高安妮 娄运生 刘迎霞 杜泽云 郭峻泓 潘德丰

摘要：气候变暖是全球气候变化的显著特征之一，表现为昼夜不对称增温，即夜间温度增幅大于白天。夜间增温明显影响冬小麦生产，通过施肥能否调控夜间增温的不利影响尚不清楚。通过田间模拟试验，采用3因素3水平正交试验设计，研究了夜间增温条件下施用生物炭和硅肥对冬小麦生长、生理特性及产量的影响。夜间增温设W0（常温对照）、W1（5mm铝箔膜覆盖）和W2（11mm铝箔膜覆盖）3个水平，夜间用铝箔膜覆盖植株冠层以模拟增温（19：00—06：00）；施生物炭设B0（对照）、B1（5t/hm2生物炭）和B2（17.5t/hm2生物炭）3个水平；施硅肥设Si0（对照）、Si1（200kg/hm2钢渣）和Si2（200kg/hm2矿粉）3个水平。结果表明，W1和W2处理使全生育期5cm土层夜间均温分别升高0.72℃和0.34℃，10cm土层升高0.22℃和0.18℃。夜间增温降低冬小麦关键生育期分蘖数、株高、叶面积指数（LAI）和产量，提高叶绿素含量（SPAD值）、叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）。与W0处理相比，W1处理胞间CO2浓度（Ci）降低0.41%、W2处理提高0.75%；W1和W2处理分别减产39.34%和46.16%。施用生物炭可提高冬小麦分蘖数、株高、Pn、LAI和Tr，降低Gs和Ci。与B0处理相比，B1处理使叶片SPAD值降低298%，B2处理则升高0.51%；B1处理使叶片Gs降低2.44%，B2处理降低7.32%；B1和B2处理分别增产5.97%和2276%。施硅肥可提高分蘖数、LAI、SPAD值和Pn，降低株高、Gs、Tr和Ci。与Si0处理相比，Si1和Si2处理分别减产16.44%和20.18%。研究认为，施用生物炭（17.5t/hm2）可有效缓解夜间增温对冬小麦生产的不利影响，提高产量。

关键词：夜间增温；生物炭；硅肥；冬小麦；产量；生理特性

中图分类号：S512.1+10.6文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）10-0057-08

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第6次评估报告指出，2014—2018年全球地表平均气温已升高1.04℃，预计2021—2030年全球升温幅度将达1.5℃［1］。气候变暖呈现明显的非对称性，即夜间最低气温增幅大于日间最高气温，冬春季增温趋势明显高于夏秋季［2-4］。温度是影响作物生长发育、生理代谢和产量构成的重要因素［5］。小麦是我国主要粮食作物，气候变暖使小麦生产面临的不确定性风险显著增加，对粮食安全和社会经济发展带来严重影响，已成为社会普遍关注的重要问题。

据报道，夜间增温可缩短冬小麦生育期，增加株高，减少分藥数［6-7］，明显增加冬小麦植株无效穗数，减少有效穗数，降低产量［8-9］；但也有报道认为，夜间增温显著降低冬小麦株高，增加分蘖数［8］，提高有效穗数和千粒质量，增加干物质积累，提高产量［10-12］。夜间增温可降低冬小麦植株叶片净光合速率和气孔导度，增加胞间CO2浓度，影响植株生长发育［13-14］。硅是地壳中含量最丰富的元素之一，但农田土壤有效硅含量普遍较低［15］。冬小麦是典型的喜硅作物之一，植株地上部含硅量较高［16］。施硅可促进冬小麦植株生长，增加分蘖数和叶面积指数［17-18］，提高叶片光合效率［19］，促进干物质积累及籽粒分配，增强抗逆性［20-21］。施用生物炭可改良土壤结构，增加土壤孔隙度，降低容重，提高有机质和养分含量［22-23］；还可促进植株对氮、磷等养分的吸收，提高叶绿素含量和叶片净光合速率，增强光合能力，提高产量［24-26］。

