034%和2.18%。

由表3可知，施用生物炭和硅肥對分蘗數的促進作用在灌漿期達顯著水平（P<005），夜間增溫對分蘗數無顯著影響。W0B2Si2處理的分蘗數最大，即施用礦粉和17.5t/hm2生物炭、不覆蓋鋁箔膜可促進冬小麥分蘗數增加。

2.2.2不同處理對增溫冬小麥植株株高的影響

極差分析（表2）表明，施生物炭對株高的影響最大，其次為施硅肥，夜間增溫對株高影響最小。與W0處理相比，夜間增溫明顯降低株高，W2處理的株高最低。隨著生物炭用量增加，株高呈升高趨勢，與B0處理相比，B1和B2處理的株高增幅分別為470%和7.89%。與Si0處理相比，Si1和Si2處理的株高降幅分別為0.63%和1.10%，說明施礦粉對株高的抑制作用更明顯。由表3可知，夜間增溫對株高的促進作用在拔節期達極顯著水平（P<001）；施用生物炭對株高的促進作用在拔節期、灌漿期分別達極顯著水平和顯著水平；施用硅肥對株高的抑制作用在拔節期達顯著水平。W0B2Si0處理株高最高，即不施硅肥，施用17.5t/hm2生物炭，夜間不增溫明顯增加株高。

2.2.3不同處理對增溫冬小麥植株葉面積指數（LAI）的影響

極差分析（表4）表明，3個因素對LAI的影響程度表現為施生物炭＞施硅肥＞夜間增溫。與W0處理相比，夜間增溫（W1或W2）處理均明顯降低LAI，降幅分別為8.14%和10.42%。與B0處理相比，施用生物炭（B1或B2）使LAI明顯升高，增幅分別為15.18%和21.40%。隨著生物炭用量增加，葉面積指數呈升高趨勢。與Si0處理相比，施硅（Si1或Si2）可明顯提高LAI，增幅分別為410%和18.66%。相比于不施硅處理，施用礦粉更能有效促進LAI。由表3可知，施生物炭對冬小麥植株葉面積指數的促進作用在灌漿期達顯著水平，而夜間增溫和施硅對葉面積指數影響不顯著。葉面積指數達到最高的最佳因素處理組為W0B2Si2，即施用礦粉和17.5t/hm2生物炭且夜間不增溫能大幅提高LAI。

2.2.4不同處理對增溫冬小麥植株葉綠素含量（SPAD值）的影響

極差分析（表3）表明，3個因素對SPAD值的影響程度表現為施生物炭＞施硅肥＞夜間增溫。與W0處理相比，夜間增溫（W1）或（W2）可提高SPAD值，但增幅較小，分別為0.12%和1.03%。與B0處理相比，B1處理可降低SPAD值，降幅為2.98%，B2處理可增加SPAD值，增幅為0.51%。與Si0處理相比，Si1和Si2處理可增加SPAD值，增幅分別為1.70%和0.71%。說明施用硅肥均能提高SPAD值，但礦粉促進效果更明顯。

由表3可知，在冬小麥灌漿期，夜間增溫和施用硅肥對SPAD值的促進影響均達顯著水平，B1處理對SPAD值的抑制作用和B2處理對SPAD的促進作用達顯著水平，其余時期均未表現顯著影響。葉綠素含量達到最高的最佳因素處理組為W2B2Si1，即施用17.5t/hm2生物炭和200kg/hm2鋼渣，覆蓋11mm鋁箔膜促進葉綠素含量升高。

2.3不同處理對增溫冬小麥植株光合特性的影響

2.3.1不同處理對增溫冬小麥植株凈光合速率

極差分析（表5）表明，3個因素對Pn的影響程度表現為夜間增溫＞施生物炭＞施硅肥。與W0處理相比，W1和W2處理明顯提高Pn，增幅分別為4.37%和13.81%。與B0處理相比，B1處理可增加Pn，增幅為2.83%，B2處理則降低Pn，降幅為0.54%。施用鋼渣（Si1）和礦粉（Si2）均可提高Pn，增幅分別為0.84%和0.42%。

