水稻产量及其构成因子对空气CO2浓度增高响应的QTL分析

自由空气CO2浓度增加设施（Free air carbon dioxide enrichment．FACE）使得实际地模拟未来植物生长所处的CO2浓度增加环境变为可能。FACE下．作物生长和产量发生不同程度的加速和提高,而分析作物产量因子对CO2浓度增加响应的遗传基础将有利于对CO2环境变化做出敏感响应的遗传特性的认识,有利于适合未来空气CO2浓度增加环境的高产品种的培育。以粳稻品种Asominori与籼稻品种IR24的杂交组合所衍生的染色体片段置换系（CSSLs）为材料进行田间试验,分别在FACE（约570umol CO2／mol）和正常大气（约370umol CO2／mol）下对籽粒产量及其构成因子等数量性状位点（QTL）进行了分析。结果表明,在FACE下,Asominori和IR24的有效穗数、穗粒数和单株籽粒产量均显著高于对照下的,并且FACE下,65个置换系的变幅范围均大于对照下的;在第1．2,4,6．7,9和12染色体上检测到LOD值在2．5—5．7范围内的控制上述产量性状的20个QTL．其中有3个可以同时在FACE和正常大气下检测到．其余的则只是在某一种CO2环境下检测到。此外,还检测到2个QTL（qFT12 and qGP4）存在着与环境的加性互作效应。可以推论．空气中CO2浓度的增加诱导了部分对CO2浓度敏感的QTL表达,控制水稻产量性状的QTL与CO2增加的环境发生了互作效应。预计利用分子标记辅助育种途径可以培育出适用于未来CO2浓度增加环境下的高产水稻品种。     

FACE系统处理三年后淹水条件下土壤CH4和CO2排放变化

采用淹水培养实验（25（C），在实验室CO2浓度和高CO2浓度（1000μlL^-1）条件下，研究了稻麦轮作FACE系统运行3a后FACE处理和大气CO2浓度（Ambient）处理土壤CO2和CH4排放的差异。实验结果表明：经过FACE处理后，土壤有机碳含量较Ambient处理提高11%。在实验室和高CO2浓度下淹水培育60d，FACE处理土壤CO2累积排放量较Ambient处理土壤分别增加35%和22%，CH4累积排放量分别是Ambient处理土壤的2.6倍和2.3倍。高CO2浓度下培养，显著促进FACE和Ambient处理土壤的CO2排放量（p〈0.01），促进CH4排放量，但未达到统计显著水平（p〉0.05）。由此说明，大气CO2浓度升高可能直接影响土壤有机碳的转化速率和CO2及CH4的排放。     

开放式二氧化碳浓度提高对武香粳14叶片硝酸还原酶活力的影响

大田栽培条件下,研究了开放式大气CO₂浓度提高（FACE）200 μmol·mol^-1对粳稻品种武香粳14各生育期功能叶片硝酸还原酶活力(NRA)的影响.结果表明,FACE明显提高了各生育期功能叶片NRA,拔节期、孕穗期、抽穗期、穗后10 d、穗后20 d水稻功能叶片NRA平均值分别比对照提高了50%、20%、60%、80%和30%,其中,FACE处理对拔节期、抽穗期和穗后10 d水稻功能叶片NRA水平影响较大.施氮处理明显影响了FACE条件下水稻功能叶片NRA,并且在不同生育期存在不同的趋势：拔节期,中氮＞低氮＞高氮;孕穗期和抽穗期,高氮＞中氮＞低氮;而穗后10 d及20 d则为中氮＞高氮＞低氮.FACE处理与施氮量对NRA存在互作效应,拔节期及穗后20 d两者互作效应达极显著水平,穗后10 d达显著水平,而孕穗期及抽穗期互作效应不显著.     

开放式空气C02浓度增高对水稻冠层能量平衡的影响

大气CO2浓度升高对植物冠层能量平衡的影响是导致植物生长发育和水分利用率发生变化的环境物理原因．利用位于江苏省无锡市安镇的农田自由开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,进行水稻冠层微气候和土壤热通量的连续观测,并结合能量平衡分析,研究了FACE对水稻冠层能量平衡的影响．结果表明,水稻冠层显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值出现在14：00左右,与空气相对湿度日最低值出现时间一致;潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在—15-—65J·m^-2·s^-1之间,显热通量FACE与对照的差异最低值变化在12—55J·m^-2·s^-1之间;显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值随冠层上方辐射平衡增加而增大．水稻冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照．白天总显热和潜热通量FACE与对照的差异在同一生育期内随冠层上方净辐射增强而增大,在不同生育期随生育期推进而减少．开花期至蜡熟期,水稻冠层白天总潜热通量FACE比对照平均低6．7％．FACE使水稻冠层白天总显热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例减少,而使总潜热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例增大,但对土壤热通量及夜间显热和潜热通量的影响不大．开花期至蜡熟期水稻冠层白天总显热、潜热通量占冠层上方净辐射总量的比例FACE与对照之差平均为5．5％．     

稻-麦轮作系统土壤水解酶及氧化还原酶活性对开放式空气CO2浓度增高的响应

研究了FACE条件下(CO2浓度增加200μmol·mol^-1)水稻、小麦不同生育期0～10cm土层土壤脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶活性的变化．结果表明,FACE条件下,土壤脲酶活性在冬小麦生育前期低于对照,在孕穗期高于对照;在水稻生育前期高于对照,在成熟期低于对照．磷酸单酯酶活性在冬小麦生育期高于对照;在水稻分蘖期高于对照,在生育后期(拔节期、抽穗期和成熟期)低于对照．芳基硫酸酯酶活性在小麦越冬期和孕穗期低于对照,在分蘖期和成熟期高于对照;在水稻生育期间均高于对照．脱氢酶活性在小麦和水稻的生育前期低于对照,在后期高于对照．     

