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摘要 为了探索气候变化对宁夏引黄灌区大豆氮磷钾养分吸收利用和产量的影响，利用田间大气自动增温设备研究不同增温处理（0、0.5、1.0、1.5、2.0 ℃）下大豆不同生育期植株干重、不同器官氮磷钾含量、植株累积量和产量等。结果表明，增温0～2.0 ℃有利于大豆干物质累积、提高不同器官氮磷钾含量和植株累积量;大豆百粒重随着增温梯度的增加而增加，但是单株结荚数量随着增温梯度的增加而显著降低，最终导致大豆产量、收获系数和氮磷钾利用效率降低。
关键词 增温;大豆;氮;磷;钾;产量
中图分类号 S-565.1 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2021）11-0032-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.010
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effects of Temperature Increase on Nitrogen，Phosphorus and Potassium Nutrient Uptake and Yield of Soybean in the Ningxia Yellow River Irrigation Area
SHI Yun-yun1，ZHANG Feng-ju2，XU Xing1 et al
（1.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Ecology Environment，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）
Abstract In order to explore the impact of climate change on the absorption and utilization of soybean nitrogen，phosphorus，and potassium nutrients and yield in the Ningxia Yellow River Diversion Irrigation Area，the field atmospheric automatic heating equipment was used to study plant dry weight at different growth stages，nitrogen，phosphorus and potassium content in different organs，plant accumulation and yield under different temperature increasing treatments （0，0.5，1.0，1.5，2.0 ℃）.The results showed that increasing the temperature from 0 to 2.0 ℃ was beneficial to the accumulation of dry matter in soybean，increasing the content of nitrogen，phosphorus and potassium in different organs and the accumulation of plants; the 100-grain weight of soybeans increased with the increasing temperature gradient，but the number of pods per plant significantly decreased with the increase of temperature gradient，and ultimately resulted in lower soybean yield，harvest coefficient and nitrogen，phosphorus and potassium utilization efficiency.
Key words Warming;Soybean;Nitrogen;Phosphorus;Potassium;Yield
聯合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，1983—2012年30年间全球几乎所有地区都经历了升温过程，综合多模式多排放情景模型预测21世纪全球平均气温增幅比1850—1900年可能超过1.5至2.0 ℃，并且升温过程不会在2100年终止[1]。气候变暖的影响从自然灾害到生物链断裂，涉及人类生存的各个方面，人们已切身感受到高温、水资源短缺、干旱蔓延、荒漠化加剧、生物物候异常、农作物减产等气候变暖引发的不利影响[2]。鉴于气候变暖为主的全球气候变化带给人类社会的重大影响，气候变暖对农业生产、农业生态的影响已成为科学界关注的热点[2]。
温度作为调控作物生长发育的关键环境因素之一，气候变暖对农作物的生长发育及产量形成具有重要影响。大豆是喜温而又较耐冷凉的作物，其生长对温度变化较为敏感。曲霞[3]通过人工气候箱研究发现，短期高温处理使大豆株高、干物质重、单株荚数、单株粒数、单株粒重等降低;Tacarindua等[4]用温度梯度室模拟大气增温，发现大豆干物质、荚果、籽粒数及其生长率随温度的升高明显降低;楚岱蔚[5]研究发现，夜间增温使大豆全生育期内植株生物量、产量及产量构成因素减小，分枝期和开花期，N素积累量分别下降30%和20%，P素累积量平均下降39%，K素累积量分别下降18%和17%;通过被动式增温系统研究发现，夜间增温使长江中下游地区大豆生物量、N、P养分积累显著下降、籽粒产量下降25%[6]。然而，也有研究发现，增温可增加大豆对N素的吸收，使大豆生物量增加从而提高产量[7-8]。这种增温对大豆生长发育、养分吸收规律影响的不一致说明大豆生产对气候变暖的响应受到种植区域、试验方法等因素的影响，需要在更多的地域展开气候变暖对大豆生长发育的影响研究。 目前，关于气候变暖对宁夏引黄灌区大豆养分吸收利用的影响研究尚未见报道。该研究针对宁夏引黄灌区大豆N、P、K养分吸收及产量如何响应气候变暖这一问题，采用远红外辐射器模拟大气增温试验方法，开展模拟冠层大气梯度增温对大豆不同生育期氮磷钾营养元素含量、干物质积累以及产量构成要素的影响，分析梯度增温下大豆氮磷钾营养元素吸收、物质积累和产量形成规律，探讨气候变暖对宁夏引黄灌区大豆生产的影响，为区域大豆生产及气候变化适应对策制定提供理论参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况 试验地选在宁夏石嘴山市平罗县前进农场宁夏大学盐碱地改良实验站，位于106.22°～106.43°E，38.75°～38.92°N，平均海拔1 100 m，属于温带半干旱非季风性气候，全年日照时间长，昼夜温差较大，年平均气温9 ℃;干旱少雨，年均降水量约185 mm，主要集中在每年的7—9月;蒸发强烈，年均蒸发量1 825 mm[9]。该地区的土壤类型为龟裂碱土，碱化度高（>15%），盐化程度低，土壤透水透气性差。供试为改良10年的龟裂碱土，田间试验开始前0～20 cm土层容重为1.59 g/cm，土壤黏粒、砂粒和粉粒的质量分数为1.18%、5.12%和93.70%，pH为8.60，其他理化性状如下：全氮710.00 mg/kg、全磷580.00 mg/kg、速效磷18.09 mg/kg、碱解氮33.40 mg/kg、速效钾247.0 mg/kg、有机质12.53 g/kg。