由表6可知，夜間增溫對冬小麥植株葉片凈光合速率的促進影響在開花期和灌漿期均達顯著水平；施用生物炭（B1）對Pn的促進影響及（B2）的抑制影響在孕穗期達顯著水平；施硅對Pn的促進影響在灌漿期達顯著水平。Pn達到最大值的最佳因素組合為W2B1Si1，即施用鋼渣和5t/hm2生物炭，覆蓋11mm鋁箔膜對Pn的促進作用更明顯。

2.3.2不同處理對增溫冬小麥植株氣孔導度（Gs）的影響

極差分析（表5）表明，3個因素對Gs的影響程度表現為施硅肥＞夜間增溫和施生物炭。與W0處理相比，夜間增溫（W1或W2）處理均有效增加Gs，增幅均為7.89%。與B0處理相比，B1處理降低Gs，降幅為2.44%，B2處理則降低Gs，降幅為732%。與Si0處理相比，Si1和Si2處理均降低Gs，降幅分別為4.76%和9.52%。

由表6可知，不同處理對冬小麥各個生育期的GS均無顯著影響。W2B0Si0處理Gs最大，即不施硅和生物炭，并覆蓋11mm鋁箔膜可有效提高Gs。

2.3.3不同處理對增溫冬小麥植株蒸騰速率（Tr）的影響

極差分析（表7）表明，3個因素對Tr的影響程度表現為夜間增溫＞施硅肥＞施生物炭。與W0處理相比，夜間增溫均明顯提高Tr，增幅分別為7.13%和19.76%。隨著膜厚度增加，夜間增溫對Tr的促進作用更明顯。與B0處理相比，B1和B2處理可升高Tr，增幅分別為5.37%和2.69%。與Si0處理相比，Si1和Si2處理的降幅分別為6.09%和14.78%。不同種類的硅肥均能降低Tr，但礦粉對Tr的抑制作用更明顯。

由表6可知，夜間增溫對Tr的促進作用和施硅對Tr的抑制作用在冬小麥灌漿期內均達極顯著水平，施用生物炭對Tr的促進作用在灌漿期達顯著水平。W2B1Si0處理為最適處理組，即不施硅，施7.5t/hm2生物炭，并覆蓋11mm鋁箔膜可明顯提高Tr。

2.3.4不同處理對增溫冬小麥植株胞間CO2濃度（Ci）的影響

極差分析（表7）表明，3個因素對Ci的影響程度表現為施生物炭＞施硅肥＞夜間增溫。與W0處理相比，W1處理小幅降低Ci，降幅為041%；W2處理小幅增加Ci，增幅為0.75%。與B0處理相比，施生物炭（B1或B2）均降低Ci，降幅分別為2.83%和1.93%。隨著生物炭量增加，Ci降低，即生物炭對Ci有抑制作用。與Si0處理相比，施硅（Si1或Si2）均降低Ci，降幅分別為1.02%和240%。

由表6可知，不同處理對Ci的影響在冬小麥各個生育期均未達顯著水平。Ci達到最大的最佳處理組為W2B0Si0，即不施硅和生物炭且覆蓋11mm鋁箔膜可促進Ci。

2.4不同處理對冬小麥產量的影響

極差分析（表8）表明，3個因素對產量的影響程度表現為夜間增溫＞施硅肥＞施生物炭。與W0處理相比，夜間增溫（W1或W2）處理均明顯降低產量，降幅分別為39.34%和46.16%。與B0處理相比，施生物炭（B1或B2）處理均使小麥產量增加，增幅分別為5.97%和22.76%。與Si0處理相比，施硅（Si1或Si2）處理均使產量明顯降低，降幅分別為16.44%和20.18%。

