模拟增温及免耕对冬小麦生长的影响

董京铭+史达伟+刘瑞翔+马晨晨

摘要：试验设置常温+翻耕（CK）、夜间增温+翻耕（W）、常温+免耕（NT）、夜间增温+免耕（WNT）4种处理，研究夜间增温和免耕处理对冬小麦（Triticum aestivum L.）生长的影响。结果表明，与CK相比，W处理下冬小麦生物量显著增加，增幅为3.2%～12.7%，同时W处理的冬小麦的氮素累积、叶绿素SPDA值、叶面积、光合速率也有一定程度的增幅，产量构成中千粒重与每平米穗数显著增加，且产量增加显著，增幅达24.4%。NT处理下，冬小麦的各项生理指标比CK都有一定增加，产量构成因子也都有显著增加，其中每平米穗数增长最为显著，增幅达10.7%。WNT处理下，冬小麦受到的影响程度要远大于W和NT单一处理，其产量显著高于其他3种处理，比CK增产53%。由此可知，夜间增温和免耕都能促进冬小麦的生长。因此，在夜间土壤温度增高条件下同时采用免耕对冬小麦生长具有有利影响。

关键词：冬小麦（Triticum aestivum L.）；气候变化；夜间增温；免耕；光合速率

中图分类号：S512.1+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）23-4501-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.23.020

Abstract： The experiment was conducted to study the effects of increasing night temperature and no tillage on the growth of winter wheat（Triticum aestivum L.） in 4 treatments， induding normal temperature and tillage（CK），increasing night temperature and tillage （W），normal temperature and no tillage（NT），increasing night temperature and no tillage（WNT）. The results showed that，compared with CK，W treatment of winter wheat biomass increased significantly，an increase of 3.2%～12.7%，while W treatment of winter wheat nitrogen accumulation， chlorophyll SPDA value，leaf area，photosynthetic rate also has a certain degree of growth，yield and grain weight per square meter per spike significantly increased，and the yield increased significantly an increase of 24.4%. Under NT treatment，the physiological indexes of winter wheat increased compared with CK，and the yield components also increased significantly. The panicle number per square meter was the most significant，with an increase of 10.7%. Under WNT treatment，the influence degree of winter wheat was much higher than that of W and NT. The yield of winter wheat was significantly higher than that of other 3 treatments，and the yield was 53% higher than that of CK. It can be seen that night warming and no tillage can promote the growth of winter wheat. Therefore，under the condition of increasing soil temperature at night，no tillage at the same time has a favorable effect on the growth of winter wheat.

Key words： winter wheat（Triticum aestivum L.）； climate change； nighttime warming； no tillage； photosynthetic rate

由于工業革命，造成化石燃料的大量燃烧，温室气体浓度迅速上升， 加速了气候变暖趋势。相比于工业革命前， 全球地表平均气温已经上升了0.4～0.8 ℃[1]。同时，由于复杂的地理要素和气候因子，全球气候变暖有着明显的不对称性[2]，即夜间最低气温增温幅度明显高于白天最高气温的增温幅度[3]。国内研究学者也得到相同的结果，日最低温升幅是日最高温升幅的2～3倍[4]，即全球变暖主要表现为夜间气温的上升[5]，日温差呈逐渐减小的态势[6]。

温度是农作物生长发育的重要气象因子，这种昼夜增温的不对称型，必然会对作物的生长产生深远的影响。有研究发现，温度上升可以延长植物生长季，促进植物生长发育，增加其生物量，这可能会因为植物的光合作用而减缓大气中CO2含量升高引起的全球变暖，但同时全球气候变化导致的植被及其他生理过程的变化有可能减弱或抵消这个效应，目前对此的研究还存在极大的不确定性[7]。

