夜间增温对小麦-土壤系统影响的研究进展

目前,我国粮食生产正遭受以非对称性增温为特征的气候变暖影响,以春冬季和夜间升温明显为特征的非对称性增温过程与我国主要粮食作物小麦的生育期基本重叠,因此,亟须明确夜间增温对小麦优质高产的影响,为准确判断和预测全球气候变暖背景下农田生态系统对夜间增温的响应程度与趋势以及制定对策提供科学依据。综述了夜间增温对小麦物候期、农艺性状、产量、品质及土壤微生物、养分含量、呼吸等方面的影响,并对夜间增温对小麦-土壤系统影响的未来研究方向进行展望,以期为气候变暖背景下小麦安全生产研究方向的确立及粮食安全生产措施的制定提供理论依据。     

夜间增温与铜污染对麦田土壤无机氮库的影响

基于夜间增温（设增温、常温两个水平）与铜污染 \[设CK（6 mg·kg^-1）、LP(43 mg·kg^-1）、MP（155 mg·kg^-1）、SP（209 mg·kg^-1）4个梯度\] 复合因素的7 a旱地定位试验,结合室内20℃和30℃下恒温培养91 d,分析了麦田土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮含量的变化及其稳定特征。研究结果表明：土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮随着土壤中铜含量的增加均表现为先增后降趋势,夜间增温下CK土壤硝态氮和无机态氮含量分别显著降低10.8%和5.7%,在LP、MP处理下硝态氮含量分别显著下降17.4%、15.2%,但在SP处理下土壤硝态氮、铵态氮分别显著增加6.9%和15.1%,增温与铜含量对土壤无机态氮和硝态氮的影响呈现显著的交互效应。20℃和30℃恒温培养使无机态氮含量增加1.6~4.6倍、铵态氮含量增加5.2~13.3倍,却使硝态氮含量减少40.3%~65.1%,20℃比30℃恒温培养后土壤中有较高的无机态氮、铵态氮含量和铵/硝比。夜间增温使土壤净氮矿化作用、氨化作用的Q₁₀值均有所提高,但硝化作用的Q₁₀值显著降低16.8%,适当的铜含量（LP：43 mg·kg^-1）将加快土壤氮的氨化、矿化和硝化速率。因此,夜间增温提高了旱地麦田土壤氮矿化作用温度敏感性,降低了无机态氮库稳定性,土壤铜污染与土壤氮库转化和增温响应的关系具有浓度效应。     

夜间增温对铅危害下小麦物质积累分配与根系生长的影响

为揭示气候变暖与土壤铅污染对农作物及其地下根系生长的影响,利用夜间增温系统研究了4种土壤铅水平下冬小麦关键生育期的干物质积累及其地上地下分配、收获指数、根系活性的变化。结果表明,夜间增温提升小麦全生育期的土壤温度0.6～1.4℃,增温效果明显。未污染处理的小麦蜡熟期总生物量与籽粒产量在夜间增温下显著提高,但收获指数却显著降低。铅污染加重造成小麦籽粒产量与总生物量下降,但夜间增温使铅污染处理小麦的产量显著增加14.7%～19.1%、总生物量显著增加13.0%～26.5%,其收获指数增加,表明夜间增温提高了小麦抗铅污染危害的能力。增温对提高小麦根干物质积累表现为正效应而铅污染胁迫则表现为负效应,增温具有增加小麦根系干重及根冠比的趋势,但受铅污染程度、作物生长时期制约。小麦根系活性随土壤铅污染加重而下降,而夜间增温具有提高低铅土壤小麦各时期根系活性的趋势,夜间增温在抽穗期显著提高了4个铅处理的小麦根系活性(12.2%～40.2%),增温下根系活性的增强有助于作物抵御铅污染危害。研究结果表明增温对小麦地下系统的正效应影响有助于提高其抵御铅污染胁迫的能力。     

夜间增温对小麦吸持铅素的影响

当前非对称气候变暖及部分农业土壤铅富集潜在影响我国小麦生产,揭示夜间增温对小麦吸持铅素及其分配的影响有助于确保粮食安全生产。利用田间被动式夜间增温系统设置不同铅浓度客土盆栽试验,研究小麦产量与地上部组织的生物量、铅含量与积累量、铅富集系数和迁移系数随温度变化的响应。结果表明,夜间增温显著增加小麦产量8.3%,却显著降低茎叶和地上部总干重;铅污染表现为负效应且随污染程度增加而加大。夜间增温显著降低地上部植株、籽粒与颖壳中铅含量,但对茎、叶中铅含量影响不大;分别显著降低籽粒中铅积累量7.6%(轻度污染)和6.8%(重度污染)、颖壳中铅积累量12.0%(无污染)和13.9%(重度污染)和全部污染处理下小麦地上部(14.0%~23.3%)、茎(22.5%~24.9%)、叶(17.9%~31.8%)中铅积累量。夜间增温显著降低无污染处理铅在茎、叶、籽粒和颖壳中的富集系数和轻污染处理铅在茎、籽粒和颖壳中的富集系数,但未显著影响重度污染处理铅在各器官中的富集系统。增温显著降低了全部污染处理中由茎向籽粒、颖壳转移的铅迁移系数。夜间增温有利于小麦生产且能降低铅胁迫农田粮食遭受铅污染的潜在风险。     

臭氧污染对麦田土壤不同活性有机碳库的影响

近年来大气臭氧危害加剧,臭氧浓度升高影响植物—土壤系统进而影响土壤有机碳库周转。本研究在开放条件下,采用Chan修订的Walkley-Black方法,研究了连续5年增加稻—麦轮作系统大气臭氧浓度(较周围大气高50%)对麦季农田土壤不同活性有机碳库的影响。结果表明,大气臭氧浓度升高致使0~3 cm、10~20 cm土层土壤有机碳含量显著降低,累积导致耕层(0~20 cm)土壤有机碳含量下降18.4%(p0.05)。臭氧浓度升高显著降低了0~3、3~10、10~20 cm 3个土层中的活性有机碳含量;臭氧升高使0~3 cm土层的受保护缓性有机碳含量增加了10.8%(p0.05),并使未受保护缓性有机碳含量降低了59.7%(p0.05);臭氧升高条件下10~20 cm土层的受保护缓性有机碳含量降低了59.6%(p0.05)。臭氧升高对不同活性碳占总有机碳比例的影响受活性碳类型和土壤层次的制约,显著降低了3~10 cm土层活性有机碳所占比例(p0.05),未对耕层各层次上的稳定有机碳含量及其分配产生显著影响。臭氧升高导致土壤中占土壤有机碳比重59.3%~69.8%的活性碳库的库容变小,应是土壤有机碳库下降的直接原因。本研究表明长期大气臭氧浓度增加具有降低土壤有机碳含量并改变不同活性有机碳库分配与周转的态势。