1.2 试验设计 依据《巴黎协定》对21世纪末全球气温升高控制在2.0 ℃以内为目标，以实时大气温度为参照，设计冠层大气增温0、0.5、1.0、1.5、2.0 ℃ 5个试验处理，每处理3次重复。
1.3 试验方法 大气增温采用课题组设计的智能控温装置增温冠层的方法。智能控温装置由额定功率3 000 W的远红外电暖器（青岛宇坤电热电器有限公司赛阳 AFS-F6-30D）、可控硅电子调压器（上海稳孚电器有限公司）、智能温度控制器和支架等组成。远红外电暖器長1.80 m、宽0.15 m，通过曲面散热片以不发光的远红外线形式辐射热，平行地面2.20 m上方悬挂可在地面形成一个2.5 m×3.0 m的均匀加热区。智能温度控制器是控温核心，由单片机和温度传感器组连接组成，单片机内置自编程序，温度传感器组中的一个传感器感知周围大气环境温度，另一个传感器感知试验处理小区大气环境温度。远红外电暖器通过支架悬挂于平行地面2.20 m处，交流电通过可控硅电子调压器输入远红外电暖器，智能温度控制器与可控硅电子调压器连接。智能温度控制器中的单片机内置程序每30 s实时探知一次小区温度和环境温度的差值，当温度差值未达到设定增温值时，单片机通过软件发送指令给可控硅电压调节器，可控硅电子调压器通过控制输送给远红外电暖器的电压而控制远红外电暖器功率，实现增温智能化控制。自2019年3月20日至2019年9月28日，全天24 h连续增温。
通过各小区内温度自动监测装置记录的数据可以得出（图1），大豆全生育期内，设计增温0.5、1.0、1.5、2.0 ℃的试验小区实际每天平均冠层增温为（0.50±0.08）℃、（1.0±0.10）℃、（1.5±0.17）℃、（2.0±0.20）℃，达到了试验设计的增温值。
田间试验每小区长5 m，宽4 m，面积20 m2 ，垂直小区长边方向安装一套设定某一增温值的智能控温装置，小区四周用高1m的厚质塑料薄膜包围，防止小区间水肥运动和动物采食。小区间设置1 m宽的过道，试验地四周设置5 m宽的保护区。供试大豆品种为宁夏引黄灌区广泛种植的承豆6号。
2019年4月7日开展田间试验，人工穴播，每穴3粒种子，种植密度为21万株/hm2。出苗后每穴只留1株定苗。大豆苗期人工条施磷酸氢二铵357.6 kg/hm2，全生育期灌水4次，每次120 m3，漫灌，其他田间管理同当地常规方法。
1.4 测定项目与方法 记录各处理大豆进入各生育期的时间，并于分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期进行样品的采集。在每个小区中间随机选取3株，整株带回实验室，用蒸馏水冲洗干净，将大豆根、茎、叶、荚（结荚期开始）分开置于烘箱中105 ℃杀青30 min，后转至80 ℃烘干至恒重，用于测定大豆各器官 N、P、K养分含量和各时期干物质重。大豆收获时进行样方测产及室内考种。
大豆干物质重参考《植物生理学实验指导书》[10]进行测定;产量及各器官N、P、K养分含量参考《土壤农化分析》[11]进行测定和计算。主要公式如下：
（1）植株各组织N（P、K）含量（%）：N（P、K）=ρ·V·ts·10-4/m。
式中，ρ为从标准曲线查得显色液的质量浓度（μg/mL）; V为显色液体积（mL）;ts为分取倍数，消煮液定容体积（mL）÷吸取消煮液体积（mL）; m为干样品质量（g）。
（2）大豆各器官N（P、K）累积吸收量（kg/hm2）= 器官干物重（kg/hm2）×相应器官的N（P、K）含量（%）。
（3）大豆植株N（P、K）累积量（kg/hm2）=∑各器官N（P、K）累积量。
（4）收获指数= 大豆产量（kg/hm2）÷地上部植株生物量（kg/hm2）。
（5）N（P、K）利用效率= 大豆产量（kg/hm2）÷植株N（P、K）累积量（kg/hm2）。
1.5 数据处理与分析 用Excel 2007对数据进行整理，用SPSS 24进行单因素方差分析，处理间用LSD法进行多重比较，用Origin Pro 8进行绘图。
2 结果与分析
2.1 增温对大豆各生育期植株干重的影响 干物质累积量直接反映大豆发育的健壮程度。由图2可看出，增温0～2.0 ℃条件下，大豆各器官干物质重均呈上升趋势，在分枝期，增温1.0 ℃处理下，大豆向茎秆中的累积量最多;开花期，各增温处理间，大豆干物质向各器官累积趋势相同;结荚期，增温0.5和增温1.5 ℃时，大豆干物质向豆荚中累积较多;鼓粒期，干物质向荚果中累积量逐渐增多，这一时期，各增温处理下，荚果中的干物质累积量分别占总量的比例为19.24%、19.60%、16.40%、16.03%、14.42%;成熟期，大豆各营养器官干物质累积量逐渐减少，以叶片干物质减少最快，营养物质流向结实器官，其中，CK营养器官干物质减少4267%，荚果干物质累积量增加68.84%，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃荚果干物质累积量分别增加56.54%、5743%、5751%、60.37%，在大豆生长发育后期，随着增温梯度的增大，与CK相比，根系和茎秆中干物质累积量占比越多。 2.2 增温对大豆不同生育期不同器官N、P、K含量的影响 由图3可知，大豆根系、茎和荚果中的N、P含量在各生育期变化趋势一致，叶片中的N元素含量在开花期达到最大，后随着发育进程推进逐渐降低;叶片中的P元素含量在分枝到开花期上升，结荚到鼓粒期降低，在成熟期叶片N、P含量均降到最低。根系中的K元素含量随植株生长逐渐下降;茎和叶片中的K含量在分枝到鼓粒期降低，成熟期升高，荚果中K含量在鼓粒期最低，结荚期和成熟期含量较高。
对比大豆同一生育期不同增温处理间各器官N、P、K含量的变化，可以得出：增温0～2.0 ℃有利于提高大豆各器官N、P、K含量，但大豆各器官N、P、K含量随增温梯度和增温时间变化而存在差异，增温情况下N、P、K吸收利用规律不同。分枝期增温0.5～2.0 ℃，大豆根系中N、P、K含量分别较CK增加54.5%～90.9%、18.2%～54.5%、36.1%～1557%，茎中N、P、K含量分别较CK增加58.8%～288.2%、0～91.7%、10%～63.2%，叶片中N、P、K含量分别较CK增加11.7%～90.9%、29.2%～104.2%、8.7%～25.1%;成熟期增温0.5～2.0 ℃，大豆根系、茎秆、叶片和豆荚中N、P、K含量均显著高于CK。