有关夜间增温、施生物炭、施硅对冬小麦生产交互影响的研究，多处于单因素或双因素水平，三因素耦合效应对冬小麦生长、生理及产量有何影响尚不明确。因此，本研究通过大田模拟试验，探讨了施用硅肥和生物炭对夜间增温下冬小麦生长、生理及产量的影响，旨在揭示通过调控土壤环境能否减轻夜间增温对冬小麦生产的不利影响，为我国长江中下游地区冬小麦可持续生产、保障粮食安全及应对未来气候变化提供试验参考依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

田间模拟试验于2020年11月至2021年5月在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带湿润气候区，海拔22m，年平均降水量约1090mm，年平均气温约15℃。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，耕层土壤（0～20cm）有机质含量19.4g/kg，全氮含量1.45g/kg，pH值6.2（土水比1∶1），质地为壤质黏土，黏粒含量26.1g/kg。供试生物炭为稻壳生物炭，有机碳含量50%。供试硅肥为钢渣粉和矿粉，SiO2含量分别为14.2%和32.3%。

1.2試验设计

本试验采用3因素3水平正交试验设计，处理方案见表1。夜间增温设W0（常温对照）、W1（5mm铝箔膜覆盖）和W2（11mm铝箔膜覆盖）3个水平；施生物炭设B0（对照）、B1（5t/hm2生物炭）和B2（17.5t/hm2生物炭）3个水平；施硅肥设Si0（对照）、Si1（200kg/hm2钢渣）和Si2（200kg/hm2矿粉）3个水平。

采用开放式被动增温法模拟夜间增温，即在冬小麦生长期内夜间用铝箔反光膜覆盖植株冠层（19：00—06：00）。根据冬小麦的生长进程及时调整铝箔反光膜高度，使作物冠层与反光膜间距保持30cm左右。在大风（风速大于10m/s）或降雨天气时夜间不覆盖反光膜，避免增温设施损坏和降水引起水分差异影响。采用温度自动记录仪（型号L93-4）每隔30min记载麦田5cm土层和10cm土层的土壤温度。小区面积2m×2m=4m2，随机排列，重复3次。农田翻耕时将硅肥和生物炭以基肥方式施入土壤，同时每小区施复合肥（15∶15∶15）315g。冬小麦种子经晾晒后播入土壤，每小区播种量为120g。

1.3测定方法

1.3.1生长指标测定

在冬小麦植株的拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和成熟期，选取1d进行测定，测定时间为09：00—11：00。测定时，每小区选取代表性3株植株测量株高，取平均值。采用LAI-2000手持叶面积指数仪测定叶面积指数，连续测定3次，取平均值。采用叶绿素仪（SPAD-502）测定叶片叶绿素含量，每小区随机选取3张剑叶，测定叶片不同部位并取3张剑叶的平均值作为最终值。

1.3.2生理指标测定

在冬小麦的生长季内，每周选取1d采用便携式光合作用测定仪（Li-6400）测定植株叶片光合和蒸腾作用指标，测定时间为09：00—11：00，测定指标主要包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），每小区测定结果取3次重复的平均值。

1.3.3产量测定

2021年5月22日（成熟期）将每小区中间部位（0.5m×0.5m）作为计产样方，用常规方法脱粒、风干和称质量，计算产量（t/hm2）。

1.4数据处理

采用IBMSPSS21.0统计分析软件进行正交表方差分析，利用MicrosoftExcel2019软件进行数据处理并编制极差分析表。

2结果与分析

2.1被动式增温效果

由图1可知，夜间增温明显提高冬小麦5cm土层和10cm土层温度。与对照（W0）相比，W1和W2增温处理的5cm土层温度分别升高0.72℃和0.34℃，10cm土层温度则升高0.22℃和0.18℃。相较于W1处理，W2处理5cm和10cm土层平均温度分别降低0.38℃和0.04℃，表明不同厚度的铝箔膜均可提高土层温度，但土层增温幅度与铝箔膜厚度呈负相关。

