DOI 10.12006/j.issn.1673-1719.2018.106谭凯炎 , 周广胜 , 任三学 , 等 . 气候变化可能不会引起我国北方冬小麦营养品质下降 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 3 282-289Tan K Y, Zhou G S, Ren S X, et al. Climate change will probably not cause the decline of winter wheat nutritional quality in northern China [J]. Climate Change Research, 2019, 15 3 282-289气候变化可能不会引起我国北方冬小麦营养品质下降谭凯炎，周广胜，任三学，耿金剑中国气象科学研究院， 北京 100081气候变化研究进展第 15 卷 第 3 期 2019 年 5 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 3May 2019摘 要 为了探索未来气候变化对冬小麦营养品质的影响，采用开顶式气室与红外辐射器相结合的方法开展了冬小麦生长季增温和 CO2浓度升高的复合影响试验，在 6 个小麦生长季模拟了 21 世纪中后期两种可能的增温和 CO2浓度升高情景。结果表明，在生长季增温与 CO2浓度升高情景下，冬小麦冬后发育期前移，生育期平均气温较对照的增加幅度远小于生长季增温幅度，灌浆期遭遇的高温日数减少，主要生育阶段的平均太阳辐射强度减弱。在增温与 CO2浓度升高复合影响下，冬小麦籽粒蛋白质含量略有增加，籽粒淀粉与脂肪含量未显示规律性的变化趋势，增温对小麦蛋白质含量的综合影响弥补了 CO2浓度升高对籽粒蛋白质含量的负效应。如果不考虑小麦品种变化影响，预计未来气候变化可能不会导致我国北方冬小麦籽粒营养品质下降。关键词 气候变暖； CO2浓度；冬小麦；蛋白质含量；淀粉含量；复合影响收稿日期 2018-07-25； 修回日期 2018-11-12资助项目 国家自然科学基金 41375118作者简介 谭凯炎，男，正研级高工， 引 言全球气候变化深刻影响着世界农业生产[1]，气候变化对农业可持续发展和粮食安全的影响正成为国际社会关注的焦点。 IPCC 指出，在典型浓度路径 RCP8.5 情景下，到 21 世纪末全球年平均地表温度还将升高 2.6 ～ 4.8℃[2], 大气 CO2浓度可能升高到 1000 10-6左右[3]，农作物赖以生长发育的光温水气等环境条件将显著改变，从而将显著影响农作物种植格局和产量，并可能导致农作物营养品质的变化。小麦是世界上最主要的粮食作物之一，提供了约 1/5 的人体所需蛋白质和热量。小麦籽粒中蛋白质和淀粉是小麦的主要营养组分，其含量与面粉营养品质和性状密切相关，它们除受基因型效应控制外在很大程度上还受环境条件和氮肥施用的影响[4-7]，有时环境因子影响甚至大于品种的影响[6,8-9]。研究表明，大气 CO2浓度升高导致小麦籽粒蛋白质含量下降，降幅最高可达 15，同时使小麦籽粒淀粉含量显著增加[10-14]，这种效应在水稻和大麦等作物同样存在[11,15]。冬小麦籽粒形成阶段较弱的太阳辐射强度有利于增加蛋白质含量[16]。大量研究表明，小麦生育期增温将导致籽粒蛋白质含量增加，淀粉和脂肪含量减少[17-19]；气候变化影响3 期 283谭凯炎，等气候变化可能不会引起我国北方冬小麦营养品质下降但也有试验报道，增温降低小麦籽粒蛋白质含量，而对淀粉含量影响不大[20]。更多的增温处理试验发现，灌浆期高温胁迫对小麦籽粒主要营养组成影响显著[21-23]。已有报道显示，在 CO2浓度升高与土壤增温复合处理下，因源库碳氮代谢改变可能显著降低冬小麦籽粒蛋白质浓度[24]，而 CO2浓度升高与花后增温复合处理则增加了春小麦籽粒总蛋白质含量[25]。目前对于小麦籽粒营养品质在增温与 CO2浓度升高复合影响下的响应规律认知还比较有限。本研究利用持续 6 年模拟两种增温与 CO2浓度升高情景的控制试验数据分析了未来气候变化情景下我国北方冬小麦籽粒营养品质的可能变化趋势，以增进对气候变化与我国粮食安全的理解，并为科学应对气候变化提供依据。