2.3 增温对大豆不同生育期植株N、P、K累积吸收量和吸收比例的影响 不同增温处理下大豆植株各生育期对N、P、K累积吸收量的变化趋势如表1所示。N元素累积吸收量在分枝开花期呈上升趋势，结荚鼓粒期开始下降，成熟期又开始上升;P元素累积吸收量随大豆生长呈上升趋势;K元素在鼓粒期出现短暂下降。分枝期是大豆植株N、P、K元素累积吸收最快的时期，增温0～2.0 ℃，N元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为71.11%、59.50%、53.58%、48.73%、50.49%;P元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为22.78%、15.22%、19.23%、17.35%、14.55%，K元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为38.38%、48.61%、51.33%、46.96%、38.49%。分枝期各增溫处理下大豆对N素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+05 ℃>CK;开花期大豆对P素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>CK>+0.5 ℃;结荚期大豆对P素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK;其他生育期增温处理下大豆对N、P、K累积吸收量的大小顺序均为+2.0 ℃>+1.5 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK。
大豆植株对N、P、K的吸收比例范围为1.00∶（0.13～061）∶（1.16～2.74）。分枝～开花期大豆植株的N∶P∶K比值逐渐降低，开花期后又明显增加，开花期大豆植株的N∶P∶K比值最小;随着增温梯度的增加，大豆植株N∶P∶K的比值逐渐减小，其中N∶K降幅最大。
2.4 增温对大豆产量及产量构成因素的影响 图4表明，增温幅度越大，大豆结荚数、产量和收获指数下降越明显，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃大豆结荚数分别较CK下降667%、12.5%、18.7%和21.8%;百粒重随增温幅度加大而增大，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃分别较CK增加1.3%、44%、4.7%和8.4%，产量较CK分别降低6.59%、8.40%、15.82%和13.82%，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃使大豆收获指数分别较CK降低11.93%、21.26%、30.04%和36.90%，且处理间差异显著。
2.5 增温对大豆养分利用效率的影响 由图5可知，随着增温梯度的增加，大豆对N、P、K的养分利用效率均呈下降趋势。CK对N元素的利用效率为36.46，增温0.5～2.0 ℃处理N元素的利用效率分别比CK下降18.79%、30.69%、42.31%、53.46%;CK对P元素的利用效率为90.17，增温05～2.0 ℃处理对P元素的利用效率分别比CK下降1938%、23.59%、39.93%、49.96%;CK对K元素的利用效率为2354，增温0.5～2.0 ℃处理对K元素的利用效率分别比CK下降17.75%、25.48%、41.44%、49.52%。
3 讨论
3.1 增温对大豆植株氮磷钾含量和累积量的影响 N元素对大豆光合作用、产量和品质形成影响最大[12]，P元素对光合生理和物质运移有显著影响[13]，K元素与N、P元素配合可加快物质转化，促进含氮化合物和碳水化合物进一步向籽粒中运移，提高产量[14]。现有研究表明，随着大豆生育期的推进，大豆各器官N元素和K元素含量的变化，除籽粒呈上升趋势外，其他器官均呈下降趋势[12，15]，结荚期后，营养器官中的P元素含量开始降低，荚果中的P元素含量不断增加[16]。大豆全生育期内N、K元素累积量呈“S”形增长曲线[16 -17]，N、P、K均是移动性较大的元素，在各器官的分配随着生长中心的改变而变化[16]。该研究结果显示，K、P元素含量变化趋势与上述结论一致，CK和处理组大豆各器官K含量均在生长前期达到最大，后随着生长发育的推进含量逐渐下降，结荚期后叶片中的P元素含量迅速降低，根系和茎秆中的P元素含量变化速率则相对缓慢;而各器官中N元素含量在开花期达到最大，随后开始下降，成熟期达到最小，这是因为宁夏引黄灌区的土壤大部分存在不同程度的盐碱化，使得大豆根瘤形成的时间较晚[18-19]，根瘤里面的根瘤菌可通过共生结瘤固氮作用为大豆提供N元素营养，在开花期前大豆主要吸收土壤、肥料氮和根瘤固氮[20]，所以，大豆根瘤越晚形成，对N元素吸收利用影响就越大。大豆生育前期主要以营养生长为主，N元素主要累积在叶片中，K元素主要累积在茎秆中，P元素在叶片和茎秆中的累积量几乎相等，因此，N、P、K分配在营养器官中的比例相对较高;生育后期则主要以生殖生长为主，生长中心转变为结实器官，营养元素主要向荚果中转移，籽粒中N、P、K累积量增加，一方面是根系直接吸收养分向籽粒分配，另一方面大豆营养器官中累积的元素可以重新分配到籽粒中[21-23]。大豆植株P元素的累积量随大豆生长呈上升趋势，而植株N、K元素累积量在鼓粒期出现短暂下降，其原因是K元素的移动性很大，不同时期K元素含量时高时低，开花期后大豆主要利用根瘤菌固N[24]，K元素能提高固氮酶和硝酸还原酶的活性，提高大豆体内N素的转化和根瘤菌固定游离N元素的能力，促进根瘤的固N效率[20]，所以生长后期大豆植株体内K和N元素累积量同步变化。 除营养元素外，温度也是影响大豆生长发育的主要因素，温度升高会影响大豆对营养元素的吸收利用[3，5-6，8]。该研究结果表明，增温0～2.0 ℃有利于大豆生长前期和后期各器官N、P、K元素含量的增加（尤其是生长旺盛的器官，如茎、叶），但在夏季温度较高的时段，由增温产生的各器官N、P、K元素含量变化差异并不显著; N、P、K在植株中的累积量随增温梯度的增大而增大;不同生育阶段，大豆植株内均是K元素累积量最大，N元素次之，P元素最小，这与魏建军等[25]对新大豆1号品种的研究结果一致;大豆N、P、K累积吸收比例会因品种、土壤状况、施肥量和管理措施而发生改变[25]，随着生育期的推进和增温梯度的加大，该研究的供试品种承豆6号N∶K的吸收比例逐渐降低，N∶P的吸收比例逐渐增加，因此，建议播种时施足量的K肥，后期追施适当量的P肥。
