土壤温度、湿度对作物种子发芽能力的影响

吴凤日+吴明根+朱国君+李峥++傅民杰+��

摘要：采用盆栽称质量控水法及人工控温法，研究不同土壤类型0～10 cm、10～20 cm层土壤不同含水量以及不同温度梯度处理对大豆、玉米种子出苗率的影响。结果表明，当暗棕壤、黑土和盐化黑钙土等3类土壤的含水量≤15%及≥55%时，大豆和玉米的出苗生长均受到抑制，无法正常出苗生长；暗棕壤、黑土和盐化黑钙土 0～10 cm耕层土壤最适宜大豆出苗的土壤含水量分别为35%、35%、25%；暗棕壤和黑土最适宜玉米出苗的土壤含水量均为35%，盐化黑钙土最适宜玉米出苗的土壤含水量为25%；3种类型土壤 10～20 cm耕层最适宜大豆、玉米经济播种的土壤含水量均为25%；土壤温度在9～17 ℃条件下，3种类型土壤播种的大豆、玉米出苗均受到抑制；春季最适宜大豆、玉米经济播种的土壤温度为13～21 ℃，且大豆和玉米的出苗率与土壤温度呈明显的正相关关系。

关键词：出苗率；土壤含水量；温度；大豆；玉米

中图分类号： S311文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）03-0051-04

收稿日期：2016-04-19

基金项目：国家自然科学基金（编号：31560202）；国家科技支撑计划（编号：2011BAD37B01）；吉林省科技厅重点攻关项目（编号：20140204045SF）。

作者简介：吴凤日（1992—），男，吉林磐石人，硕士研究生，研究方向为作物栽培与耕作。E-mail：569751805@qq.com。

通信作者：傅民杰，博士，副教授，主要从事土壤物质营养与循环等研究工作。E-mail：fuminjie@163.com。

作物的发芽、出苗以及生长发育过程与环境中的温度、水分关系密切。因此在环境季节变化鲜明的北方地区，往往要求作物的生产过程要与当地的物候期相吻合，以便确保安全生产。然而，随着全球气候的改变，北方地区气候变化规律正在发生明显的改变，生产季节阶段性降温、干旱的气象灾害时常发生，尤其在春季，低温、干旱的气象灾害现象频发，对作物的发芽、出苗及后期的生产管理产生了严重影响，已经成为近些年北方地区春季生产的最大障碍。因此，研究作物适宜出苗的土壤温度和水分条件，并与野外土壤温、湿度条件相结合，确定合适的播种时期，成为北方作物安全生产的重要课题。目前关于温度和水分对作物生长发育影响的研究较多。李素玲等研究表明，在一定温度范围内，种子的发芽率与温度呈正相关关系[1]。王立华等也证明了温度与种子出苗过程之间存在极显著的曲线函数关系[2]。王洪刚等发现，玉米出苗时间随着温度的增加呈缩短的趋势[3]。姚永祥等研究了变温条件对玉米种子发芽率的影响[4]。马树庆等通过田间试验研究了水分和温度对春玉米出苗速度和出苗率的影响[5]。王秋京等研究了不同土壤湿度对出苗率的影响[6]。刘明研究发现，水分胁迫条件下玉米的光合特性和形态指标均发生不同形式的改变[7]。从目前已有研究来看，更多的是针对单一作物对某种土壤的温度与水分的需求特性，或单一种类土壤的温、湿度对某种作物生长发育的影响，而一个地区往往具备多种类型的土壤类型和多种作物配置，且不同作物对不同土壤类型的温、湿度要求也存在明显不同，因此只有清晰认识到种植区所有作物类型对不同类型土壤温度、湿度的需求，才能确保当地作物生产的安全性和有效性，而目前这方面的研究相对较少。吉林省春季气温较低，降水量小，土壤类型多样，常导致玉米、大豆等作物出苗缓慢、出苗率和成苗率低，直接影响了作物的安全生产。因此，研究不同土壤类型的温度与水分条件对于作物出苗的影响十分重要。本试验以吉林省主导作物大豆和玉米为对象，研究不同土壤类型的温、湿度对其出苗的影响。研究结果可为吉林省大豆、玉米的春播提供理论指导，为吉林省气象灾害预报提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试玉米品种为丹玉69号，大豆品种为吉育47号。供试土壤类型为吉林省各地区有代表性的耕地土壤，包括暗棕壤、黑土及盐化黑钙土等。采样时考虑到春耕时的土壤翻地会将地表10 cm以下的土壤翻到种子播种层，影响种子发芽，因此在0～10 cm、10～20 cm 2个土壤耕作层取样，并分别用于种子出苗试验。具体土壤类型及来源信息见表1。