2.2不同处理对增温冬小麦植株生长的影响

2.2.1不同处理对增温冬小麦植株分蘖数的影响

极差分析（表2）表明，3个因素对分蘖数的影响程度表现为夜间增温＞施生物炭＞施硅肥。与对照相比（W0，不增温），夜间增温（W1或W2）均明显降低分蘖数，降幅分别为19.25%和19.97%。与不施生物炭（B0）相比，施用生物炭（B1或B2）均明显增加分蘖数，增幅分别为1.04%和10.73%。与不施硅相比（Si0），施用200kg/hm2钢渣（Si1）或矿粉（Si2）均可增加冬小麦分蘖数，但增幅较小，为034%和2.18%。

由表3可知，施用生物炭和硅肥对分蘖数的促进作用在灌浆期达显著水平（P<005），夜间增温对分蘖数无显著影响。W0B2Si2处理的分蘖数最大，即施用矿粉和17.5t/hm2生物炭、不覆盖铝箔膜可促进冬小麦分蘖数增加。

2.2.2不同处理对增温冬小麦植株株高的影响

极差分析（表2）表明，施生物炭对株高的影响最大，其次为施硅肥，夜间增温对株高影响最小。与W0处理相比，夜间增温明显降低株高，W2处理的株高最低。随着生物炭用量增加，株高呈升高趋势，与B0处理相比，B1和B2处理的株高增幅分别为470%和7.89%。与Si0处理相比，Si1和Si2处理的株高降幅分别为0.63%和1.10%，说明施矿粉对株高的抑制作用更明显。由表3可知，夜间增温对株高的促进作用在拔节期达极显著水平（P<001）；施用生物炭对株高的促进作用在拔节期、灌浆期分别达极显著水平和显著水平；施用硅肥对株高的抑制作用在拔节期达显著水平。W0B2Si0处理株高最高，即不施硅肥，施用17.5t/hm2生物炭，夜间不增温明显增加株高。

2.2.3不同处理对增温冬小麦植株叶面积指数（LAI）的影响

极差分析（表4）表明，3个因素对LAI的影响程度表现为施生物炭＞施硅肥＞夜间增温。与W0处理相比，夜间增温（W1或W2）处理均明显降低LAI，降幅分别为8.14%和10.42%。与B0处理相比，施用生物炭（B1或B2）使LAI明显升高，增幅分别为15.18%和21.40%。随着生物炭用量增加，叶面积指数呈升高趋势。与Si0处理相比，施硅（Si1或Si2）可明显提高LAI，增幅分别为410%和18.66%。相比于不施硅处理，施用矿粉更能有效促进LAI。由表3可知，施生物炭对冬小麦植株叶面积指数的促进作用在灌浆期达显著水平，而夜间增温和施硅对叶面积指数影响不显著。叶面积指数达到最高的最佳因素处理组为W0B2Si2，即施用矿粉和17.5t/hm2生物炭且夜间不增温能大幅提高LAI。

2.2.4不同处理对增温冬小麦植株叶绿素含量（SPAD值）的影响

极差分析（表3）表明，3个因素对SPAD值的影响程度表现为施生物炭＞施硅肥＞夜间增温。与W0处理相比，夜间增温（W1）或（W2）可提高SPAD值，但增幅较小，分别为0.12%和1.03%。与B0处理相比，B1处理可降低SPAD值，降幅为2.98%，B2处理可增加SPAD值，增幅為0.51%。与Si0处理相比，Si1和Si2处理可增加SPAD值，增幅分别为1.70%和0.71%。说明施用硅肥均能提高SPAD值，但矿粉促进效果更明显。

由表3可知，在冬小麦灌浆期，夜间增温和施用硅肥对SPAD值的促进影响均达显著水平，B1处理对SPAD值的抑制作用和B2处理对SPAD的促进作用达显著水平，其余时期均未表现显著影响。叶绿素含量达到最高的最佳因素处理组为W2B2Si1，即施用17.5t/hm2生物炭和200kg/hm2钢渣，覆盖11mm铝箔膜促进叶绿素含量升高。