冬小麦旺盛生长期间CO2浓度升高对根际呼吸的影响

依托FACE（free air carbon dioxide enrichment）技术平台,利用阻断根法,采用H6400红外气体分析仪（IRGA）-田间原位测定的方法,研究了大气CO2浓度升高和不同氮肥水平对水稻／小麦轮作制中冬小麦旺盛生长期间根际呼吸的影响。结果表明,在整个测定期间,大气CO2浓度升高增强了根际呼吸速率,提高了根际呼吸排放量。在高N和低N处理中,高CO2浓度下的根际呼吸总排放量分别比Ambient极显著增加117．0％和90．8％。根际呼吸速率在孕穗初期达到最大值;使根际呼吸在土壤呼吸中的比重由24．5％（LN）～26．7（HN）提高到39．8％（LN）～47．1％（HN）。CO2浓度升高与氮肥用量对根际呼吸产生交互效应。表明大气CO2浓度升高将加快土壤向大气的CO2排放,结果将有助于评价未来高CO2浓度背景下农田生态系统土壤碳的固定潜力。     

开放式空气中CO_2浓度增高(FACE)对水稻生长和发育的影响

人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物的生长环境,其中最大的一个变化就是大气二氧化碳(CO2)浓度的迅速上升:从工业革命前的平均270μmol/mol上升到目前的381μmol/mol,到2050年至少超过550μmol/mol。FACE(Free-air CO2 enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)试验是目前评估未来高浓度CO2对作物生长和产量实际影响的最佳方法。水稻无疑是人类最重要的食物来源,迄今为止人类利用FACE技术开展水稻响应和适应的研究已有10a(19982008年)的历史。以生长发育为主线,首次系统综述了10a水稻FACE试验在该领域的研究成果,总结了FACE情形下高浓度CO2(模拟本世纪中叶大气CO2浓度)对主要供试水稻品种(小区面积大于4m2)光合作用、生育进程、地上部生长、地下部生长、物质分配、籽粒灌浆、产量构成以及倒伏性状等影响的研究进展,比较了FACE与非FACE研究之间以及中国和日本FACE研究(世界上唯一的两个大型水稻FACE研究)之间的异同点。根据研究进展以及当前的技术水平,文章最后提出了该领域的3个优先课题:(1)FACE情形下杂交稻生产力响应高于预期的生物学机制;(2)FACE情形下CO2与主要栽培措施的互作效应;(3)FACE情形下CO2与主要空气污染物臭氧的互作效应。这些响应的机理性解析将有助于从根本上减少人类预测未来粮食安全的不确定性,进而更加有效地制订出应对全球变化的适应策略。     

开放式空气CO2浓度增高条件下C3作物(水稻)与C4杂草(稗草)的竞争关系

通过田间试验,研究了FACE（开放式空气CO2浓度升高）条件下C3作物水稻（Oryza sativa）和C4杂草稗草（Echinochloa crusgalli）的生长和竞争关系,结果表明,FACE条件下C3植物水稻生物量和产量增加,吉片数增加,分蘖数增加,叶面积系数（LAI）增大;而C4植物稗草相反,FACE条件下水稻和稗草中面积均减少,而净同化率（NAR）均增加;FACE条件下水稻-稗草比例为1：1时,水稻与稗草的生物量比率、产量比率、LAI比率、茎蘖比率和NAR比率均增加,水稻-稗草的竞争关系发生变化,水稻（C3植物）竞争能力增加,稗草（C4植物）竞争能力下降。     

十年水稻FACE研究的产量响应

联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)最新报告预测20世纪中叶全球大气二氧化碳(CO2)浓度将由目前的381 μmol mol-1至少上升到550 μmol mol-1,CO2浓度不断升高将对世界粮食生产和安全产生深刻影响.与封闭和半封闭气室相比,FACE(Free Air CO2 Enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)技术平台,在完全开放的大田条件下运行,代表了人们对未来高CO2浓度环境的最好模拟.水稻是世界上最重要的粮食作物之一,在过去10a中(1998～2007年),全球有两个大型水稻FACE平台(直径12 m)在运行,一个在温带地区的日本岩手,另一个在亚热带地区的中国江苏.以FACE研究为重点,系统收集和整理了高CO2浓度对水稻产量影响的研究进展,比较了FACE与各种气室研究结果的异同点,评估了CO2与生物(品种、病虫和杂草)和非生物因子(肥料、水分、温度和臭氧)的互作效应,提出了未来大气CO2浓度升高情形下水稻生产的适应策略,并讨论了该领域有待深入研究的方向.     

FACE水稻干物质积累与分配模型

借助中国唯一的FACE技术平台,通过设置不同的N肥处理,研究了FACE条件下水稻干物质积累及分配动态的模拟模型.模型以生理发育时间为驱动因子,以CO₂浓度函数为主要影响因子,同时引入N素影响因子调节干物质的积累与各器官分配指数.模拟结果表明,随着大气CO₂浓度的增加,水稻地上部总干物重显著增加,叶干重分配指数下降,穗干重分配指数基本不变,茎干重分配指数前期增加,后期持平.通过不同年份试验数据对模型的验证,预测根均方差（RMSE）较小,且相关系数均达到了极显著水平.表明模型拟合程度高,具有较好的适应性和预测性.