3.2 增温对大豆产量和养分利用效率的影响 大豆干物质累积量是衡量N、P、K吸收的关键指标之一，随着生育期推进，干物质的累积量与N素累积量的正相关性逐渐增加，与P、K元素累积量之间的相关性呈倒“S”形[26]，而干物质累积量与植株体内N、P、K含量呈负相关[13];产量与干物质累积量呈显著正相关[26]。大豆是喜温作物，分枝期—开花期、开花期—结荚期、结荚期—鼓粒期、鼓粒期—成熟期的适生温度范围分别为14.0～32、16～32、13～30.5、10～30 ℃，最适生长温度分别为27、25、24、18 ℃[27-28]。大豆开花期白天温度升高至28～31 ℃会使干物质累积量和产量降低[3]，但研究发现对大豆全生育期内进行对称性增温（昼夜均比CK升高3 ℃;CK，昼26 ℃夜16 ℃）则使干物质累积增加，且对产量影响不显著[7]。该研究中，增温0～2.0 ℃大豆在分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期的平均温度分别为20.05～2143、22.55～23.09、21.10～21.94、21.01～22.31 、17.11～20.82 ℃，均略低于大豆的最适生长温度。大豆在分枝期生长旺盛，干物质累积速度最快，增温对其累积速度产生明显促进作用;分枝期后，大豆干物质累积速率降低，但仍是增温梯度越大，干物质累积量越大，表明在宁夏引黄灌区温度升高0～2.0 ℃有利于大豆干物质累积。但对冠层增温会使大豆单株结荚数降低，空荚数量增加[6]，各增温处理下，大豆百粒重增加的正效应不抵结荚数减少的负效应;所以，增温最终使大豆产量和收获指数降低。而引起大豆单株结荚数降低和空荚数量增加的主要原因是增温会影响花粉的正常发育，导致花粉活力和萌发力降低，不利于授粉受精过程，导致结实率下降;增温还会使大豆掉花率增高，降低开花总数[29]，从而致使大豆徒长，产量下降，这一点也可以从增温促进大豆不同生育期各器官N、P、K含量以及植株累积吸收量上得到验证。养分利用效率是由产量和养分吸收量计算的结果，由于增温降低了大豆产量，增加了养分的累积吸收量，所以，增温最终导致大豆对N、P、K的利用效率呈下降趋势。
综合增温对大豆干物质累积、产量和养分利用的影响，可以得出，温度升高有利于大豆的营养生长，虽然营养生长作为生殖生长的基础，但最终却导致大豆有效结荚数量减少，产量降低。因此，为应对气候变化对宁夏引黄灌区大豆生长的影响，建议引进种植生育期短、较耐高温的大豆品种。该研究设计的是对称性增温，但气候变化在不同季节、不同空间的增温效应不同[30]。此外，影响大豆生长的营养元素种类多样，彼此交互，最终对大豆生长发育产生一个综合效应。因此，在后续试验中将展开根据试验区的实际情况设计更加贴近当地气候变化趋势的研究，再扩充更多营养元素，挖掘更深层次的研究内容。
4 结论
在宁夏引黄灌区，增温0～2.0 ℃，使大豆百粒重增加，但导致有效结荚数量减少，最终导致产量和收获指数降低。增温有利于大豆各器官和植株N、P、K含量及累积量的增加，但增温梯度越大，导致生殖生长阶段N、P、K更多地滞留在根系和茎秆中，从而在结实器官中的分配比例降低，造成植株徒长，使N、P、K肥利用效率降低。综上所述，未来全球气候变暖将不利于該地区大豆生长。
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关键词 增温;大豆;氮;磷;钾;产量
中图分类号 S-565.1 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2021）11-0032-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.010
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effects of Temperature Increase on Nitrogen，Phosphorus and Potassium Nutrient Uptake and Yield of Soybean in the Ningxia Yellow River Irrigation Area
SHI Yun-yun1，ZHANG Feng-ju2，XU Xing1 et al
（1.School of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021;2.School of Ecology Environment，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）
Abstract In order to explore the impact of climate change on the absorption and utilization of soybean nitrogen，phosphorus，and potassium nutrients and yield in the Ningxia Yellow River Diversion Irrigation Area，the field atmospheric automatic heating equipment was used to study plant dry weight at different growth stages，nitrogen，phosphorus and potassium content in different organs，plant accumulation and yield under different temperature increasing treatments （0，0.5，1.0，1.5，2.0 ℃）.The results showed that increasing the temperature from 0 to 2.0 ℃ was beneficial to the accumulation of dry matter in soybean，increasing the content of nitrogen，phosphorus and potassium in different organs and the accumulation of plants; the 100-grain weight of soybeans increased with the increasing temperature gradient，but the number of pods per plant significantly decreased with the increase of temperature gradient，and ultimately resulted in lower soybean yield，harvest coefficient and nitrogen，phosphorus and potassium utilization efficiency.