2.3不同处理对增温冬小麦植株光合特性的影响

2.3.1不同处理对增温冬小麦植株净光合速率

极差分析（表5）表明，3个因素对Pn的影响程度表现为夜间增温＞施生物炭＞施硅肥。与W0处理相比，W1和W2处理明显提高Pn，增幅分别为4.37%和13.81%。与B0处理相比，B1处理可增加Pn，增幅为2.83%，B2处理则降低Pn，降幅为0.54%。施用钢渣（Si1）和矿粉（Si2）均可提高Pn，增幅分别为0.84%和0.42%。

由表6可知，夜间增温对冬小麦植株叶片净光合速率的促进影响在开花期和灌浆期均达显著水平；施用生物炭（B1）对Pn的促进影响及（B2）的抑制影响在孕穗期达显著水平；施硅对Pn的促进影响在灌浆期达显著水平。Pn达到最大值的最佳因素组合为W2B1Si1，即施用钢渣和5t/hm2生物炭，覆盖11mm铝箔膜对Pn的促进作用更明显。

2.3.2不同处理对增温冬小麦植株气孔导度（Gs）的影响

极差分析（表5）表明，3个因素对Gs的影响程度表现为施硅肥＞夜间增温和施生物炭。与W0处理相比，夜间增温（W1或W2）处理均有效增加Gs，增幅均为7.89%。与B0处理相比，B1处理降低Gs，降幅为2.44%，B2处理则降低Gs，降幅为732%。与Si0处理相比，Si1和Si2处理均降低Gs，降幅分别为4.76%和9.52%。

由表6可知，不同处理对冬小麦各个生育期的GS均无显著影响。W2B0Si0处理Gs最大，即不施硅和生物炭，并覆蓋11mm铝箔膜可有效提高Gs。

2.3.3不同处理对增温冬小麦植株蒸腾速率（Tr）的影响

极差分析（表7）表明，3个因素对Tr的影响程度表现为夜间增温＞施硅肥＞施生物炭。与W0处理相比，夜间增温均明显提高Tr，增幅分别为7.13%和19.76%。随着膜厚度增加，夜间增温对Tr的促进作用更明显。与B0处理相比，B1和B2处理可升高Tr，增幅分别为5.37%和2.69%。与Si0处理相比，Si1和Si2处理的降幅分别为6.09%和14.78%。不同种类的硅肥均能降低Tr，但矿粉对Tr的抑制作用更明显。

由表6可知，夜间增温对Tr的促进作用和施硅对Tr的抑制作用在冬小麦灌浆期内均达极显著水平，施用生物炭对Tr的促进作用在灌浆期达显著水平。W2B1Si0处理为最适处理组，即不施硅，施7.5t/hm2生物炭，并覆盖11mm铝箔膜可明显提高Tr。

2.3.4不同处理对增温冬小麦植株胞间CO2浓度（Ci）的影响

极差分析（表7）表明，3个因素对Ci的影响程度表现为施生物炭＞施硅肥＞夜间增温。与W0处理相比，W1处理小幅降低Ci，降幅为041%；W2处理小幅增加Ci，增幅为0.75%。与B0处理相比，施生物炭（B1或B2）均降低Ci，降幅分别为2.83%和1.93%。随着生物炭量增加，Ci降低，即生物炭对Ci有抑制作用。与Si0处理相比，施硅（Si1或Si2）均降低Ci，降幅分别为1.02%和240%。

由表6可知，不同处理对Ci的影响在冬小麦各个生育期均未达显著水平。Ci达到最大的最佳处理组为W2B0Si0，即不施硅和生物炭且覆盖11mm铝箔膜可促进Ci。

2.4不同处理对冬小麦产量的影响

极差分析（表8）表明，3个因素对产量的影响程度表现为夜间增温＞施硅肥＞施生物炭。与W0处理相比，夜间增温（W1或W2）处理均明显降低产量，降幅分别为39.34%和46.16%。与B0处理相比，施生物炭（B1或B2）处理均使小麦产量增加，增幅分别为5.97%和22.76%。与Si0处理相比，施硅（Si1或Si2）处理均使产量明显降低，降幅分别为16.44%和20.18%。

