大气CO2浓度和氮肥水平对小麦籽粒产量和品质的影响

应用FACE平台,研究了不同氮肥水平下大气CO₂浓度升高对小麦籽粒产量和品质的影响.结果表明： 大气CO₂浓度升高（FACE）和增施氮肥显著提高了小麦籽粒产量、穗数、穗粒数和生物量.但FACE处理对收获指数无显著影响.FACE处理显著降低了籽粒蛋白质、醇溶蛋白、谷蛋白、面筋含量和沉降值,显著提高了小麦籽粒淀粉及其组分含量,而氮肥处理具有相反的效应.面团稳定时间及峰值黏度、最终黏度、反弹值等黏度特征参数在FACE和高氮水平下显著增加.此外,CO₂浓度与氮肥水平互作对小麦籽粒产量和生物量有显著的正效应,但对籽粒品质无显著影响.在未来大气CO₂浓度升高的情况下,维持较高的施氮量有利于提高小麦籽粒产量,改善淀粉糊化特性,缓解小麦品质特性的下降.     

高浓度CO2对稻穗不同位置籽粒结实和米质性状的影响

不断升高的大气CO₂浓度影响水稻颖花发育、灌浆结实和品质形成,但这种影响是否与籽粒在稻穗上的着生部位有关尚不清楚.利用稻田FACE (Free-Air CO₂ Enrichment)平台,以优质丰产粳稻‘武运粳23’为材料,CO₂处理设背景CO₂浓度(Ambient)和高CO₂浓度(增200 μmol·mol^-1, FACE)两个水平,研究开放大田条件下高浓度CO₂对水稻颖花密度、籽粒结实能力、稻米外观和食味品质的影响及其与稻穗不同着生位置的关系.结果表明:FACE处理使武运粳23籽粒产量平均增加18.3%,从产量构成因素看,穗数和饱粒重分别增加21.4%、9.4%,每穗颖花数、饱粒率平均减少9.0%、2.2%.FACE水稻饱粒率下降主要与稻穗不同部位空粒率大幅增加有关.FACE水稻每穗颖花数减少主要与稻穗上部、中部二次枝梗现存颖花大幅减少有关,而其他位置颖花数均无显著变化;稻穗不同位置饱粒重和饱粒率对FACE的响应无显著差异.FACE处理使绿粒率下降,但糙米长度和宽度均增加,稻穗不同部位趋势一致.FACE使垩白粒率(增幅59%)、垩白度(增幅55%)均极显著增加,增幅表现为稻穗一次枝梗>二次枝梗、上部>中部>下部.FACE使稻穗不同位置稻米直链淀粉含量略增,使最高粘度、热浆粘度、崩解值、最终粘度和消减值略降,但多未达显著水平.FACE使稻米糊化温度显著下降,弱势粒的降幅大于强势粒.综上,高浓度CO₂环境下武运粳23产量增加主要与穗数增多和籽粒增重有关,而稻穗明显变小;高浓度CO₂使稻米绿粒率减少,垩白增多,而对蒸煮食味品质影响较少;颖花着生位置对高浓度CO₂环境下水稻颖花发育、结实和品质的影响因不同测定指标而异.     

