CO2浓度增加对半干旱区春小麦生产和水分利用效率的影响

为了解CO₂浓度升高条件下春小麦生产和水分利用效率(WUE)的响应特征,在典型半干旱区定西,利用开顶式气室(OTC)试验平台开展了CO₂浓度增加模拟试验.试验设对照(390 μmol·mol^-1)、480 μmol·mol^-1和570 μmol·mol^-1 3个CO₂浓度.结果表明: CO₂浓度升高使春小麦冠层空气温度小幅上升,10 cm深处的土壤环境温度下降;CO₂浓度增加对春小麦各器官生物量和总生物量都有明显促进作用,在480和570 μmol·mol^-1浓度下,地上干物质量平均增长20.6%和41.5%,总干物质量平均增长19.3%和39.6%.生物量增加主要是由茎叶干物质量增加所致,与生育中期物质生产能力明显增强有关;在两种CO₂浓度处理下,植株根冠比分别降低7.3%和11.8%,CO₂浓度增加对春小麦地上部分干物质积累的贡献大于地下部分;CO₂浓度升高主要通过影响穗粒数来影响最终产量,在480和570 μmol·mol^-1浓度下,小麦产量分别增加了8.9%和19.9%;大气CO₂浓度升高对春小麦光合作用影响的长期效应不明显,随CO₂浓度升高,光合速率显著提高,蒸腾速率降低,蒸发蒸腾量减小.随CO₂浓度升高,叶片、群体和产量3个水平的WUE都增加,其中群体水平的WUE增幅最大,产量水平的WUE增幅最小.     

大气CO2浓度增加与氮肥对棉花生物量、氮吸收量及土壤脲酶活性的影响

试验设置半开顶式CO₂人工气候室,研究了不同CO₂浓度处理(360、540 μmol·mol^-1)与施氮(N)量(0、150、300 和450 kg·hm^-2)对棉花干物质的积累与分配、氮素吸收量及土壤脲酶活性的影响.多样性指数和主成分分析表明: 各施N水平下,CO₂浓度增加下棉花蕾、茎、叶和整株的总干物质积累量显著增加;2个CO₂浓度下,300 kg·hm^-2-N (N₃₀₀)处理棉花蕾、茎、叶、根及整株干物质量显著高于其他3个N肥处理,合理的氮肥施用可显著提高棉花干物质积累量.棉花蕾和茎的氮素吸收量受CO₂浓度影响显著,与360 μmol·mol^-1CO₂浓度相比,CO₂浓度为540 μmol·mol^-1条件下蕾和茎的氮含量显著增加,其中N₃₀₀处理下蕾的氮含量最高,N₁₅₀和N₃₀₀处理茎的氮含量高于N₀和N₄₅₀处理;叶的氮素吸收量受CO₂和N的交互作用影响显著,在N₀、N₁₅₀、N₃₀₀处理下,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下叶的氮含量增加;棉花根的氮素吸收量受施N的影响显著,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下根的氮含量随着施N量的增加显著增加.总体上,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下棉花的氮素吸收量高于360 μmol·mol^-1 CO₂浓度,各CO₂和N组合处理下,棉花各器官的氮素积累量蕾铃最高,叶片居中,其次是茎秆,根系最低.各施N水平下,两个土层的土壤脲酶活性随着CO₂浓度升高而显著增加;不同CO₂浓度处理下,0~20 cm土层土壤脲酶活性随着施N量的增加而增加,20～40 cm土层N₃₀₀处理下的土壤脲酶活性高于其他N肥处理;CO₂和N互作下,0~20 cm土层土壤脲酶活性的平均值显著高于20~40 cm土层.大气CO₂浓度为540 μmol·mol^-1、氮肥施用量为300 kg·hm^-2可显著提高棉花干物质积累量和氮素吸收量.     