1.2试验设计

试验于2014年10—12月在延边大学实验室内进行。将上述各地采集的土壤风干后测定土壤含水量（质量分数）。取部分土壤按每盘0.5 kg分别装入各试验盘中。将供试大豆与玉米种子按覆土2 cm的标准分别均匀播种于试验盘中，每盘播种10粒。播种后以基质土壤风干土的含水量为基础，分别按土壤含水量15%、25%、35%、45%、55%、65%补足水分，并确保试验盘中土壤湿度均匀，3次重复。补水完毕后用保鲜膜包好盘口，并在膜上分散扎5個细孔以便气体交换和防止水分过快蒸发。播种后，各处理置于光照培养箱（LRH-250-G型）中25 ℃条件下恒温培养。播种后每天09：00观察记录出苗情况，出苗结束后计算出苗率。以上述试验筛选出的各类土壤最适宜出苗的含水量为基础，进行大豆和玉米出苗适宜温度选择试验。试验以北方春季存在日温差为依据，以3台人工智能低温培养箱（LRH-150CB型）分别模拟出3种温度范围，分别为 9～17 ℃、11～19 ℃、13～21 ℃，由于测定时间较长，土温同气温。其中每种温度范围中低温值每天持续12 h（模拟黑夜），随后升温至高温值并持续12 h（模拟白天），24 h为1个变温循环。将上述3种土壤筛选出的各类适宜含水量的0～10 cm耕层土壤播种盘分别置于3种温度范围的培养箱中，每个处理设置3次重复，覆土厚度及播种方式同上。每隔7 d补水1次，每2 d调查1次出苗情况，至最后不再出苗为止，计算出苗率。供试作物品种试验前测定其发芽势及发芽率。发芽势=发芽试验初期规定日期内发芽种子数/供试种子数×100%；发芽率=发芽试验末期规定日期内正常发芽的种子数/供试种子数×100%。

1.3数据统计方法

采用Excel 2010进行数据处理统计与图形制作，不同处理出苗率之间的差异性比较采用单因素方差分析法，数据间多重比较采用Duncans法。

2结果与分析

2.1发芽率及发芽势

由表2可知，供试大豆、玉米材料平均发芽率分别达到97.5%、98.0%，平均发芽势分别为94.0%、93.0%，供试作物种子质量可以满足盆栽试验播种的要求。

2.20～10 cm耕层土壤含水量对大豆、玉米出苗的影响

由表3可知，0～10 cm耕层不同土壤含水量对大豆、玉米出苗的影响明显。3种土壤类型中，土壤含水量为15%、55%条件下，大豆、玉米均极少出苗甚至不出苗；在25%～45%含水量范围内，3种土壤中播种的大豆、玉米均可出苗，但3种土壤类型不同水分含量助理的出苗率之间存在明显的差异，且大豆与玉米最适宜出苗的土壤水分含量与齐苗时间也不同。对大豆而言，在25%～45%土壤含水量范围内，所有土壤中播种的大豆出苗率均可在播种8 d后达到稳定。其中，暗棕壤含水量为35%时大豆的出苗率显著高于含水量为25%的处理，且齐苗时间也提前2 d， 但当含水量增加到45%时，出苗率呈下降趋势，且出苗时间延长。黑土中播种的大豆在土壤含水量为35%时的出苗率显著高于含水量为25%和45%的处理，且25%土壤含水量处理下出苗效果也基本显著优于含水量为45%的处理。盐化黑钙土中，土壤含水量为25%的处理出苗率基本显著高于其他水分含量处理。可见，暗棕壤、黑土和盐化黑钙土3种土壤最适于大豆出苗的土壤含水量分别为35%、35%、25%，且在此含水量范围内，大豆播种6 d后即可齐苗，比其他水分处理齐苗期提前约2 d。玉米种子在3种土类不同水分梯度下的出苗情况与大豆基本一致，其中，暗棕壤和黑土最适于玉米出苗的土壤含水量均为35%，盐化黑钙土中最适于玉米出苗的含水量为25%，但出苗最适土壤含水量条件下玉米的齐苗期比大豆晚2～4 d。