Key words Warming;Soybean;Nitrogen;Phosphorus;Potassium;Yield
聯合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，1983—2012年30年间全球几乎所有地区都经历了升温过程，综合多模式多排放情景模型预测21世纪全球平均气温增幅比1850—1900年可能超过1.5至2.0 ℃，并且升温过程不会在2100年终止[1]。气候变暖的影响从自然灾害到生物链断裂，涉及人类生存的各个方面，人们已切身感受到高温、水资源短缺、干旱蔓延、荒漠化加剧、生物物候异常、农作物减产等气候变暖引发的不利影响[2]。鉴于气候变暖为主的全球气候变化带给人类社会的重大影响，气候变暖对农业生产、农业生态的影响已成为科学界关注的热点[2]。
温度作为调控作物生长发育的关键环境因素之一，气候变暖对农作物的生长发育及产量形成具有重要影响。大豆是喜温而又较耐冷凉的作物，其生长对温度变化较为敏感。曲霞[3]通过人工气候箱研究发现，短期高温处理使大豆株高、干物质重、单株荚数、单株粒数、单株粒重等降低;Tacarindua等[4]用温度梯度室模拟大气增温，发现大豆干物质、荚果、籽粒数及其生长率随温度的升高明显降低;楚岱蔚[5]研究发现，夜间增温使大豆全生育期内植株生物量、产量及产量构成因素减小，分枝期和开花期，N素积累量分别下降30%和20%，P素累积量平均下降39%，K素累积量分别下降18%和17%;通过被动式增温系统研究发现，夜间增温使长江中下游地区大豆生物量、N、P养分积累显著下降、籽粒产量下降25%[6]。然而，也有研究发现，增温可增加大豆对N素的吸收，使大豆生物量增加从而提高产量[7-8]。这种增温对大豆生长发育、养分吸收规律影响的不一致说明大豆生产对气候变暖的响应受到种植区域、试验方法等因素的影响，需要在更多的地域展开气候变暖对大豆生长发育的影响研究。 目前，关于气候变暖对宁夏引黄灌区大豆养分吸收利用的影响研究尚未见报道。该研究针对宁夏引黄灌区大豆N、P、K养分吸收及产量如何响应气候变暖这一问题，采用远红外辐射器模拟大气增温试验方法，开展模拟冠层大气梯度增温对大豆不同生育期氮磷钾营养元素含量、干物质积累以及产量构成要素的影响，分析梯度增温下大豆氮磷钾营养元素吸收、物质积累和产量形成规律，探讨气候变暖对宁夏引黄灌区大豆生产的影响，为区域大豆生产及气候变化适应对策制定提供理论参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况 试验地选在宁夏石嘴山市平罗县前进农场宁夏大学盐碱地改良实验站，位于106.22°～106.43°E，38.75°～38.92°N，平均海拔1 100 m，属于温带半干旱非季风性气候，全年日照时间长，昼夜温差较大，年平均气温9 ℃;干旱少雨，年均降水量约185 mm，主要集中在每年的7—9月;蒸发强烈，年均蒸发量1 825 mm[9]。该地区的土壤类型为龟裂碱土，碱化度高（>15%），盐化程度低，土壤透水透气性差。供试为改良10年的龟裂碱土，田间试验开始前0～20 cm土层容重为1.59 g/cm，土壤黏粒、砂粒和粉粒的质量分数为1.18%、5.12%和93.70%，pH为8.60，其他理化性状如下：全氮710.00 mg/kg、全磷580.00 mg/kg、速效磷18.09 mg/kg、碱解氮33.40 mg/kg、速效钾247.0 mg/kg、有机质12.53 g/kg。
1.2 试验设计 依据《巴黎协定》对21世纪末全球气温升高控制在2.0 ℃以内为目标，以实时大气温度为参照，设计冠层大气增温0、0.5、1.0、1.5、2.0 ℃ 5个试验处理，每处理3次重复。
1.3 试验方法 大气增温采用课题组设计的智能控温装置增温冠层的方法。智能控温装置由额定功率3 000 W的远红外电暖器（青岛宇坤电热电器有限公司赛阳 AFS-F6-30D）、可控硅电子调压器（上海稳孚电器有限公司）、智能温度控制器和支架等组成。远红外电暖器長1.80 m、宽0.15 m，通过曲面散热片以不发光的远红外线形式辐射热，平行地面2.20 m上方悬挂可在地面形成一个2.5 m×3.0 m的均匀加热区。智能温度控制器是控温核心，由单片机和温度传感器组连接组成，单片机内置自编程序，温度传感器组中的一个传感器感知周围大气环境温度，另一个传感器感知试验处理小区大气环境温度。远红外电暖器通过支架悬挂于平行地面2.20 m处，交流电通过可控硅电子调压器输入远红外电暖器，智能温度控制器与可控硅电子调压器连接。智能温度控制器中的单片机内置程序每30 s实时探知一次小区温度和环境温度的差值，当温度差值未达到设定增温值时，单片机通过软件发送指令给可控硅电压调节器，可控硅电子调压器通过控制输送给远红外电暖器的电压而控制远红外电暖器功率，实现增温智能化控制。自2019年3月20日至2019年9月28日，全天24 h连续增温。
