麦田开放式昼夜不同增温系统的设计及增温效果

【目的】设计旱地开放式增温系统,并从田间温度变化和冬小麦生育期改变等方面来监测系统的增温效果与可靠性。【方法】参考国际已有增温系统,于2007—2009年在江苏南京设计了中国首个麦田开放式增温系统(freeair temperature increase,FATI),进行冬小麦全天、白天和夜间3种增温试验。【结果】2年试验结果表明,该开放式主动增温系统的增温效果明显。3种情景下各增温小区的均匀有效增温面积在4m2以内,其中全天、白天和夜间增温分别使冬小麦全生育期地下5cm的土温平均增加2.2、1.5和1.8℃,地表温度增加2.2、0.9和1℃,冠层温度增加1.5、0.9和1.1℃。3种增温情景下,冬小麦各关键生育期田间温度的日变化及全生育期日平均温度的变化动态与未增温区的基本一致,增温设施能客观地模拟田间实际气温变化特征。尽管该增温系统略微降低了耕层土壤(0—20cm)水分含量,但降幅仅在0.5—2.2个百分点之间,与对照相比不显著。3种增温情景均对冬小麦生长发育产生了显著影响,全天、白天和夜间增温两年平均分别可以使冬小麦从播种至抽穗期缩短14、9.5和11.5d,灌浆成熟期延长3、3和2.5d。【结论】从增温效果及其对冬小麦的生长影响来看,该套系统基本适用于模拟气候变暖下小麦生产力和品质响应与适应的田间试验研究。

农田开放式夜间增温系统的设计及其在稻麦上的试验效果

气候变暖存在明显的昼夜不对称性,夜间增温显著高于白天。设计可靠的田间增温设施,研究作物系统对夜间增温的响应与适应意义显著。参考国际相关增温系统,于2006—2009年在江苏南京设计并运行了我国首个农田开放式夜间增温系统(FATI,Free Air Temperature Increased),对稻麦进行夜间主动增温试验,监测系统温度、麦田土壤水分和作物生育进程和产量,以评价该系统的可行性和对稻麦的增温效果。结果表明,该系统有效且均匀的增温范围为4m2,增温效果明显。在测试用人工草坪上,晴天、阴天和雨天3种天气情况下,该系统4m2有效增温范围内地表的夜温平均升高2.4℃、2.3℃和2.1℃。在草坪的垂直层面上,该系统可以使距地下5cm、地表、地上40cm和90cm4个层次的夜温平均分别升高1.2℃、2.2℃、0.7℃和2.3℃。在稻麦两熟农田中,稻季全生育期地下5cm、地表、植株中部和冠层的夜温平均分别升高0.7℃、0.6℃、1.0℃和1.6℃,麦季相应层次可升高1.2℃、1.5℃、1.8℃和1.9℃。在稻麦全生育期内,增温小区各层温度的变化动态与未增温区的一致。另外,该系统未改变麦田耕层土壤水分分布特征,尽管耕层土壤含水量略有降低,0～25cm内各层土壤含水量的降幅均在0.99～1.62个百分点以内,与未增温区差异不显著。夜间增温可以显著缩短作物前期生育期,使稻麦始穗期分别提早2.5d和11.5d;同时,夜间增温使水稻平均减产4.51%,但小麦增产18.30%。尽管在作物的不同生育期,该设施的增温幅度有所差异,但这与田间实际情况下不同季节气候变暖幅度不同之特征一致。因此,该开放式夜间增温系统符合气候变暖的温度变化特征,可以满足水稻和小麦所代表的典型作物系统对夜间增温的响应与适应的试验要求。

开放式增温对不同耐热性粳稻光合作用和产量的影响

在全球变暖的背景下,研究增温对粳稻生长的影响,为耐热性粳稻品种的选育提供依据。采用开放式增温(Free air temperature increasing,FATI)系统,以沈农9816、辽粳401、铁粳7和港辐粳16为试材,设置增温(T)和对照(CK)处理,从抽穗期开始每隔10d测定4个粳稻品种剑叶的光合作用,成熟期测定产量和品质。结果表明,增温处理对沈农9816、辽粳401、港辐粳16的剑叶光合气体交换参数影响显著,其中辽粳401剑叶净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)的降幅最大,其次是港辐粳16,而沈农9816仅有Pn和Gs显著低于对照;增温处理使沈农9816、辽粳401和港辐粳16的产量显著降低,降幅分别为21.83%、43.50%和20.10%,这主要是由于有效穗数和穗粒数的下降,对铁粳7的产量影响不显著;增温处理使4个粳稻品种的糙米率、精米率和蛋白质含量显著降低,垩白度和垩白粒率呈显著增加,在这些品质参数中,辽粳401和沈农9816的变化幅度大于港辐粳16和铁粳7。因此,对于不同耐热性粳稻品种,开放式增温对其光合和产量的影响存在差异,对热敏感品种辽粳401和沈农9816影响较大,耐热型品种铁粳7和港辐粳16影响较小。