大气CO2浓度增加与氮肥对棉花生物量、氮吸收量及土壤脲酶活性的影响

试验设置半开顶式CO₂人工气候室,研究了不同CO₂浓度处理(360、540 μmol·mol^-1)与施氮(N)量(0、150、300 和450 kg·hm^-2)对棉花干物质的积累与分配、氮素吸收量及土壤脲酶活性的影响.多样性指数和主成分分析表明: 各施N水平下,CO₂浓度增加下棉花蕾、茎、叶和整株的总干物质积累量显著增加;2个CO₂浓度下,300 kg·hm^-2-N (N₃₀₀)处理棉花蕾、茎、叶、根及整株干物质量显著高于其他3个N肥处理,合理的氮肥施用可显著提高棉花干物质积累量.棉花蕾和茎的氮素吸收量受CO₂浓度影响显著,与360 μmol·mol^-1CO₂浓度相比,CO₂浓度为540 μmol·mol^-1条件下蕾和茎的氮含量显著增加,其中N₃₀₀处理下蕾的氮含量最高,N₁₅₀和N₃₀₀处理茎的氮含量高于N₀和N₄₅₀处理;叶的氮素吸收量受CO₂和N的交互作用影响显著,在N₀、N₁₅₀、N₃₀₀处理下,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下叶的氮含量增加;棉花根的氮素吸收量受施N的影响显著,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下根的氮含量随着施N量的增加显著增加.总体上,540 μmol·mol^-1CO₂浓度下棉花的氮素吸收量高于360 μmol·mol^-1 CO₂浓度,各CO₂和N组合处理下,棉花各器官的氮素积累量蕾铃最高,叶片居中,其次是茎秆,根系最低.各施N水平下,两个土层的土壤脲酶活性随着CO₂浓度升高而显著增加;不同CO₂浓度处理下,0~20 cm土层土壤脲酶活性随着施N量的增加而增加,20～40 cm土层N₃₀₀处理下的土壤脲酶活性高于其他N肥处理;CO₂和N互作下,0~20 cm土层土壤脲酶活性的平均值显著高于20~40 cm土层.大气CO₂浓度为540 μmol·mol^-1、氮肥施用量为300 kg·hm^-2可显著提高棉花干物质积累量和氮素吸收量.     

大气二氧化碳倍增对短葶飞蓬生长和有效成分积累的影响

通过对人工倍增CO₂浓度（800±100） μmol·mol^-1与正常CO₂浓度（400±25） μmol·mol^-1条件下短葶飞蓬植株生物量、体内灯盏乙素和总咖啡酸酯含量及产量的比较,探讨了CO₂浓度升高对药用植物短葶飞蓬生物量、有效成分含量及产量的影响.结果表明：CO₂浓度倍增条件下,短葶飞蓬植株生物量增加了22%;总咖啡酸酯及灯盏乙素含量分别增加23%和26%,产量分别增加37.6%和45.3%.不同器官的生物量及有效成分含量对CO₂浓度升高的响应不同.在CO₂浓度倍增条件下,短葶飞蓬植株含氮量减少47.2%,与次生代谢有效成分含量的变化呈反比,符合“碳素/营养平衡假说”;植株生物量与次生代谢产物含量的变化呈正相关,植株生长与次生代谢产物积累之间没有表现出权衡关系.说明合理施用CO₂是可实现短葶飞蓬的优质高产.     

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.     

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浓度升高对绿豆叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响

利用FACE系统在大田条件下通过盆栽试验研究了大气CO₂浓度升高\[CO₂浓度平均为（550±60) μmol·mol^-1\]对绿豆叶片光合生理和叶绿素荧光参数的影响.结果表明： 与对照\[CO₂浓度平均为（389±40）μmol·mol^-1左右\]相比,大气CO₂浓度升高使花荚期绿豆叶片净光合速率(P_n)和胞间CO₂浓度(C_i)分别升高11.7%和9.8%,气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r)分别下降32.0%和24.6%, 水分利用效率(WUE)提高83.5%;在蕾期,CO₂浓度升高对绿豆叶片叶绿素初始荧光(F_o)、最大荧光（F_m）、可变荧光（F_v）、F_v/F_m和F_v/F_o没有显著影响;在鼓粒期,CO₂浓度升高使绿豆叶片F_o增加19.1%,F_m和F_v分别下降9.0%和14.3%,F_v/F_o和F_v/F_m分别下降25.8%和6.2%.表明大气CO₂浓度升高可能使绿豆生长后期光系统Ⅱ反应中心结构受到破坏,叶片的光合能力下降.     

