夜间模拟增温对大豆生长及产量的影响

董京铭+张耀鸿+田思勰+楚岱蔚+谢晓金+刘尔宁+杨世琼

摘要：利用被动式增温系统进行夜间模拟增温，采取常温+翻耕、夜间增温+翻耕、常温+免耕、夜间增温+免耕4种处理，研究长江中下游地区夜间增温对夏大豆生长及产量的潜在影响。结果表明，与常温+翻耕处理相比，夜间增温+翻耕处理下大豆植株的生物量、光合速率均显著下降（P<0.05），氮磷养分积累量也降低，籽粒产量降幅为25%，单株粒数、单株粒质量均显著减小;常温+免耕处理下大豆植株的生物量、株高、光合速率、氮和磷积累量、籽粒产量和产量构成各指标都有显著提高，其中生物量在全生育期内增加20%～46%，光合速率在结荚期增幅最大，为26%，籽粒产量增幅为30%;夜间增温+免耕处理下，大豆植株的生物量、氮磷积累量有一定程度的提高，在生长中后期大豆株高略有增加，光合速率、籽粒产量及产量构成各指标则无显著变化。总体结果表明，在夜间增温条件下采用免耕措施，将减少增温对作物带来的不利影响。

关键词：夜间增温;免耕;光合速率;氮积累;产量构成;大豆

中图分类号： S565.104 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0112-04

收稿日期：2014-05-14

基金项目：国家自然科学基金（编号：41103039、41205087）;江苏省农业气象重点实验室开放课题（编号：KYQ1307）;江苏省大学生实践创新训练计划（编号：201410300008）;江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划;江苏省杰出青年教师聘外专家项目。

作者简介：董京铭（1989—），男，江苏连云港人，硕士，主要从事农业应对全球变化研究。E-mail：djm331487563@163.com。

通信作者：张耀鸿，博士，副教授，主要从事地气交换与全球变化研究。E-mail：yhzhang@nuist.edu.cn。

根据跨政府气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第4次评估报告显示，全球气温呈现非对称性增加，夜间增温幅度大于白天，日较差呈现减小的趋势[1]。温度是影响农作物生长发育的主要环境因素之一，昼夜增温的不对称性会对作物的生长发育以及经济产量产生潜在影响。房世波等利用田间开放式增温系统进行试验，结果表明，夜间增温导致冬小麦生育期缩短，各物候期提前，产量显著降低[2];田云录等研究发现，夜间增温条件下冬小麦籽粒产量提高18%，旗叶面积、开花期总绿叶面积分别提高26%、17%[3]。目前，国内外对于夜间增温对农作物生长影响的研究尚未形成定论，须要进一步深入研究。

保护性耕作可以大大缓解沙尘的危害，降低我国北方沙尘暴天气发生的可能性[4]。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，在全世界范围内得到广泛的应用[5]，免耕的持续效应受到气候、作物、土壤、栽培管理等综合影响[6]。目前，关于免耕对农作物生长的影响已有广泛研究。董百舒等试验结果表明，少耕、免耕平均可使农作物增产10%以上[7];晋凡生等研究发现，山西省旱塬地农田在免耕方式下的玉米产量达4 500 kg/hm2以上，比传统耕作增产22%～ 26%[8];胡立峰等研究发现，相对于翻耕而言，免耕方式下玉米产量降低17.6%[9]。

本试验以夏大豆为对象，将夜间增温与土壤处理相结合，研究分析对夏大豆生物量、株高、光合作用、氮磷元素吸收利用、籽粒产量和产量构成要素的影响，以期为未来气候变化条件下预测长江下游地区农田系统生产潜力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于南京信息工程大学农业气象试验站（3216°N，118.86°E），属亚热带湿润气候，常年平均气温为 15.6 ℃，降水量为1 100 mm，试验地0～20 cm土层土壤的有机质、氮、速效磷、速效钾含量分别为14 100、1 160、15.6、64.2 mg/kg，pH值为6.7。

1.2 试验设计

1.2.1 大豆种植 供试大豆品种为泗豆4号，该品种属于中熟类型，春夏皆可播种。2013年7月6日播种，株行距为 20 cm×25 cm，每穴播种3～4粒，出苗期为7月14日。在大豆全生育期，由于降水充沛，可满足大豆的用水需求，故试验期间不进行人工浇灌。