2.310～20 cm耕层土壤含水量对大豆和玉米出苗的影响

由表4可知，3种土壤类型10～20 cm层土壤的不同含水量对大豆和玉米出苗的影响与0～10 cm层土壤表现出较大的差异，整体上呈现随着土层加深，适宜大豆、玉米出苗的含水量下降且适宜含水量范围加宽的趋势。其中，10～20 cm层暗棕壤和黑土在含水量为25%和35%条件下大豆的出苗率之间差异基本不显著，但黑土土壤含水量在25%条件下，大豆出苗至齐苗时间间隔缩短，齐苗期比35%含水量条件下提前约 2 d；而盐化黑钙土最适出苗含水量与0～10 cm层土壤表现一致。玉米在3种土壤类型的不同水分含量条件下的出苗情况与大豆表现基本一致，暗棕壤与黑土在土壤水分含量为 25%～35%范围内，玉米的出苗率之间差异不显著，且最终出苗率均大于95%，而盐化黑钙土在25%土壤含水量条件下的玉米出苗率明显高于其他水分梯度，玉米出苗的水分适宜范围明显比其余2种土壤窄。[FL）]

2.4不同土壤温度对大豆出苗的影响

不同土壤温度处理对大豆出苗率的影响差异较大，在适宜的土壤水分条件下，随着土壤温度升高大豆出苗率随之提高（图1）。在9～17 ℃温度范围内，3种土壤在适宜大豆出苗的水分范围内，连续培养18 d时，大豆出苗率均低于20%，而培养36 d时，出苗率均低于60%。而在11～19 ℃范围内，播种8 d后，大豆开始出苗，播种14 d后，大豆出苗已基本稳定，出苗至齐苗间隔为6～8 d；暗棕壤、黑土和盐化黑钙土等3种土壤中大豆最终出苗率分别为77%、73%、57%。当温度在13～21 ℃范围内时，3种土壤的大豆出苗日期均比11～19 ℃ 处理提前约2 d，且大豆的出苗率也明显提高，其中，暗棕壤、黑土、盐化黑钙土最终出苗率分别为97%、90%、93%，分别比11～19 ℃处理提高了25.97%、23.29%、6316%（图1）。

2.5不同土壤温度对玉米出苗的影响

由图2可知，在播种后20 d内，9～17 ℃处理下3种土壤中播种的玉米均未出苗，且在播种36 d后调查时，3个土壤玉米[CM（25]出苗率均低于40%。11～19 ℃处理的 3种土壤中玉米出苗所需时间为11～13 d，且出苗率明显提高，3种土壤中玉米出苗率分别为53%、53%、43%。在13～21 ℃处理下，3种土壤中玉米出苗时间均提前约4 d，且出苗率明显高于11～19 ℃处理，最终出苗率分别达到93%、90%、90%，与25 ℃最适含水量条件下的出苗率相近。由上述结果可见，大豆和玉米的出苗率与土壤温度呈明显的正相关关系，而在北方春季种植期，常以平均气温大于10 ℃作为大豆和玉米播种期标准，这种标准的界限十分模糊且不科学，因为气温的日变化幅度明显大于地温，且春季白天气温较播种层的地温高，而夜间又低于地温，常导致大豆和玉米播种过早，由此导致二者播种后出苗时间长且出苗率偏低。