從表9可以看出，不同處理對冬小麥產量在各時期均沒有顯著影響。小麥產量最高的處理組合是W0B2Si2，為9.16t/hm2；W2B0Si2處理產量最低，為2.75t/hm2。不增溫（W0）處理的產量之和最高，為24.63t/hm2，W2處理的產量之和最低，為13.26t/hm2；施17.5t/hm2生物炭處理（B2）的產量之和最高，為19.74t/hm2，B0處理最低，為16.08t/hm2；不施硅處理（Si0）的產量之和最高，為20.06t/hm2，Si2處理的產量之和最低，為16.03t/hm2。

3討論與結論

被動式夜間增溫裝置可明顯提高冬小麥土層溫度，W1和W2處理可使冬小麥主要生育期5cm土層夜間平均溫度提高0.72℃和0.34℃，10cm土層夜間平均溫度提高0.22℃和0.18℃，這與前人報道［27-28］較一致。夜間增溫（W1或W2）可使株高明顯降低，葉面積指數明顯下降，原因可能在于夜間增溫可加快冬小麥生長發育進程，縮短生育期。但也有研究認為，夜間增溫可減少植株無效分蘗，降低營養和能量消耗，使較多的光合產物用于植株生長，引起冬小麥株高和葉面積指數增加［6，29］?？梢?，夜間增溫對植株生長作用效應，可能與不同作物品種、氣候條件和土壤性質等環境因子有關［30-31］。葉綠素是作物光合作用能量轉化的基礎，也是反映光合作用能力的指標之一。夜間增溫（W1或W2）可提高植株葉片葉綠素含量（SPAD），原因在于增溫促進了冬小麥植株根系從土壤吸收無機氮，使植株體內氮素累積量增加，有利于葉綠素合成［32］。

夜間增溫下，冬小麥主要生育期植株葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度明顯升高，而胞間CO2濃度在W1處理小幅降低，在W2處理小幅增加。增溫可通過氣孔或非氣孔因素影響作物光合速率，氣孔限制因素使Ci降低，氣孔限制值增大，此時Pn和Ci變化趨勢相同；非氣孔限制因素為光抑制導致葉綠體光合速率降低，Ci升高，氣孔限制值減小，Pn和Ci變化趨勢相反［33］。本試驗中，W1處理的植株葉片Pn和Gs升高，Ci降低，可能在于夜間增溫有利于緩解低溫對植株光合速率抑制作用，縮短了葉片受低溫影響的時間等非氣孔限制因素［34］。適量施用生物炭（B1）明顯提高Pn，原因可能在于生物炭可改良土壤，保持土壤容重，提高土壤含水量，緩解土壤缺水對冬小麥生長及光合作用的影響［35］。施用硅肥可明顯提高Pn，降低Tr，原因在于施硅有利于氣孔開放，促進CO2向葉綠體輸送，延長光合時間，提高光合能力［36］；施硅可促進細胞壁增厚，形成“角質－硅”雙層結構，降低葉片蒸騰速率，提高水分利用率［32，37］。施用適量的生物炭和硅肥可通過改善冬小麥的生理特性進而緩解夜間增溫所帶來的不利影響［38］。

夜間增溫使冬小麥產量明顯降低，降幅為3934%和46.16%。原因在于：（1）夜間增溫使葉面積指數下降，不利于光合作用［31，39］；（2）夜間增溫使氣溫日較差降低，有利于植株通過呼吸作用消耗較多同化產物，不利于籽粒灌漿和同化物積累；（3）夜間增溫使冬小麥生育期縮短，葉片衰老加快，籽粒灌漿時間縮短，不利于光合同化產物的積累［13，40］。這些因素均可引起產量降低。施用生物炭可提高冬小麥產量，增幅為5.97%和22.76%，原因在于施用生物炭可有效改良土壤，提高有機質含量及改善土壤肥力［23，41］，從而緩解夜間增溫對植株生長及產量形成的不利影響。

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