1.2.2 增温方式 试验参照陈金等被动式夜间增温的方法[10]进行，使用反光膜将地面发出的长波辐射反射回地表，以减少热量损失，达到增温的目的。装置由支架、反光膜、温度记录仪等组成，反光膜材质为铝铂玻纤布，反射率达97%以上，在大豆全生育期内每天19：00展开进行增温，次日06：00卷起，降雨和大风天气不进行盖膜处理以保证水分条件一致性、避免损坏增温装置。为避免增温装置对遮光的影响，常温组也架设增温装置，但不铺设反光膜。用泽大仪器有限公司生产的温度记录仪（精度±0.1 ℃）记录5 cm深的土壤温度，每15 min记录1次。在大豆全生育期，夜间增温处理区域的夜间均温比不增温处理平均增加1.3 ℃（图1）。

1.2.3 试验处理 试验共设4个处理：CK——常温+翻耕;W——夜间增温+翻耕;NT——常温+免耕;WNT——夜间增温+免耕，每处理重复3次，共计12个小区，小区面积为 3 m×4 m，随机分布，其中有效增温区域为2 m×3 m。翻耕处理使用旋耕机翻耕20 cm，翻耕2次，翻耕后进行人工整平;免耕处理为小麦、大豆轮作，不进行常规耕作，直接播种作物。

1.3 测定内容

1.3.1 营养元素含量测定 分别在大豆分枝期（8月9日）、开花期（8月19日）、结荚期（8月29日）、鼓粒期（9月21日）、成熟期（10月16日），除1 m×1 m区域不采样用于成熟期测产外，每试验小区随机选取大豆植株5株，先测定株高;后将植株分为茎、叶、荚、籽粒，105 ℃杀青0.5 h，70 ℃烘干至恒质量，测定生物量;再将样品粉碎，采用半微量-凯氏定氮法、钒钼黄比色法[11]分别测定全氮、全磷含量。植物氮（磷）素积累量为该生育期各器官实测氮（磷）素含量（%）与其干物质质量（g）乘积之和。endprint

1.3.2 光合速率测定 在大豆分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期10：00—11：00，使用LI-6400测定每处理小区植株顶部完全展开叶片的光合速率，每植株测定3张叶片，每张叶片重复测定5次。另外，选取相同位置的叶片，使用SPAD仪测定叶片的叶绿素含量。

1.3.3 产量测定 在大豆成熟期，每小区随机选取植株10株，分别测定单株空秕荚数、1粒荚、2粒荚、3粒荚、4粒荚的数量及单株粒数、粒质量、百粒质量、粒径;在1 m×1 m测产面积内，记录有效株数，收获所有大豆籽粒，折算籽粒产量。籽粒产量（g/m2）=每株籽粒质量（g）×1 m2有效株数（株/m2）。

1.4 数据处理

用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行处理和统计，用LSD法进行差异显著性检验分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对植株生物量、株高的影响

由图2可见，与CK相比，W处理的大豆在不同生育期内植株生物量下降，降幅为6%～26%，且差异基本达显著水平（P<0.05）;NT处理的大豆植株生物量显著增加，分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期分别比CK增加28%、46%、36%、23%、20%;WNT处理的大豆植株生物量也有明显增加，各生育期分别比CK增加11%、3%、10%、7%、6%;在各生育期，NT处理的大豆植株生物量均高于WNT处理，可能由于夜间增温对大豆植株生物量的增加有一定程度的抑制作用，免耕处理可以显著提高大豆植株的生物量。

由表1可见，W处理的大豆与CK相比，株高相对较低，且未达到显著水平;在各生育期，NT处理的大豆株高都高于CK，在开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期的差异均达到显著水平（P<0.05）;WNT处理的大豆株高也都高于CK，且在结荚期、鼓粒期、成熟期的差异达到显著水平（P<0.05）;NT处理与WNT处理的大豆株高间无显著差异。

表1 不同处理对大豆各生育期株高的影响

处理

株高（cm）

分枝期 开花期 结荚期 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：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下表同。

2.2 不同处理对植株氮、磷累积量的影响

由图3可见，4个处理的地上部氮积累量均随着生育期的推进而增加;与CK相比，W处理大豆植株的氮累积量在各生育期均有所下降，降幅为6%～35%，其中在分枝期和开花期下降最为明显;NT处理下，大豆植株的氮累积量在分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期分别比CK增加13%、53%、14%、19%、34%;在各生育期，WNT处理的大豆植株氮累积量与CK处理无差异。夜间增温明显抑制大豆植株的氮积累量，且在前期抑制效应更为明显;在大豆各生育期内，免耕处理均明显提高植株的氮积累量，且在开花期和成熟期提高最为明显。

由图4可见，在各生育期内，W处理与CK相比，大豆植株的磷积累量都有所下降，在分枝期、开花期降幅最大，分别为31%、40%;NT处理的大豆植株磷积累量均有明显增加，与CK相比，增幅为17%～51%;WNT处理与CK相比，大豆植株的磷积累量也有所增加，但差异未达显著水平。与氮累积量相似，夜间增温显著降低植株的磷积累量;免耕处理和增温加免耕条件，大豆植株的磷积累量均有不同程度的提高，免耕处理的提升幅度大于后者。