3讨论与结论

作物的种子萌发、出苗及生长发育与土壤水分状况密切相关，土壤水分过少时作物种子或根系吸水困难，导致生长停滞或植物器官萎蔫，而水分过多时则会造成厌氧过程的发生，抑制作物的生长。本研究中，3种土壤在15%或55%的水分状况下，大豆和玉米的出苗率极低或不能出苗。分析认为，3种土壤均为壤土，土壤质地适中，具有较好的水分保持能力，当土壤含水量≤15%时，由于土粒及矿物的强吸附能力，使土壤水势低，玉米和大豆種子极难从土壤中吸取足够的自由水分，导致发芽困难；而当土壤含水量≥55%时，3种供试土壤中过多水分占据土壤中的各级孔隙，导致土壤气相与液相比例失调，土壤中氧气含量低而造成种子有氧呼吸困难，进而引起出苗率下降，而在土壤含水量为25%～45%条件下，3种土壤才能表现出较好的出苗势。此外，暗棕壤、黑土和盐化黑钙土因质地结构的差异，在最适出苗含水量方面表现出一定的差异。其中，暗棕壤和黑土0～10 cm层土壤最适宜出苗土壤含水量均为35%，10～20 cm层土壤含水量均为25%；而盐化黑钙土0～10 cm层与10～20 cm层土壤最适宜出苗含水量均为25%。分析认为，由于采于吉林省东部地区的暗棕壤和中部地区的黑土的有机质含量较高，调节了土壤的团聚体结构和吸水性，使得土壤在较高含水量条件下，土壤的气相与液相比例仍能得到较好的平衡，因此0～10 cm层土壤在35%含水量条件下较适于2种作物的出苗，而采于吉林省西部地区的盐化黑钙土，其土壤有机质含量低，质地较为细腻，黏粒比例大，土壤毛管孔隙比例大，对自由水保持能力强，在较低的含水量（25%）条件下，也能满足种子正常出苗需水量的要求。正是基于上述原因，暗棕壤和黑土的10～20 cm层土壤比0～10 cm层土壤质地黏重，也造成最适出苗含水量均较 0～10 cm层低。

温度是作物生长发育的另一个重要影响因子。作物在生理最适宜温度条件下生长发育最好[8]。因此对温度影响玉米与大豆出苗及苗期发育的报道较多，然而，多数研究对温度的控制常用恒温处理或平均温度处理法[9-10]。本试验以日较差法及作物生长温度下限控制而获得的研究结果与其他研究有所不同。本研究表明，玉米和大豆在日均温13 ℃条件下（即9～17 ℃处理），室内培养36 d后，其出苗率仍低于60%，大豆和玉米的生理学发芽下限温度为8～10 ℃[11]，而土壤均温明显高于生物学下限温度，仍不能保证大豆与玉米的正常出苗。而当下限温度提高2 ℃达到11 ℃时，即平均温度达15 ℃（即11～19 ℃处理）后，大豆培养14 d后，出苗率可达69%，盐化黑钙土玉米培养16 d后出苗率低于50%，但仍未达到安全出苗。当低限温度调整到13 ℃，平均温度提高到17 ℃（即13～21 ℃处理）时，所有土壤中大豆和玉米出苗率均大于90%。上述结果表明，在长期低温条件下，玉米和大豆的出苗受最低温度的控制，而在较高温度条件下，二者的出苗受积温控制。陈传晓在研究不同积温带春玉米碳代谢机制及化学调控效应的过程中，也得出相似结果[12]。由此可见，北方春季大豆和玉米播种时期的选择不应以平均气温或平均地温稳定通过作物生长下限温度为标准，而应以土壤或空气的最低与平均温度综合来评价。本试验的结果是在室内模拟培养条件下获得的，其试验的环境因子与播种时覆土的厚度与实际生产还存在较大的差异，因此获得的结果在生产上的应用尚须进一步验证。

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