大气CO2浓度升高对稻田土壤氮素的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon=Dioxide Enrichment)试验平台,研究大气CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1(周围大气中CO₂浓度约370 μmol·mol^-1)对稻季各生育期不同深度土壤溶液NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度的影响.结果表明：高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH₄⁺-N浓度在水稻生育前期有所增加,但在生育后期明显下降;大气CO₂浓度升高增加了稻季5、15、30、60和90 cm处土壤溶液NO₃^--N浓度,分别比对照平均提高了46.5%、36.8%、23.3%、103.7%和42.7%,在60和90 cm处差异分别达到统计上的极显著和显著水平.     

大气CO2浓度升高对农产品品质影响的研究进展

大气中不断升高的CO₂浓度以及人类饮食的营养质量是目前我们面临的两个重大问题.目前,大气中CO₂浓度已达到380 μmol·mol^-1,预测到2050年大气CO₂浓度将达到550 μmol·mol^-1.农产品的品质不仅取决于遗传基因,而且受生长环境条件的影响.大量研究表明,农作物的生长发育和产量形成都对CO₂浓度升高做出了响应,而且这种变化对农产品的品质也产生了重要影响.本文对目前国内外模拟CO₂浓度升高对农产品品质影响研究中采用的常见方法进行了比较,并综述了近年来在CO₂浓度升高对水稻、小麦、大豆和其他一些蔬菜类农产品品质影响方面的研究进展.大量试验结果表明,CO₂浓度升高条件下,大宗作物籽粒中蛋白质含量下降,微量元素总体上有下降趋势,而蔬菜类农产品的品质有一定程度改善.最后,本文根据目前研究现状对一些问题进行了讨论并提出了今后的研究方向.     

气候变化对不同水分条件下柿幼树光合作用的影响

以两年生柿树为试材,研究了高浓度CO₂处理（700 μmol·mol^-1）、高温处理（日平均温度高于正常日平均温度约5 ℃）、高温和高浓度CO₂复合处理及对照（温度为外界环境温度,CO₂浓度380 μmol·mol^-1）对不同水分条件下柿树净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、水分利用效率(WUE)、叶绿素含量和叶绿素荧光参数F_v/F_m、F_v/F_o的影响.结果表明:高温和高浓度CO₂复合处理使处于各水分条件下的柿树T_r、G_s减小,WUE增大;在高、中水分条件(分别为田间持水量的75%～85%和55%～65%)下高温和高浓度CO₂复合处理使柿树P_n增大,在低水分条件(为田间持水量的35%～45%)下使柿树P_n减小.高浓度CO₂处理使处于各水分条件下的柿树P_n、WUE增大,G_s、T减小.高温及高温和高浓度CO₂复合处理下WUE均受土壤水分状况的影响,并随土壤含水量的升高而升高.与对照相比,高浓度CO₂处理还提高了各水分条件下植株叶片水平的水分利用效率、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）、类胡萝卜素含量及F_v/F_m和F_v/F_o,缓解了水分胁迫,提高了柿树的抗逆能力.     

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.     

CO2浓度升高对三种地被类观赏竹生理特性的影响

运用开顶式气室(OTCs)模拟大气CO₂浓度升高(500、700 μmol·mol^-1)情景,以环境背景大气为对照,研究CO₂浓度升高对3种地被类观赏竹(美丽箬竹、黄条金刚竹和白缟椎谷笹竹)叶片的膜脂过氧化和抗氧化系统的影响及其种间差异.结果表明: 试验进行103 d后,500 μmol·mol^-1CO₂浓度下,3种地被类观赏竹的叶片超氧阴离子含量、丙二醛(MDA)含量、相对电导率和可溶性糖含量总体上没有发生明显的变化,但叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性有一定程度的改变;700 μmol·mol^-1 CO₂浓度下,3个竹种的叶片MDA含量和相对电导率没有发生明显变化,但对叶片超氧阴离子含量、可溶性糖含量和SOD、POD、CAT、APX活性的影响较为明显.不同竹种对CO₂浓度升高环境的适应能力为美丽箬竹＞黄条金刚竹＞白缟椎谷笹竹.     