通过各小区内温度自动监测装置记录的数据可以得出（图1），大豆全生育期内，设计增温0.5、1.0、1.5、2.0 ℃的试验小区实际每天平均冠层增温为（0.50±0.08）℃、（1.0±0.10）℃、（1.5±0.17）℃、（2.0±0.20）℃，达到了试验设计的增温值。
田间试验每小区长5 m，宽4 m，面积20 m2 ，垂直小区长边方向安装一套设定某一增温值的智能控温装置，小区四周用高1m的厚质塑料薄膜包围，防止小区间水肥运动和动物采食。小区间设置1 m宽的过道，试验地四周设置5 m宽的保护区。供试大豆品种为宁夏引黄灌区广泛种植的承豆6号。
2019年4月7日开展田间试验，人工穴播，每穴3粒种子，种植密度为21万株/hm2。出苗后每穴只留1株定苗。大豆苗期人工条施磷酸氢二铵357.6 kg/hm2，全生育期灌水4次，每次120 m3，漫灌，其他田间管理同当地常规方法。
1.4 测定项目与方法 记录各处理大豆进入各生育期的时间，并于分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期进行样品的采集。在每个小区中间随机选取3株，整株带回实验室，用蒸馏水冲洗干净，将大豆根、茎、叶、荚（结荚期开始）分开置于烘箱中105 ℃杀青30 min，后转至80 ℃烘干至恒重，用于测定大豆各器官 N、P、K养分含量和各时期干物质重。大豆收获时进行样方测产及室内考种。
大豆干物质重参考《植物生理学实验指导书》[10]进行测定;产量及各器官N、P、K养分含量参考《土壤农化分析》[11]进行测定和计算。主要公式如下：
（1）植株各组织N（P、K）含量（%）：N（P、K）=ρ·V·ts·10-4/m。
式中，ρ为从标准曲线查得显色液的质量浓度（μg/mL）; V为显色液体积（mL）;ts为分取倍数，消煮液定容体积（mL）÷吸取消煮液体积（mL）; m为干样品质量（g）。
（2）大豆各器官N（P、K）累积吸收量（kg/hm2）= 器官干物重（kg/hm2）×相应器官的N（P、K）含量（%）。
（3）大豆植株N（P、K）累积量（kg/hm2）=∑各器官N（P、K）累积量。
（4）收获指数= 大豆产量（kg/hm2）÷地上部植株生物量（kg/hm2）。
（5）N（P、K）利用效率= 大豆产量（kg/hm2）÷植株N（P、K）累积量（kg/hm2）。
1.5 数据处理与分析 用Excel 2007对数据进行整理，用SPSS 24进行单因素方差分析，处理间用LSD法进行多重比较，用Origin Pro 8进行绘图。
2 结果与分析
2.1 增温对大豆各生育期植株干重的影响 干物质累积量直接反映大豆发育的健壮程度。由图2可看出，增温0～2.0 ℃条件下，大豆各器官干物质重均呈上升趋势，在分枝期，增温1.0 ℃处理下，大豆向茎秆中的累积量最多;开花期，各增温处理间，大豆干物质向各器官累积趋势相同;结荚期，增温0.5和增温1.5 ℃时，大豆干物质向豆荚中累积较多;鼓粒期，干物质向荚果中累积量逐渐增多，这一时期，各增温处理下，荚果中的干物质累积量分别占总量的比例为19.24%、19.60%、16.40%、16.03%、14.42%;成熟期，大豆各营养器官干物质累积量逐渐减少，以叶片干物质减少最快，营养物质流向结实器官，其中，CK营养器官干物质减少4267%，荚果干物质累积量增加68.84%，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃荚果干物质累积量分别增加56.54%、5743%、5751%、60.37%，在大豆生长发育后期，随着增温梯度的增大，与CK相比，根系和茎秆中干物质累积量占比越多。 2.2 增温对大豆不同生育期不同器官N、P、K含量的影响 由图3可知，大豆根系、茎和荚果中的N、P含量在各生育期变化趋势一致，叶片中的N元素含量在开花期达到最大，后随着发育进程推进逐渐降低;叶片中的P元素含量在分枝到开花期上升，结荚到鼓粒期降低，在成熟期叶片N、P含量均降到最低。根系中的K元素含量随植株生长逐渐下降;茎和叶片中的K含量在分枝到鼓粒期降低，成熟期升高，荚果中K含量在鼓粒期最低，结荚期和成熟期含量较高。
对比大豆同一生育期不同增温处理间各器官N、P、K含量的变化，可以得出：增温0～2.0 ℃有利于提高大豆各器官N、P、K含量，但大豆各器官N、P、K含量随增温梯度和增温时间变化而存在差异，增温情况下N、P、K吸收利用规律不同。分枝期增温0.5～2.0 ℃，大豆根系中N、P、K含量分别较CK增加54.5%～90.9%、18.2%～54.5%、36.1%～1557%，茎中N、P、K含量分别较CK增加58.8%～288.2%、0～91.7%、10%～63.2%，叶片中N、P、K含量分别较CK增加11.7%～90.9%、29.2%～104.2%、8.7%～25.1%;成熟期增温0.5～2.0 ℃，大豆根系、茎秆、叶片和豆荚中N、P、K含量均显著高于CK。