1 材料与方法 1.1 试验设计 试验于 2010 年 10 月至 2012 年 6 月和 2013年 10 月至 2017 年 6 月的 6 个冬小麦生长季在中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站（河北省定兴县， 39 08′ N, 115 40′ E）的一组（ 6 个）开顶式气室中进行，每个气室面积 10 m2。试验均设 2 个处理，即气室对照（ CK）和复合处理（ ECTI， 2010 2011 年每处理 2 个重复，其余年份每处理 3 个重复。试验模拟了 21 世纪50 70 年代可能出现的两种增温和 CO2 浓度升高情景[3]其中情景 1 为日平均气温升高 1.5 ～ 2.0℃，大气 CO2浓度达到 560 10-6；情景 2 为增温2.5 ～ 3.0℃， CO2 浓度达到 600 10-6。增温幅度通过调节红外辐射器功率和改变气室通风能力来控制，气室 CO2浓度通过红外气体分析仪实时监测及实时调节输气量控制，详见文献[26-27]。各生长季复合处理气室的增温自小麦出苗开始至成熟；2010 2012 年生长季 CO2 浓度升高处理自冬小麦返青开始至成熟， 2013 2017 年生长季 CO2浓度升高处理自出苗开始至成熟，其中越冬休眠期停止， CO2熏气只在白天进行。处理期间，复合处理与对照气室的实际温度差异和 CO2浓度如表 1所示。1.2 试验材料选用当地常规小麦品种郯麦 -98，属半冬性品种。气室中采用直播，行距 25 cm，各试验季对照与复合处理播种量均相同。各年试验的播种量、播种期见表 2，其中 2014 年和 2015 年复合处理播种日期比对照推迟 12 d，以模拟应对气候变暖采取的适应措施。根据试验地逐日气温多年平均值，复合处理推迟 12 d 播种，此时的多年平均气温叠加情景 2 的增温幅度后与对照播种日的多年平均气温相近，基本保证冬前有相近的有效积温。每试验季冬小麦均进行 5 次灌溉（播种后、越冬前、拔节前、孕穗期、灌浆期 ，每次分别为对照处理表 1 冬小麦复合处理与对照气室的日均增温和 CO2浓度Table 1 Increment of daily mean temperatures in the combined treatment ECTI chambers compared with those in the control CK chambers, and average CO2 concentrations in the chambers during the growing season of winter wheat情景情景 1情景 22010/20112011/20122013/20142014/20152015/20162016/2017试验季 生长季日均增温 /℃注试验季指冬小麦生长季，从当年 10 月至下一年 6 月。对照 复合处理CO2 浓度 /10-61.7 0.61.6 0.52.8 0.52.6 0.42.5 0.42.4 0.5391 11393 15397 15399 13401 17402 16567 28564 32612 49603 55617 59609 57100 mm、复合处理 120 mm。灌溉和降水保证了对照和复合处理气室的小麦不受水分胁迫。气室土壤为典型褐土，试验期间 0 ～ 30 cm 土层平均有机质含量为 12.1 g/kg, 全氮含量为 1.03 g/kg，有效磷含量为 30.38 mg/kg，速效钾含量为 109.9 mg/kg。播种时，施底肥磷酸二铵（ N16P2O545）60 g/m2，返青后追施尿素和磷酸二铵各 25 g/m2。各气室的其他管理措施均相同。1.3 观测内容与方法自冬小麦出苗后，按照农业气象观测规范进行发育期观测。小麦成熟后，将每个气室 2 m2考种区小麦单独收割风干，每个气室各留取 1 kg 籽粒样用于籽粒营养组成分析。籽粒营养组成委托北京市农林科学院植物营养与资源研究所分析采用微量凯氏定氮法 GB5511 85 标准 测定总表 2 冬小麦各试验季播种量和播种日期Table 2 Sowing date and sowing rate in each experiment season of winter wheat2010/20112011/20122013/20142014/20152015/20162016/2017试验季 播种量 /g/m2对照 复合处理播种日期（日 / 月）23232323181810/1009/1010/1010/1010/1010/1010/1009/1010/1022/1022/1010/10氮含量，然后乘以系数 5.7 换算成蛋白质含量；采用淀粉酶法（ GB2905 1982 标准）测定粗淀粉含量；采用索氏提取法（ GB/T 14772 2008 标准）测定粗脂肪含量。