近年来的研究表明，保护性耕作可以大大缓解沙尘的危害，降低中国北方沙尘暴天气的发生[8]。其中，免耕具有保持土壤水分、保护耕层土壤结构、节省劳力等优点， 因此在全世界范围内得到了广泛的应用[9]。免耕相比于传统耕作，可以有效避免扰乱表层土壤，有利于土壤大团聚体形成和增加土壤的热容量，使得免耕土壤对气温变化具有一定的缓冲性[10]。因此，在未来气候变暖趋势下，深入研究免耕对农作物生长发育的影响，可以在未来气候变暖的背景下，制定农业管理措施时提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2013年11月至2014年5月在南京信息工程大学农业气象试验站进行。供试土壤类型为黄棕壤。试验前取0～20 cm土层土壤进行理化性质分析，其土壤有机质含量为14.1 g/kg，全氮含量为0.78 g/kg，速效磷含量为15.6 mg/kg，速效钾含量为64.2 mg/kg，pH 6.7。

1.2 试验材料

供试冬小麦（Triticum aestivum L.）品种为宁麦13。小麦生育期内雨量充足，可以满足作物用水需求，故本试验中未进行人工灌溉。11月3日播种。

1.3 试验设计与处理

采用陈金等[11]被动式增温方法，使用反光膜将地面所发出的长波辐射反射回地表，进而减少热量的损失，使得夜间土壤温度得到增长。试验设计将进行4种处理，分别为常温+翻耕（CK）、夜间增温+翻耕（W）、常温+免耕（NT）、夜间增温+免耕（WNT）。每个处理重复3次。在作物的全生育期内夜间增温小区中的反光膜每天下午19：00展开进行增温，次日早晨6：00卷起。翻耕处理为旋耕机翻耕20 cm，进行2次，耕后人工整平，进行播种。免耕处理为不进行常规耕作，直接播种作物。

用温度记录仪（泽大仪器有限公司）监测5 cm深的土壤温度变化，每15 min记录一次。在冬小麦的生育期内，每晚19：00到次日早晨6：00的平均温度作为夜间温度，增温效果如表1所示。

1.4 测定时期、项目及方法

在冬小麦的拔节期（3月22日）、孕穗期（4月12日）、抽穗期（4月22日）、开花期（4月28日）、灌浆期（5月10日）和成熟期（5月28日），每个小区随机取5株植物样品用于测定冬小麦叶面积、生物量、株高。

1）株高。每个小区均选取长势一致且具有代表性的植株。小麦从基部到最高叶或穗顶端（不含麦芒）直接测量。

2）叶面积。用直尺量取小麦叶片长度和最宽部位的宽度，用长度×宽度×0.83即为该小麦叶片的面积，同时记录单株叶片数和单株叶面积。

3）光合参数。在拔节期、孕穗期、抽穗期和开花期采用LI-6400光合仪测定小麦叶片净光合速率。

4）生物量。将样品分为茎、叶、穗、粒，分别装入信封内105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘干12 h后称重，记录样品的重量，再将烘干的样品粉碎保存，用于测定样品氮含量。

5）植物全氮。植株全氮含量（g/100 g干重）测定使用半微量-開氏法。主要生育期各器官氮素积累量为该器官实测氮素含量与其干物质质量的乘积。同时计算氮素收获指数，即氮素收获指数=（子粒吸氮量/植株地上部吸氮量）×100%。

1.5 数据处理

所有数据均采用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0软件进行统计分析和绘图，并用LSD法对各处理间差异进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 株高

株高是冬小麦的主要农艺性状之一，与小麦产量有一定的相关性，合理的株高是小麦高产、稳产的基础。株高主要受到遗传和环境的影响，其中环境影响最大，包括温度、水分等[12]。由表2可以看出，各种处理下株高从拔节期到抽穗期快速增长，到抽穗期后开始增长变缓并趋于稳定。与CK相比，W处理下，株高在除拔节期以外，都有了显著的增加；NT处理下，株高在孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期分别增加了8.1%、11.3%、11.2%、11.4%、10.6%；在全生育期，WNT处理株高均比CK显著增加，增幅达11.3%～15.8%。结果表明，夜间增温和免耕处理都能显著增加冬小麦株高，且在两者叠加处理下，增加效果最为明显。