2.3 增温对大豆不同生育期植株N、P、K累积吸收量和吸收比例的影响 不同增温处理下大豆植株各生育期对N、P、K累积吸收量的变化趋势如表1所示。N元素累积吸收量在分枝开花期呈上升趋势，结荚鼓粒期开始下降，成熟期又开始上升;P元素累积吸收量随大豆生长呈上升趋势;K元素在鼓粒期出现短暂下降。分枝期是大豆植株N、P、K元素累积吸收最快的时期，增温0～2.0 ℃，N元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为71.11%、59.50%、53.58%、48.73%、50.49%;P元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为22.78%、15.22%、19.23%、17.35%、14.55%，K元素的累积吸收量占总吸收量的百分比分别为38.38%、48.61%、51.33%、46.96%、38.49%。分枝期各增溫处理下大豆对N素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+05 ℃>CK;开花期大豆对P素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>CK>+0.5 ℃;结荚期大豆对P素累积吸收量的大小顺序为+1.5 ℃>+2.0 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK;其他生育期增温处理下大豆对N、P、K累积吸收量的大小顺序均为+2.0 ℃>+1.5 ℃>+1.0 ℃>+0.5 ℃>CK。
大豆植株对N、P、K的吸收比例范围为1.00∶（0.13～061）∶（1.16～2.74）。分枝～开花期大豆植株的N∶P∶K比值逐渐降低，开花期后又明显增加，开花期大豆植株的N∶P∶K比值最小;随着增温梯度的增加，大豆植株N∶P∶K的比值逐渐减小，其中N∶K降幅最大。
2.4 增温对大豆产量及产量构成因素的影响 图4表明，增温幅度越大，大豆结荚数、产量和收获指数下降越明显，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃大豆结荚数分别较CK下降667%、12.5%、18.7%和21.8%;百粒重随增温幅度加大而增大，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃分别较CK增加1.3%、44%、4.7%和8.4%，产量较CK分别降低6.59%、8.40%、15.82%和13.82%，增温0.5、1.0、1.5和2.0 ℃使大豆收获指数分别较CK降低11.93%、21.26%、30.04%和36.90%，且处理间差异显著。
2.5 增温对大豆养分利用效率的影响 由图5可知，随着增温梯度的增加，大豆对N、P、K的养分利用效率均呈下降趋势。CK对N元素的利用效率为36.46，增温0.5～2.0 ℃处理N元素的利用效率分别比CK下降18.79%、30.69%、42.31%、53.46%;CK对P元素的利用效率为90.17，增温05～2.0 ℃处理对P元素的利用效率分别比CK下降1938%、23.59%、39.93%、49.96%;CK对K元素的利用效率为2354，增温0.5～2.0 ℃处理对K元素的利用效率分别比CK下降17.75%、25.48%、41.44%、49.52%。
3 讨论
3.1 增温对大豆植株氮磷钾含量和累积量的影响 N元素对大豆光合作用、产量和品质形成影响最大[12]，P元素对光合生理和物质运移有显著影响[13]，K元素与N、P元素配合可加快物质转化，促进含氮化合物和碳水化合物进一步向籽粒中运移，提高产量[14]。现有研究表明，随着大豆生育期的推进，大豆各器官N元素和K元素含量的变化，除籽粒呈上升趋势外，其他器官均呈下降趋势[12，15]，结荚期后，营养器官中的P元素含量开始降低，荚果中的P元素含量不断增加[16]。大豆全生育期内N、K元素累积量呈“S”形增长曲线[16 -17]，N、P、K均是移动性较大的元素，在各器官的分配随着生长中心的改变而变化[16]。该研究结果显示，K、P元素含量变化趋势与上述结论一致，CK和处理组大豆各器官K含量均在生长前期达到最大，后随着生长发育的推进含量逐渐下降，结荚期后叶片中的P元素含量迅速降低，根系和茎秆中的P元素含量变化速率则相对缓慢;而各器官中N元素含量在开花期达到最大，随后开始下降，成熟期达到最小，这是因为宁夏引黄灌区的土壤大部分存在不同程度的盐碱化，使得大豆根瘤形成的时间较晚[18-19]，根瘤里面的根瘤菌可通过共生结瘤固氮作用为大豆提供N元素营养，在开花期前大豆主要吸收土壤、肥料氮和根瘤固氮[20]，所以，大豆根瘤越晚形成，对N元素吸收利用影响就越大。