籽粒氨基酸含量委托青岛科创质量检测有限公司分析采用 AccQ-Tag 高效液相色谱法测定[28]。冬小麦生育期每日总辐射数据取自离气室组 50 m 的自动气象站。1.4 数据处理采用 EXCEL 软件进行数据分析处理和作图，用 SPSS 统计软件进行显著性分析。2 结果与分析2.1 气候变暖对冬小麦发育期和生育阶段温光条件的影响生长在复合处理气室中的冬小麦冬后各发育期均明显提前（表 3，主要由越冬期缩短返青期提前所致，当增温幅度达到 2.4℃以上时，冬后生育期前移了 13 ～ 19 d。 3 个重要发育日期提前的天数基本接近，表明冬小麦冬后生长发育速率较少受到生长季增温的影响。分析对照和复合处理冬小麦整个生育过程的平均温度发现（表 4，生长在复合处理气室中的冬小麦全生育期日平均气温较对照的升高幅度远小于生长季增温幅度，在情景 1 下平均升高幅度为 0.6 ～ 0.7 ℃，情景 2 下升高 0.8 ～ 1.4 ℃，这主要是因为增温导致冬小麦冬后发育期大幅前移表 3 各试验季对照与复合处理的冬小麦返青、开花和成熟日期Table 3 Dates of reviving, flowering and ripening of winter wheat in CK and ECTI chambers试验季2010/20112011/20122013/20142014/20152015/20162016/2017返青日期对照 复合处理05/0308/0302/0327/0225/0224/0222/0203/0317/0209/0206/0210/02日/月开花日期对照 复合处理10/0506/0528/0430/0428/0429/0427/0429/0411/0416/0413/0415/04成熟日期对照 复合处理16/0613/0611/0609/0607/0604/0609/0608/0627/0526/0521/0520/05气候变化研究进展 2019 年气候变化影响表 4 对照与复合处理的冬小麦生育期温光条件对比Table 4 Comparison of temperature, solar radiation and high temperature days under CK and ECTI during growing period of winter wheat试验季2010/20112011/20122013/20142014/20152015/20162016/2017全生育期平均气温 /℃对照 复合处理6.05.97.26.76.17.86.76.58.67.86.99.0返青至成熟日平均总辐射 / MJ/m2对照 复合处理20.620.122.420.821.319.919.621.318.719.5对照 复合处理18201712192617219111223开花至成熟最高气温≥ 32℃天数 /d注 2014/2015 试验季期间因辐射仪器维修导致数据缺失。到较冷的时段。实际上生长季增温仅导致冬小麦冬前和越冬阶段的平均温度明显升高，而冬后各生育阶段的平均温度并没有升高[27]。表 4 也给出了与籽粒蛋白质积累密切相关的灌浆期日最高气温超过 32℃日数和生育期太阳辐射对比情况。由于复合处理冬小麦冬后发育日期提前，除 2012 年外其他各年复合处理冬小麦在灌浆期遇到日最高气温超过 32 ℃的日数均少于对照冬小麦，尤其2014 年和 2016 年减少幅度达 1/3 ～ 1/2；同时，冬小麦从返青至成熟阶段平均接收的太阳辐射减弱，在情景 2 下降低幅度达 5 ～ 10。2.2 复合处理对小麦籽粒蛋白质含量的影响生长季增温与 CO2浓度升高复合处理下冬小麦籽粒蛋白质含量的变化趋势在各试验季基本一致，各年复合处理小麦籽粒蛋白质含量均高于对照，增加幅度为 0.4 ～ 2.5（图 1，其中2014/2015 和 2015/2016 两个试验季达到 0.01 的显著性检验，而其他试验季未通过显著性检验。因此，全生育期增温与大气 CO2浓度升高复合处理不会导致冬小麦籽粒蛋白质含量下降。