2.2 生物量

生物量是反映冬小麦长势的重要群体指标之一，太阳辐射是植物累积生物量的能量源泉，在一定条件下， 植物光能利用不仅依赖太阳辐射量的多少，也与植物在光合同化过程中对温度的适宜性关系密切[13]。4种处理下，冬小麦生物量随生育期的推进而增加，在抽穗期至灌浆期增长快速。由表3可以看出，与CK相比，W处理下，在全生育期单株生物量都有所增加，其增幅为3.2%～12.7%；NT处理下，单株生物量在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期分别增加了15.2%、8.3%、3.8%、11.3%、11.7%、5.1%；WNT处理下，单株生物量在各个时期都显著增加，其增加幅度大于W处理和NT处理，其中在孕穗期和抽穗期增幅最为明显，分别达24.9%和31.2%。结果表明，夜间增温和免耕对本试验区域冬小麦生物量均产生明显增加效应，而以两者叠加处理对冬小麦单株生物量的增加作用最大。

2.3 叶面积

叶片是作物光合作用的主要器官，叶面积与光合特性、子粒产量的形成密切相关， 是小麦栽培和育种实践中重要的指标，是影响群体结构及冠层结构的主要因子[14]。由表4可以看出，小麦单株叶面积随生育期的推进持续增加，开花期达到最大值后由于植株底部叶片逐渐枯黄、绿叶面积迅速减小。W处理下，冬小麦的叶面积在全生育期都一定程度的增加，增幅达3.1%～7.6%；NT处理下，与CK相比，叶面积也有一定程度的增加，在各时期分别增加3.4%、1.6%、8.2%、5.0%、4.9%、6.8%，且在除孕穗期以外，各时期差异都达到显著水平；WNT处理下，在各时期叶面积都有大幅度的增加，其增幅大于W和NT，增幅达6.8%～12.4%。综上表明，夜间增温和免耕都能增加叶面积，两者叠加的情况下对叶面积增加表现出协同作用。

2.4 叶干重比

叶干重比是叶片生物量与单株生物量的比值，表示光合作用产生的干物质在绿叶中积累的多少，它的大小反映绿叶光合作用产生的干物质在绿叶中积累或者是往外运输。由图1可以看出，4种处理叶干重比在拔节期至孕穗期较高，在孕穗期后随生育期的推进呈下降趋势，在孕穗至抽穗下降最为明显。W处理下，与CK相比，在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期分别增加了3.4%、4.1%、10.1%、13.9%、11.1%，在成熟期无明显变化。NT处理下，在各个时期均与CK叶干重比相近；在WNT处理下，叶干重比与CK相比有一定增幅，其增幅与W处理基本相近。结果说明，夜间增温能一定程度的增加叶干重比，免耕对叶干重比无明显影响，且增温叠加免耕处理与单独增温处理效应相同。

2.5 光合速率

光合作用是干物质产生的重要途径，与生长关系非常密切。光合速率是植物生理性状的重要指标之一，也是估测植株光合生产能力的主要依据[15]。由图2可知，光合速率在开花期略高于其他3个时期，其余3个时期光合速率基本相同。与CK相比，W处理下，在全生育光合速率都有所增加，其增幅为16.2%～28.3%，其中在灌浆期增长幅度最大；NT处理下，光合速率在拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期分别增加了22.1%、33.7%、18.9%、27.1%；WNT处理条件下，光合速率在各个时期都有大幅提升，其增加幅度大于W處理和NT处理。结果表明，夜间增温和免耕有利于增加作物的光合速率，而以两者叠加处理对冬小麦光合速率的影响作用最大。

2.6 氮素累积

小麦对氮素的吸收、累积与其产量和品质有密切的联系，冬小麦氮素累积是冬小麦产量的重要指标。由图3可以看出，4种处理下，植物氮素累积随生育期的推进而增加。W处理下，植物氮素累积在各生育期分别增加了7.2%、10.3%、9.2%、9.3%、12.2%、8.7%。NT处理下，与W相同，也在一定程度增加了植物N素累积，且增长幅度与W基本相同。WNT处理下，植物氮素累积增长显著，其中在抽穗期和开花期增加最为明显，分别增加了27.3%、25.6%。结果表明，夜间增温处理和免耕处理都能一定程度的增加植物的氮素累积，两者叠加的情况下对植物氮素累积促进作用最为明显。