CO2浓度增加和施氮对栓皮栎幼苗生理生态特征的影响

通过人为控制CO₂浓度(700、400 μmol·mol^-1)和氮素水平(120 kg N·hm^-2),研究了CO₂浓度增加和氮沉降及其交互作用对北界(辽宁庄河)栓皮栎幼苗生理生态特征的影响.结果表明: CO₂浓度升高使栓皮栎幼苗叶片的形态、光合色素含量和氮含量有减小的趋势,暗呼吸速率较对照降低63.3%,可溶性糖增加2.6%.氮沉降对栓皮栎叶片的形态和光合色素含量有明显的促进作用,叶N含量增加而K含量降低,N/K值增加26.7%.CO₂和N交互作用对幼苗叶形态和光合作用有明显的促进作用,叶片最大净光合速率和光饱和点分别是对照的1.4倍和2.6倍,暗呼吸速率和光补偿点分别降低65.9%和50.0%.CO₂浓度升高和N沉降均对栓皮栎幼苗生长有一定的促进作用,可能导致栓皮栎分布界线北移.     

冬小麦幼苗生长和化感物质对CO2和O3浓度升高的响应

利用开顶式气室(OTC), 采用盆栽试验研究了CO₂浓度为550 μL·L^-1、O₃浓度为60 μL·L^-1及CO₂浓度为550 μL·L^-1+O₃浓度为60 μL·L^-1对7个冬小麦品种幼苗生物量和化感物质丁布(DIMBOA)的影响.结果表明：在高CO₂浓度下,冬小麦幼苗地上生物量与丁布含量在品种间存在显著差异,品种碧蚂1号幼苗和根干质量比对照（CO₂浓度为370 μL·L^-1,O₃浓度为40 μL·L^-1）增加了36.8%和24.7%;丁布含量增幅为5.7%~184.6%.除碧蚂1号和陕139外,高浓度O₃导致冬小麦生物量降低,但使所有品种丁布含量显著增加,变幅为0.5~3倍.交互作用下所有品种根干质量降低,长武134地上部质量、根质量和丁布含量降幅最大,分别为82%、27.9%和35.5%;与长武134、远丰175和兰考217丁布含量降低相反,陕139丁布含量增加84.6%.聚类分析显示,不同处理和不同品种均显著影响丁布含量,陕139、兰考217和长武134在高CO₂和O₃浓度处理下聚为一类,而陕139在所有处理中丁布含量均表现为增加.表明化感物质丁布可以作为气候变化条件下,尤其是CO₂和O₃变化下抗性育种的特定指标.     

泉州湾红树林湿地土壤CO2通量周期性变化特征

福建泉州湾红树林湿地生态系统所处地属正规半日潮,为新近栽植的人工修复林带.采用Li-840便携式土壤二氧化碳分析仪测定主要红树群落土壤CO₂排放通量,研究土壤CO₂通量周期性变化特征.结果表明: 泉州湾红树林处于幼林期,其土壤CO₂通量较小;早、晚潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤CO₂浓度和通量随退潮时间变化趋势基本一致;泉州湾红树林湿地土壤CO₂浓度和通量分别为557.08～2211.50 μmol·mol^-1和-0.21～0.40 μmol·m^-2·s^-1,早、晚潮潮间期和晚、早潮潮间期CO₂通量平均值分别为0.26和-0.01 μmol·m^-2·s^-1;对于同一退潮时刻,早、晚潮潮间期CO₂通量大于晚、早潮潮间期.早、晚潮潮间期CO₂通量与对应的即时CO₂浓度呈“钟”型变化,CO₂通量随CO₂浓度的增加呈先增加后降低的趋势,近似高斯分布,据此可建立该系统土壤CO₂通量与CO₂即时浓度的数学模型.