施氮和大气CO2浓度升高对小麦旗叶光合电子传递和分配的影响

采用开顶式气室盆栽培养小麦,设计2个大气CO₂浓度（正常：400 μmol·mol^-1;高：760 μmol·mol^-1）、2个氮素水平（0和200 mg·kg^-1土）的组合处理,通过测定小麦抽穗期旗叶氮素和叶绿素浓度、光合速率（P_n）-胞间CO₂浓度（C_i）响应曲线及荧光动力学参数,来测算小麦叶片光合电子传递速率等,研究了高大气CO₂浓度下施氮对小麦旗叶光合能量分配的影响.结果表明：与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,高氮处理的小麦叶片叶绿素a/b升高.施氮后小麦叶片PSⅡ最大光化学效率（F_v/F_m）、PSⅡ反应中心最大量子产额（F_v′/F_m′）、PSⅡ反应中心的开放比例（q_p）和PSⅡ反应中心实际光化学效率（Φ_PSⅡ）在大气CO₂浓度升高后无明显变化,虽然叶片非光化学猝灭系数（NPQ）显著降低,但PSⅡ总电子传递速率（J_F）无明显增加;不施氮处理的F_v′/F_m′、Φ_PSⅡ和NPQ在高大气CO₂浓度下显著降低,尽管F_v/F_m和q_P无明显变化,J_F仍显著下降.施氮后小麦叶片J_F增加,参与光化学反应的非环式电子流传递速率(J_C)明显升高.大气CO₂浓度升高使参与光呼吸的非环式电子流传递速率(J₀)、Rubisco氧化速率（V₀）、光合电子的光呼吸/光化学传递速率比（J₀/J_C）和Rubisco氧化/羧化比（V₀/V_C）降低,但使J_C和Rubisco羧化速率（V_C）增加.因此,高大气CO₂浓度下小麦叶片氮浓度和叶绿素浓度降低,而增施氮素使通过PSⅡ反应中心的电子流速率显著增加,促进了光合电子流向光化学方向的传递,使更多的电子进入Rubisco羧化过程,P_n显著升高.     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台, 采用稳定¹³C同位素技术, 通过将小麦(C₃作物)种植于长期单作玉米(C₄作物)的土壤上, 研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO₂的δ¹³C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放CO₂的δ¹³C值随作物生长逐渐降低, CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm^-2, HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm^-2, LN)土壤排放CO₂的δ¹³C值, 显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO₂浓度下为24%～48%(HN)和21%～48%(LN), 在正常CO₂浓度下为20%～36% (HN)和19%～32%(LN). 不同CO₂浓度下土壤排放CO₂的δ¹³C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO₂浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.     

氮素对高大气CO2浓度下小麦叶片光合作用的影响

通过测定小麦拔节期叶片的光合气体交换参数和光强-光合速率（P_n）响应曲线,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度（760 μmol·mol^-1）下小麦叶片光合作用的影响.结果表明：在长期高大气CO₂浓度下,增施氮肥能提高小麦叶片P_n、蒸腾速率（T_r）和瞬时水分利用效率（WUE_i）;与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i增加,气孔导度（G_s）和胞间CO₂浓度(C_i）降低.随光合有效辐射的增强,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i均高于正常大气CO₂浓度处理,G_s则较低,而C_i和T_r无显著变化.高氮水平下小麦叶片G_s与P_n、T_r、WUE_i呈线性正相关,G_s与C_i在正常大气CO₂浓度下呈线性负相关,但高大气CO₂浓度下二者无相关性;低氮水平下小麦叶片的G_s与P_n、WUE_i无相关性,而与C_i和T_r呈线性正相关,表明高大气CO₂浓度下低氮水平的小麦叶片P_n由非气孔因素限制.     

氮素对高大气CO2浓度下小麦叶片光合作用的影响

通过测定小麦拔节期叶片的光合气体交换参数和光强-光合速率（P_n）响应曲线,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度（760 μmol·mol^-1）下小麦叶片光合作用的影响.结果表明：在长期高大气CO₂浓度下,增施氮肥能提高小麦叶片P_n、蒸腾速率（T_r）和瞬时水分利用效率（WUE_i）;与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i增加,气孔导度（G_s）和胞间CO₂浓度(C_i）降低.随光合有效辐射的增强,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i均高于正常大气CO₂浓度处理,G_s则较低,而C_i和T_r无显著变化.高氮水平下小麦叶片G_s与P_n、T_r、WUE_i呈线性正相关,G_s与C_i在正常大气CO₂浓度下呈线性负相关,但高大气CO₂浓度下二者无相关性;低氮水平下小麦叶片的G_s与P_n、WUE_i无相关性,而与C_i和T_r呈线性正相关,表明高大气CO₂浓度下低氮水平的小麦叶片P_n由非气孔因素限制.     

开放式空气CO2增高对稻田CH4和N2O排放的影响

在FACE(free-aircarbondioxideenrichment)平台上,采用静态暗箱气相色谱法观测研究了大气CO₂浓度增加对稻田CH₄和N₂O排放的影响.结果表明,在150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下大气CO₂浓度增加200μmol·mol^-1均明显促进水稻生长,水稻生物量积累.大气CO₂浓度增加对150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下稻田CH₄排放均无显著影响,并简要分析了与现有文献报道结果不一致的原因.大气CO₂浓度增加也未导致150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下稻田N₂O排放的明显变化,与大多数研究结果一致.     