由表5可知，夜间增温和免耕都能增加植物总氮的累积，两者叠加的情况下增加最为显著，不同处理下子粒氮素累积与植物全氮累积情况相同。可以发现W处理下的氮素收获指数明显高于CK处理；NT处理下，氮素收获指数与对照无明显改变；WNT处理下，与W处理对氮素收获指数的影响效果相同。

2.7 叶片叶绿素SPAD值

叶绿素是进行光合作用所必需的重要物质，其含量可以反映出植物的光合作用能力和生长情况[16]。由图4可以看出，不同处理下叶片叶绿素SPAD在拔节到开花期逐渐增大，在开花期达到最大值后迅速下降。W处理下，SPAD在各生育期比CK分别增加了2.4%、13.7%、10.6%、13.0%；NT处理下与W处理结果基本相同；WNT处理下，SPAD增幅要大于W和NT单一处理，且在抽穗和开花期增长最为显著，增幅分别达19.6%和19.8%。

2.8 夜间增温及免耕对小麦产量及产量构成的影响

由表6可以看出，与CK相比，W处理使得千粒重、每平米穗数分别提高了2.6%、26.3%，且差异达到显著水平，每穗粒数、每穗粒重略有降低，但差异未达显著水平；NT处理每穗粒数、每穗粒重、千粒重、每平米穗数比CK分别提高了1.3%、5.6%、4.9%、10.7%，其中除千粒重，其他差异均不显著；WNT处理下，除了每穗粒数，其他产量构成因素都有了显著提高，且增幅都明显高于其他2种处理。结果表明，3种处理都能明显提高每平米穗数和千粒重，对每穗粒数和每穗粒重影响相对较小。

由图5可以发现，4种处理下，WNT在成熟期的产量最高，W处理次之，CK处理产量最低。相比于CK，W处理产量增加了24.4%；NT处理也有一定程度的提高，但略低于W处理；WNT处理产量比CK增加52.5%，且与其他3种处理间的差异都达到了显著水平。结果表明，夜间增温和免耕都能显著增加产量，两者叠加处理表现出协同作用的影响。

3 小结与讨论

3.1 夜间增温对冬小麦生长的影响

一般认为气候变暖会造成较高的分解作用从而加强植物对土壤中矿物营养的吸收，进而使得生物量增加[17]，本试验结果表明，夜间增温处理下，冬小麦各生育期氮素累积以及生物量都有一定程度的增加，与以上研究结果一致。夜间增温处理下，作物各生育期的氮素营养充足，可能是生物量增长的重要原因，另外，较高的植株能增加叶片对光的截获，提高冠层透光率，使下部叶片也获得光照，而使植株光合能力提高，从而有利于生物量的累积[18]。同时本试验还发现，夜间增温成熟期的氮素收获指数明显高于对照。田云录等[19]试验发现，夜间增温条件下产量构成与产量都有一定程度的提高，与本试验结果一致。而Zhang等[20]认为增温不利于植物的生长。本试验采用夜间模拟增温，而以上报道采用的是全天模拟增温，这可能是研究结果不一致的主要原因，同时谭凯炎等[21]研究表明冬季及早春一定幅度的升温有利于小麦生产，而春末夏初升温对小麦生产是不利的，增温季节的不同也可能是研究结果不一致的原因之一。