从表9可以看出，不同处理对冬小麦产量在各时期均没有显著影响。小麦产量最高的处理组合是W0B2Si2，为9.16t/hm2；W2B0Si2处理产量最低，为2.75t/hm2。不增温（W0）处理的产量之和最高，为24.63t/hm2，W2处理的产量之和最低，为13.26t/hm2；施17.5t/hm2生物炭处理（B2）的产量之和最高，为19.74t/hm2，B0处理最低，为16.08t/hm2；不施硅处理（Si0）的产量之和最高，为20.06t/hm2，Si2处理的产量之和最低，为16.03t/hm2。

3讨论与结论

被动式夜间增温装置可明显提高冬小麦土层温度，W1和W2处理可使冬小麦主要生育期5cm土层夜间平均温度提高0.72℃和0.34℃，10cm土层夜间平均温度提高0.22℃和0.18℃，这与前人报道［27-28］较一致。夜间增温（W1或W2）可使株高明显降低，叶面积指数明显下降，原因可能在于夜间增温可加快冬小麦生长发育进程，缩短生育期。但也有研究认为，夜间增温可减少植株无效分蘖，降低营养和能量消耗，使较多的光合产物用于植株生长，引起冬小麦株高和叶面积指数增加［6，29］。可见，夜间增温对植株生长作用效应，可能与不同作物品种、气候条件和土壤性质等环境因子有关［30-31］。叶绿素是作物光合作用能量转化的基础，也是反映光合作用能力的指标之一。夜间增温（W1或W2）可提高植株叶片叶绿素含量（SPAD），原因在于增温促进了冬小麦植株根系从土壤吸收无机氮，使植株体内氮素累积量增加，有利于叶绿素合成［32］。

夜间增温下，冬小麦主要生育期植株叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度明显升高，而胞间CO2浓度在W1处理小幅降低，在W2处理小幅增加。增温可通过气孔或非气孔因素影响作物光合速率，气孔限制因素使Ci降低，气孔限制值增大，此时Pn和Ci变化趋势相同；非气孔限制因素为光抑制导致叶绿体光合速率降低，Ci升高，气孔限制值减小，Pn和Ci变化趋势相反［33］。本试验中，W1处理的植株叶片Pn和Gs升高，Ci降低，可能在于夜间增温有利于缓解低温对植株光合速率抑制作用，缩短了叶片受低温影响的时间等非气孔限制因素［34］。适量施用生物炭（B1）明显提高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，缓解土壤缺水对冬小麦生长及光合作用的影响［35］。施用硅肥可明显提高Pn，降低Tr，原因在于施硅有利于气孔开放，促进CO2向叶绿体输送，延长光合时间，提高光合能力［36］；施硅可促进细胞壁增厚，形成“角质－硅”双层结构，降低叶片蒸腾速率，提高水分利用率［32，37］。施用适量的生物炭和硅肥可通过改善冬小麦的生理特性进而缓解夜间增温所带来的不利影响［38］。

夜间增温使冬小麦产量明显降低，降幅为3934%和46.16%。原因在于：（1）夜间增温使叶面积指数下降，不利于光合作用［31，39］；（2）夜间增温使气温日较差降低，有利于植株通过呼吸作用消耗较多同化产物，不利于籽粒灌浆和同化物积累；（3）夜间增温使冬小麦生育期缩短，叶片衰老加快，籽粒灌浆时间缩短，不利于光合同化产物的积累［13，40］。这些因素均可引起产量降低。施用生物炭可提高冬小麦产量，增幅为5.97%和22.76%，原因在于施用生物炭可有效改良土壤，提高有机质含量及改善土壤肥力［23，41］，从而缓解夜间增温对植株生长及产量形成的不利影响。

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