从图 1 中同时可看出，冬小麦籽粒蛋白质含量的年际波动较大， 6 年中对照小麦籽粒蛋白质含量在13.5 ～ 18.0 间变化，标准差达到 1.9，说明年际间气候年型及其他条件对籽粒蛋白质含量的影响甚至超过试验所模拟的 CO2浓度升高与增温的复合影响。2.3 复合处理对小麦籽粒氨基酸含量的影响为了进一步了解增温和 CO2浓度升高对冬小麦籽粒蛋白质品质的影响， 2017 年分析测定了取样籽粒的 7 种必须氨基酸含量和 8 种非必须氨基酸含量。如图 2 所示，复合处理与对照小麦的总氨基酸含量差异不显著，复合处理籽粒的总氨基酸含量略高于对照，这与当年复合处理蛋白质含量变化特征一致。冬小麦总氨基酸含量略有增加，主要是由非必须氨基酸总含量略有增加所致，而图 1 对照和复合处理下冬小麦籽粒蛋白质含量Fig. 1 The protein content in grains of winter wheat from CK and ECTI. Each bar represents the mean standard deviation. Different lowercase letters over the bars represent significant differences P 32℃的高温胁迫或日平均气温高于 25℃则会引起蛋白质含量下降[5,30]。本研究试验中，生长在复合处理气室的冬小麦冬后发育期向较冷时段前移，冬小麦全生育期平均气温较对照的实际升幅远小于增温幅度，冬后主要生育阶段的平均气温甚至低于对照[27]。因此，冬小麦开花至成熟阶段遭遇 32℃高温的日数少于对照，同时其主要生育阶段的平均太阳辐射强度也低于对照，复合处理下冬小麦生育期气象条件有利于籽粒蛋白质积累。本试验表明，华北冬小麦生长季增温对其蛋白质含量的综合影响可能弥补了 CO2浓度升高对蛋白质含量的负效应。已有研究表明，适当晚播有利于增加小麦籽粒蛋白质含量[31]。在本研究 2014/2015 和 2015/2016 的 2 个试验季，复合处理播期推迟可能也是籽粒蛋白质含量显著高于对照的部分原因，未来气候变暖情景下，冬小麦播期必然推迟，推迟播种效应也属于增温的一种间接影响。冬小麦生长季增温和 CO2浓度升高对小麦淀粉含量也有着相反的影响效应[13,17]，复合处理试验中小麦淀粉含量没有明显变化也可能表明，两者相互抵消了对淀粉含量的影响。需要指出的是，本研究仅从复合处理引起冬小麦发育期及生育阶段温光条件改变和冬小麦籽粒营养品质变化实证数据来分析生长季增温与 CO2浓度升高对小麦籽粒营养品质的可能影响 , 对于复合处理下小麦籽粒形成的生理生化过程并没有进行观测研究，特别是由于试验条件限制，本试验中只使用了一个冬小麦品种，其代表性有所局限，未来需要开展更多的试验研究。在本研究的 6 个试验季中，冬小麦籽粒蛋白质、淀粉及脂肪含量年际差异均较大，甚至超过处理间差异，这可能与各生长季环境条件差异密切相关。 6 个生长季中对照冬小麦全生育期平均气温在 5.9 ～ 7.8 ℃间波动，最大相差 1.9 ℃，其中某些生育过程温度差异可能更加显著，而各生长季复合处理与对照全生育期平均气温差异为0.6 ～ 1.4℃（表 4，同时，年际间日照等天气条件、土壤肥力也存在差异。根据燕丽等[9]的研究，小麦蛋白质含量和淀粉含量等品质性状的年际间差异均达到显著水平，可见，气候变化对小麦品质的影响可能小于年际间环境条件变化的影响。本研究试验中，复合处理气室每次灌溉量多于对照，主要考虑到复合处理蒸散量大于对照，需要补偿一些供水量以消除土壤水分条件差异。现有研究均表明[5], 降水量与籽粒蛋白质含量呈极显著负相关，降水量多使蛋白质含量降低与冲刷根部硝酸盐导致氮素供应不足以及降水过多影响光合作用有关。因此，灌溉量略有增加不致于改变复合处理对籽粒蛋白质的影响效应方向。在本试验中，随增温幅度增加，小麦产量对两种情景的响应发生了转折[26-27]，但小麦籽粒营养品质响应基本一致，这说明未来气候变化对小麦品质的影响可能要小于对产量的影响。增温处理对小麦产量和品质的影响效应在不同地域表现出不同甚至相反结果[19-20]。因此，本研究的复合影响结果仅反映了试验地区冬小麦籽粒营养的响应特征。参考文献谢立勇 , 李悦 , 徐玉秀 , 等 . 气候变化对农业生产与粮食安全影响的新认知 [J]. 气候变化研究进展 , 2014, 10 4 235-239. 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