开放式增温对粳稻光合作用和叶绿素荧光参数的影响

研究环境温度升高对粳稻光合生长的影响,对于评估未来气候变暖对北方水稻生产的影响具有重要意义。采用开放式主动增温系统(Free Air Temperature Increasing,FATI),以沈农9816和港辐粳16为试验材料,设置额定功率2 000 W的增温处理,以环境温度作为对照,从抽穗期开始,测定2个品种水稻剑叶的SPAD值、光合作用和叶绿素荧光参数。结果表明,增温处理使沈农9816剑叶SPAD值显著降低(P<0.05),而对港辐粳16剑叶SPAD值无显著影响;增温处理使沈农9816在抽穗后第0~30天剑叶净光合速率(P_n)显著降低(P<0.05),气孔导度(G_s)在抽穗后第0~20天也显著低于对照(P<0.05),而胞间CO_2浓度(C_i)和蒸腾速率(T_r)在抽穗后第0~40天与对照无显著差异(P>0.05)。港辐粳16仅在抽穗后第20天增温处理剑叶P_n、G_s、C_i和T_r显著小于对照(P<0.05)。增温处理使沈农9816在抽穗后第0~30天剑叶的有效光化学量子产量(F_v′/F_m′)、实际光化学量子效率(Φ_(PSⅡ))、光化学淬灭系数(q_P)均显著低于对照(P<0.05),非光化学淬灭系数(q_N)显著升高(P<0.05)。港辐粳16在抽穗后第30~40天增温处理剑叶的Φ_(PSⅡ)、q_P均显著升高(P<0.05),q_N显著降低(P<0.05)。增温使沈农9816的每穗实粒数、结实率、千粒重和产量均显著低于对照(P<0.05),而对港辐粳16的产量及构成因素无显著影响。综上所述,大气温度升高条件下,不同耐热性的粳稻品种剑叶的光合和叶绿素荧光参数的变化规律存在差异,沈农9816是热敏感品种,港辐粳16具有一定的耐热性。

全生育期增温对冬小麦物侯期、产量和水分利用效率的影响

为明确太行山山前平原地区冬小麦生长发育、产量形成及水分利用对气候变暖的响应,以冬小麦品种藁优5218为材料,于2017-2018和2018-2019连续两个冬小麦生长季在旱棚内采用开放式增温系统(free air temperature increase,FATI)模拟气候变暖趋势,分析了FATI的增温效果及全生育期增温对冬小麦物候期、茎秆发育、产量及水分利用效率的影响。结果表明,与自然条件(CK)相比,增温后冬小麦穗分化进程加快,整个生育期缩短4~6 d,主要表现为越冬—拔节期的生育进程缩短,而灌浆期的持续时间延长;增温导致冬小麦茎秆基部变细薄,降低节间横截面维管束数目及木质化程度,增加倒伏风险;增温降低了冬小麦产量和水分利用效率(WUE),两个生长季分别减产10.4%和5.3%,WUE分别下降16.1%和12.7%。因此,气候变暖不利于该区域小麦产量和WUE的提高,可通过栽培管理措施或品种改良来使冬小麦生产系统适应增温趋势,实现稳产提效。

开放式增温对东北稻田生态系统作物生长与产量的影响

全球变暖在高纬度和气候凉爽地区更为明显,并且具有一定的不确定性。为了明确未来气候背景下作物的适应趋势,在中国东北哈尔滨地区设立红外增温模拟试验站,利用开放式增温系统(FATI)对东北水稻进行2个温度梯度的模拟增温试验。结果表明:增温情况下,东北水稻生长和发育加快、始穗期提前,但收获期延后;分蘖数增加,单分蘖产量下降;植株高度增加,乳熟期后植株出现倾到;叶面积增加,单叶叶长扩展;与对照比较,2种增温梯度下产量差异不同,W1(每组1根红外灯管)增温产量增加,W2(每组2根红外灯管)增温模式下产量略有下降(未到达显著);地上有机物分配及穗粒结构较对照存在差异,节宽减小,壁厚减小,千粒重减少,籽粒含水量增加;叶绿素增加、单叶净光合速率增大。