水氮互作对小麦土壤水分利用和茎中果聚糖含量的影响

通过田间试验,以强筋小麦济麦20为材料,设置3个施氮水平：0 kg·hm^-2（N₀）、180 kg·hm^-2（N₁）、240 kg·hm^-2（N₂）;4个灌水处理：不灌水（W₀）、底墒水+拔节水+开花水（W₁）、底墒水+冬水+拔节水+开花水(W₂)、底墒水+冬水+拔节水+开花水+灌浆水(W₃),每次灌水量为60 mm,研究水氮互作对土壤水分含量、旗叶光合速率、倒二茎中果聚糖含量及氮肥和水分利用效率的影响.结果表明：施氮水平为180 kg·hm^-2处理的旗叶光合速率和倒二茎中果聚糖含量较高,籽粒产量、氮肥表观利用效率、氮肥农学利用率和水分利用效率最高;施氮水平为240 kg·hm^-2处理的茎中果聚糖含量较高;不施氮（N₀）或施氮过多（N₂）均不利于小麦籽粒产量、氮肥和水分利用效率的提高.W₁水分处理促进了倒二茎中果聚糖的积累和向籽粒的转运,有利于产量的提高.180 kg·hm^-2施氮水平配合灌溉底墒水+拔节水+开花水的水氮交互处理（N₁W₁）具有较高的籽粒产量及较高的氮肥和水分利用效率,在此基础上增加施氮量或灌水量,小麦旗叶光合速率和倒二茎中果聚糖含量升高,籽粒产量无显著变化或降低,氮肥和水分利用效率降低.     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

大气CO2浓度升高对玉米非结构性碳水化合物和籽粒品质的影响

本试验利用改进的开顶式气室(OTC)在黄土高原长武农业生态试验站田间模拟大气CO₂浓度升高环境,设置3个处理:CK(田间环境,自然大气CO₂浓度)、OTC(OTC气室,自然大气CO₂浓度)、OTC_e(OTC气室,CO₂浓度700 μmol·mol^-1),探讨春玉米在不同生育期各器官非结构性碳水化合物(NSC)及籽粒品质(可溶性糖、淀粉和粗蛋白)对大气CO₂浓度升高的响应,为揭示旱作区春玉米对大气CO₂浓度升高的适应机理提供科学依据。结果表明: 大气CO₂浓度升高对玉米NSC含量、积累量的影响因器官和生育期不同而异。与CK和OTC相比,OTC_e促进了生殖生长阶段叶、茎和根NSC的活化再分配,提高了叶片、茎秆和根系NSC转运到籽粒的量(ATM_NSC)、向籽粒的转运率(AR_NSC)以及对籽粒的贡献率(AC_NSC);与CK相比,OTC带来的增温效应抑制了茎和根NSC的活化再分配,促进了叶NSC的活化再分配,显著提高了玉米叶ATM_NSC、AR_NSC、AC_NSC。在两年试验中,大气CO₂浓度升高对玉米籽粒可溶性糖、淀粉和粗蛋白含量无显著影响。     

Effects of atmospheric CO2 concentration enhancement and nitrogen application rate on wheat grain yield and quality

FACE platform was applied to study the effects of elevated atmospheric CO2 concentration on wheat grain yield and quality under two nitrogen (N) application rates. Elevated atmospheric CO2 concentration and applying N increased the grain yield, spike number, grain number per spike, and biomass significantly, but elevated CO2 concentration had no significant effects on harvest index (HI). Under elevated CO2 concentration, there was a significant decrease in the protein, gliadin, gluteinin, and glutein contents of the grain and the sedimentation value of the flour, and a significant increase in the starch and its components contents of the grain; under N application, an inverse was observed. The dough stability time and the dough viscosity characteristics, such as peak viscosity, final viscosity, and setback value, increased significantly under elevated CO2 concentration and high N application rate. The interaction of atmospheric CO2 concentration and N application rate had significantly positive effects on wheat grain yield and biomass, but less effect on grain quality. Therefore, with elevated atmospheric CO2 concentration in the future, maintaining a higher N application level would benefit wheat grain yield and paste characteristics, and mitigate the decline of grain quality.     