光合作用是小麦生物量和产量累积的重要途径，是小麦产量的主要来源，在生育后期，功能叶片的光合产物对子粒产量形成有很大的影响。其中叶绿素是光合作用中能量转化的基础，其含量可以反映作物的衰老速度，同时也是判断作物光合能力的一个重要指标。叶绿素SPAD值可以直接反映叶片叶绿素含量的多少，本试验结果表明，夜间增温情况下，SPAD值相比于对照有一定的增加。夜间增温加强了植物对土壤中无机氮的吸收，植株吸收强度的增加使得冬小麦体内的氮素累积量增加，而在冬小麦生育期内，植物体内的氮素大部分累积在叶片中。李大勇等[22]研究表明叶片氮含量高，叶绿素含量就高，净光合速率也高，这与本试验结果一致。而有研究表明平均光合速率和产量呈正相关[23]，这可能是冬小麦产量增加的重要原因。而张荣铣等[24]的夜间增温试验发现，夜间增温会显著降低小麦旗叶叶绿素含量和光合速率，并且加速叶片衰老速度，这可能是由于增温的幅度不同。

叶面积是作物冠层太阳辐射截获能力的重要指标之一，直接影响了作物冠层的光合作用。因此在作物的生长过程中，叶面积尤为重要。温度是影响出叶率重要的环境因素，温度影响细胞分裂和增大，从而影响叶片出叶速率和叶片的大小[25，26]，。大量研究表明，叶片数与出苗后的积温呈线性相关，这可能是本试验中发现夜间增溫处理下叶面积增加的重要原因。同时，氮素是除温度之外影响叶片生长的重要方面之一，在单株水平上，氮素通过影响作物的单株叶片数和单叶扩展速率[27]，从而影响单株叶面积；在群体水平上，氮素通过影响冠层扩展和衰老来影响冠层叶面积。因此，氮素对作物叶面积指数的影响可以通过对叶面积的构成因子的影响来量化，例如单株的叶片数、单叶的叶面积、叶片扩展速率以及单株的分枝或者分粟数。由此可知，本试验中夜间增温可能是通过影响温度和氮素水平对叶面积造成一定的影响。

另外，国内许多学者通过对不同作物比叶重的变化特性，发现比叶重在一定程度上决定了作物产量的大小[28]。本试验结果显示，增温情况下叶干重比有一定程度的增加，与前人的研究结果较一致。

综上表明，夜间增温处理通过促进对土壤中无机氮的吸收，从而影响作物株高、叶绿素含量、叶面积，进而影响光合作用，最终对产量产生影响。

3.2 免耕对冬小麦生长的影响

一般认为免耕可以提高土壤表层含水量，进而有利于作物的生长发育[29]。张海林等[30]研究表明， 在华北平原免耕处理下的夏玉米产量比传统耕作提高10%以上。这都与本试验结果相同，免耕显著增加了作物的生物量、株高、叶面积、叶干重比以及成熟期的产量。

同时，免耕土壤结构、土壤微生物数量与活性相对稳定有利于提高养分利用效率和作物生长，这可能是大豆氮累积量增加的原因之一。氮素累积增加是免耕条件下叶绿素含量增加的重要原因，刘建喜[31]研究发现，免耕条件下小麦体内的叶绿素含量高于传统耕作，这与本试验结果一致。叶绿素含量的增加，同时干物质累积量也在相应的增加，两者呈线性相关，叶绿素含量与叶面积、叶干重、物质累积量均呈极显著正相关，叶绿素含量与叶面积呈极显著正相关[24]。陈甲瑞等[9]研究发现，免耕处理下，玉米光合速率和产量明显高于传统翻耕， 与本试验结果一致，这是产量增加的重要原因。

3.3 夜间增温叠加免耕对冬小麦生长的影响

免耕相比于传统耕作可明显增加土壤含水量，进而使得土壤比热值增加，使得土壤对温度扰动缓冲性得到提升[32]，因此，在夜间土壤降温时，能有效减少土壤降温的幅度，且进行反光膜覆盖，相比于常规耕作区域就能进一步的增加土壤温度，不仅促进植物对土壤中氮素的吸收，同时还具有保持免耕土壤结构、土壤微生物数量与活性相对稳定等的作用，因此试验发现两者叠加的条件下，植物的株高、生物量、叶面积、叶绿素SPAD值、光合速率、产量构成以及产量都有显著的增加，且增加效应要大于夜间增温和免耕的单一处理。

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