2.3 不同处理对植株叶片光合速率和叶绿素含量的影响

由图5可见，W处理与CK相比，大豆植株叶片的光合速率下降10%～14%，其中在鼓粒期降幅最为明显;NT处理与CK相比，叶片的光合速率在分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期

分别增加23%、26%、23%、25%;WNT处理下，大豆结荚期的叶片光合速率显著增加。

由表2可见，与CK相比，W处理的大豆植株SPAD值在各生育期均有一定程度的下降，分枝期、开花期、鼓粒期SPAD值与CK差异均达显著水平;NT处理的大豆植株，其SPAD值比CK增加4%～13%;WNT处理与CK相比，叶片SPAD值变化不明显。

表2 不同处理对大豆不同生育期SPAD值的影响

处理

SPAD值

分枝期 开花期 结荚期 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 不同处理对大豆籽粒产量、产量构成及单株荚数的影响

由表3可见，W处理下大豆的单株粒数、单株粒质量、粒径、籽粒产量均显著减小;NT处理下大豆的单株粒数、单株粒质量、百粒质量、粒径、产量分别比CK提高28%、31%、3%、2%、30%;WNT处理与CK相比，大豆的籽粒产量和产量构成无显著变化。W处理的籽粒产量和产量构成各指标均有所降低，NT处理籽粒产量和产量构成各指标均有所提高。endprint

由表4可见，W处理导致总荚数比CK下降11%，且2粒荚数、3粒荚数、4粒荚数均显著减小（P<0.05）;NT处理时大豆总荚数比CK提高23%，2粒荚数、3粒荚数分别增加41%、34%;WNT处理时大豆总荚数比CK显著增加，2粒荚数、3粒荚数分别增加23%、18%。

3 结论与讨论

夜间增温条件下，大豆植株的生物量、光合速率、SPAD值、氮磷的积累量都有一定程度的下降，成熟期时籽粒产量和产量构成各指标也下降;在分枝期、开花期，夜间增温植株的氮积累量分别下降35%、29%，磷积累量分别下降31%、

表3 不同处理对大豆籽粒产量和产量构成的影响

处理 单株粒数

（粒） 单株粒质量

（g） 百粒质量

（g） 粒径

（mm） 产量

（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 不同处理对大豆单株荚数的影响

处理 总荚数

（个） 空荚数

（个） 1粒荚数

（个） 2粒荚数

（个） 3粒荚数

（个） 4粒荚数

（个）

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%。这可能是由于夜间增温处理时，植株前期对氮磷营养元素的吸收量较小，从而致使生物量减小、籽粒产量降低，与楚岱蔚等研究结论[12]一致。Lee等研究发现，长期夜间增温可导致新陈代谢产生副反应，致使叶肉细胞过氧化反应增加，光合速率减弱[13]。本试验叶片的SPAD值有所下降，这是大豆光合速率下降的重要原因之一。张贤泽等认为，大豆主要生育期的平均光合速率与产量呈正相关[14]，本试验长期夜间增温，导致光合速率下降，最终导致籽粒产量减小。

免耕处理条件下大豆植株的生物量、株高、光合速率、SPAD值、氮磷积累量、籽粒产量及产量构成各指标都增加，这与陈甲瑞等对玉米的结论[15]一致。陈军胜等研究认为，免耕减少了土壤蒸发，有利于提高水分的利用效率，从而促进作物生长[16]，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，这可能是大豆氮磷积累量增加的原因之一。另外，彭文英研究发现，长期实施免耕才可提高土壤的增水效应，改善土壤的理化性质[17]。楚岱蔚等早期研究发现，免耕处理显著减小大豆的地上生物量，对籽粒产量也有一定的抑制效应[12]，与本试验结果不同，这可能是由试验大豆品种不同及免耕的持续期短所致。

夜间增温叠加免耕条件下，大豆植株的生物量、株高、氮磷的积累量都略有提高，但各项指标都低于免耕处理，且高于夜间增温处理。与传统耕作相比，免耕可有效增加土壤含水量，增加土壤的比热值，使土壤对温度扰动的缓冲性提升[18]，进而使得夜间增温处理对土壤温度扰动的敏感性减小，从而降低了夜间增温对大豆的负面影响。因此，在未来夜间温度升高条件下实施免耕方式，可有效降低夜间增温对作物生长带来的抑制作用。

需要强调的是，不同农作物在不同年份、不同生长季对夜间增温及免耕的响应特征可能存在差异，这需要开展长期的田间试验进行深入研究，用多年份试验数据证实夜间增温及耕作方式对农作物的潜在影响。

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