CO2浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物积累和转运的影响

为探究CO₂浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)积累和转运的影响,利用开顶式气室(OTC),设置2个CO₂浓度([CO₂]):对照(背景大气,a[CO₂])和在背景大气[CO₂]基础上升高200μmol·mol^-1(e[CO₂])。以常规粳稻"南粳9108"为试验材料,在OTC内采用盆栽方式,设置低N(N1,10 g N·m^-2)、中N(N2,20 g N·m^-2)和高N(N3,30 g N·m^-2)3个施N水平。抽穗期源库改变设剪叶(LC)和疏花(SR)处理,以不处理为对照。测定并计算了抽穗期和成熟期叶片N含量、茎鞘NSC积累量(TM_NSC)、NSC表观转运量(ATMNSC)及其对籽粒产量的表观贡献率(AC_NSC)。采用方差分析、相关分析和逐步回归方法对上述观测数据进行分析。结果表明,[CO₂]升高显著降低抽穗期叶片N含量,显著促进中N水平的NSC积累。在不同[CO₂]和N水平下,SR处理均导致成熟期茎鞘TM_NSC显著升高,ATM_NSC和AC_NSC显著降低;在背景大气和不同N水平下,LC处理均显著降低成熟期TM_NSC,显著提高ATM_NSC,但[CO₂]升高下LC处理对成熟期TM_NSC和ATM_NSC均无显著影响。LC处理对籽粒产量及其构成未产生显著影响。粒叶比越高,成熟期TM_NSC和千粒重越低,ATM_NSC、AC_NSC、籽粒产量和收获指数越高。综合影响AC_NSC的因素为粒叶比、抽穗期和成熟期TM_NSC;综合影响籽粒产量的因素为粒叶比、成熟期叶片N含量和TM_NSC,这些综合影响均可用多元回归模型定量表述。     

CO2浓度升高与氮添加对三江平原湿地小叶章生长的影响

利用开顶箱薰气室,设置正常大气CO₂浓度(350 μmol·mol^-1)、高CO₂浓度(700 μmol·mol^-1)2个CO₂水平和不施氮(0 g N·m^-2)、中氮(5 g N·m^-2)和高氮(15 g N·m^-2)3个氮素水平,研究CO₂浓度升高和氮肥施用对三江平原草甸小叶章生长的影响.结果表明：随着CO₂浓度升高,小叶章物候期提前,其中抽穗期提前1～2 d,成熟期提前3 d;不施氮、中氮和高氮水平下, CO₂浓度升高使小叶章的分蘖分别增加8.2%(P<0.05)、8.4%(P<0.05)和5.5%(P>0.05);在小叶章生长初期,CO₂浓度升高对其生物量的增加有促进作用,拔节期和抽穗期小叶章地上生物量分别增加12.4%和20.9%(P<0.05);生长后期则对小叶章地下生物量的促进作用增大,腊熟期和成熟期的地下生物量分别增加20.5%和20.9% (P<0.05).小叶章生物量对高浓度CO₂的响应与供氮水平有关,供氮充足条件下, 高浓度CO₂对生物量的促进效应更大.     

大气CO2浓度升高对水稻秸秆化学组成的影响

水稻秸秆是生物能源生产的潜在材料,大气二氧化碳(CO2)浓度升高改变水稻秸秆的量和质,从而改变其生物能源的生产潜力.本试验水稻秸秆来自中国自由大气CO2富集平台(FACE),选取FACE平台(试验组CO2浓度控制在570μmol·mol^-1左右,比对照组高200μmol·mol-1)3种水稻品种‘武运粳27’、‘Y两优900’和‘日本晴N16’,通过对秸秆化学组成进行分析,探讨CO2浓度升高对水稻秸秆质量的影响.结果表明:大气CO2浓度升高显著提高了水稻秸秆C含量和C/N;增加了秸秆中非结构碳水化合物含量;CO2浓度升高使武运粳27、Y两优900和N16秸秆中释放的总糖分别增加8.8%、6.7%和9.9%;CO2浓度升高显著提高N16秸秆生物量,但对其他两种水稻秸秆生物量没有显著影响;N16的总糖产量在CO2浓度升高下增加最显著,达到19.2%.表明CO2浓度升高可以改善水稻秸秆质和量,从而提高生物燃料利用潜能.