大豆生育前期主要以营养生长为主，N元素主要累积在叶片中，K元素主要累积在茎秆中，P元素在叶片和茎秆中的累积量几乎相等，因此，N、P、K分配在营养器官中的比例相对较高;生育后期则主要以生殖生长为主，生长中心转变为结实器官，营养元素主要向荚果中转移，籽粒中N、P、K累积量增加，一方面是根系直接吸收养分向籽粒分配，另一方面大豆营养器官中累积的元素可以重新分配到籽粒中[21-23]。大豆植株P元素的累积量随大豆生长呈上升趋势，而植株N、K元素累积量在鼓粒期出现短暂下降，其原因是K元素的移动性很大，不同时期K元素含量时高时低，开花期后大豆主要利用根瘤菌固N[24]，K元素能提高固氮酶和硝酸还原酶的活性，提高大豆体内N素的转化和根瘤菌固定游离N元素的能力，促进根瘤的固N效率[20]，所以生长后期大豆植株体内K和N元素累积量同步变化。 除营养元素外，温度也是影响大豆生长发育的主要因素，温度升高会影响大豆对营养元素的吸收利用[3，5-6，8]。该研究结果表明，增温0～2.0 ℃有利于大豆生长前期和后期各器官N、P、K元素含量的增加（尤其是生长旺盛的器官，如茎、叶），但在夏季温度较高的时段，由增温产生的各器官N、P、K元素含量变化差异并不显著; N、P、K在植株中的累积量随增温梯度的增大而增大;不同生育阶段，大豆植株内均是K元素累积量最大，N元素次之，P元素最小，这与魏建军等[25]对新大豆1号品种的研究结果一致;大豆N、P、K累积吸收比例会因品种、土壤状况、施肥量和管理措施而发生改变[25]，随着生育期的推进和增温梯度的加大，该研究的供试品种承豆6号N∶K的吸收比例逐渐降低，N∶P的吸收比例逐渐增加，因此，建议播种时施足量的K肥，后期追施适当量的P肥。
3.2 增温对大豆产量和养分利用效率的影响 大豆干物质累积量是衡量N、P、K吸收的关键指标之一，随着生育期推进，干物质的累积量与N素累积量的正相关性逐渐增加，与P、K元素累积量之间的相关性呈倒“S”形[26]，而干物质累积量与植株体内N、P、K含量呈负相关[13];产量与干物质累积量呈显著正相关[26]。大豆是喜温作物，分枝期—开花期、开花期—结荚期、结荚期—鼓粒期、鼓粒期—成熟期的适生温度范围分别为14.0～32、16～32、13～30.5、10～30 ℃，最适生长温度分别为27、25、24、18 ℃[27-28]。大豆开花期白天温度升高至28～31 ℃会使干物质累积量和产量降低[3]，但研究发现对大豆全生育期内进行对称性增温（昼夜均比CK升高3 ℃;CK，昼26 ℃夜16 ℃）则使干物质累积增加，且对产量影响不显著[7]。该研究中，增温0～2.0 ℃大豆在分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期的平均温度分别为20.05～2143、22.55～23.09、21.10～21.94、21.01～22.31 、17.11～20.82 ℃，均略低于大豆的最适生长温度。大豆在分枝期生长旺盛，干物质累积速度最快，增温对其累积速度产生明显促进作用;分枝期后，大豆干物质累积速率降低，但仍是增温梯度越大，干物质累积量越大，表明在宁夏引黄灌区温度升高0～2.0 ℃有利于大豆干物质累积。但对冠层增温会使大豆单株结荚数降低，空荚数量增加[6]，各增温处理下，大豆百粒重增加的正效应不抵结荚数减少的负效应;所以，增温最终使大豆产量和收获指数降低。而引起大豆单株结荚数降低和空荚数量增加的主要原因是增温会影响花粉的正常发育，导致花粉活力和萌发力降低，不利于授粉受精过程，导致结实率下降;增温还会使大豆掉花率增高，降低开花总数[29]，从而致使大豆徒长，产量下降，这一点也可以从增温促进大豆不同生育期各器官N、P、K含量以及植株累积吸收量上得到验证。养分利用效率是由产量和养分吸收量计算的结果，由于增温降低了大豆产量，增加了养分的累积吸收量，所以，增温最终导致大豆对N、P、K的利用效率呈下降趋势。
综合增温对大豆干物质累积、产量和养分利用的影响，可以得出，温度升高有利于大豆的营养生长，虽然营养生长作为生殖生长的基础，但最终却导致大豆有效结荚数量减少，产量降低。因此，为应对气候变化对宁夏引黄灌区大豆生长的影响，建议引进种植生育期短、较耐高温的大豆品种。该研究设计的是对称性增温，但气候变化在不同季节、不同空间的增温效应不同[30]。此外，影响大豆生长的营养元素种类多样，彼此交互，最终对大豆生长发育产生一个综合效应。因此，在后续试验中将展开根据试验区的实际情况设计更加贴近当地气候变化趋势的研究，再扩充更多营养元素，挖掘更深层次的研究内容。
4 结论
在宁夏引黄灌区，增温0～2.0 ℃，使大豆百粒重增加，但导致有效结荚数量减少，最终导致产量和收获指数降低。增温有利于大豆各器官和植株N、P、K含量及累积量的增加，但增温梯度越大，导致生殖生长阶段N、P、K更多地滞留在根系和茎秆中，从而在结实器官中的分配比例降低，造成植株徒长，使N、P、K肥利用效率降低。综上所述，未来全球气候变暖将不利于該地区大豆生长。
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