开放系统中农作物对空气CO2浓度增加的响应

FACE试验（free-air CO2 enrichment)开展的10多年中,供试农作物主要有：C3禾本科作物小麦（Triticum aestivum L.）、多年生黑麦草（Lolium perenne)和水稻（Oryza sativaL.),C4禾本科类高梁（Sorghum bicolor(L.)Moench),C3豆科植物白三叶草（Trifolium repens ),C3非禾本科块茎状作物马铃薯（Solanum tuberosum L.）,以及多年生C3类木作物棉花（Gossypium hirsutum L.)和葡萄（Vitisvinifera l.)。本文系统整理和分析了以下各项参数的结果;光合作用、气孔导度、冠层温度、水分利用、水势、叶面积指数、根茎生物量累积、作物产量、辐射利用率,比叶面积、N含量、N收益、碳水化合物含量、物候变化、土壤微生物、土壤呼吸、痕量气体交换以及土壤碳固定,CO2浓度升高对农作物的影响作用主要表现在以下方面：（1）促进了植物光合作用,增加了其生物量累积;（2）显著提高C3作物产量,但对C4作物产量的影响很小;（3）降低了C3和C4作物气孔导度,非常显著地提高了所有作物的水分利用率;（4）对植物生长的促进作用在水分不足与水分充中时二者相当或前者大于后者;（6）对根系生长的促进作用要大于地上部分;（7）对多年生植物气孔导度的影响较小,但对其生长的促进作用仍很高;（8）降低了植物体内N含量,但作物体内碳水化合物及某些其他含碳化合物含量增加,且叶部含量要明显高于植物其他器官;（9）对大多数作物的物候略有加速;（10）对某些土壤微生物具显著影响,而对有些则无,但都增加了微生物活性;（11）综合多年、多地点的试验结果表明土壤对大气CO2的固定增加,但单独一个试验无法观测到SOC的显著性变化,对FACE和前期的熏气室试验结果都进行了尽可能的对比研究,除了二例以外,发现在大多数情况下二者的结果基本一致,其中,FACE使气孔导度降低的1.5倍,明显高于前期熏气室试验的结果;其二,相对于熏气室,FACE条件下CO2倍增对根的相对促进作用要高于地上部分,因此,我们对基于这二者的结论的准确性和可靠性是充满信心的,不过,更接近自然环境和具更大小区面积的FACE试验仍是必需的,它可以为我们提供在CO2升高条件下更具代表性的田间试验条件,从而为我们提供更多、更有益的多学科交叉的试验数据和研究结果。     

开放式空气CO2浓度增高对水稻冠层微气候的影响

利用位于江苏省无锡市安镇的我国唯一的农田开放式空气CO2 浓度增高 (FACE)系统平台 ,于2 0 0 1年 8月 2 6日至 10月 13日 (水稻抽穗至成熟期 )进行水稻作物冠层微气候连续观测 ,以研究FACE对水稻冠层微气候特征的影响 .结果表明 ,FACE降低了水稻叶片的气孔导度 ,FACE与对照水稻叶片气孔导度的差异上层叶片大于下层叶片 ,生长前期大于生长后期 .FACE使白天水稻冠层和叶片温度升高 ,这种差异生长前期大于生长后期 ;但FACE对夜间水稻冠层温度的影响不明显 .在水稻旺盛生长的抽穗开花期 ,晴天正午前后FACE水稻冠层温度比对照高 1.2℃ ;从开花至成熟期 ,FACE水稻冠层白天平均温度比对照高 0 .4 3℃ .FACE对冠层空气温度也有影响 ,白天水稻冠层空气温度FACE高于对照 ,这种差异随太阳辐射增强而增大且冠层中部大于冠层顶部 ;冠层中部空气温度FACE与对照的差异 (Tface-Tambient)日最大值在 0 .4 7～ 1.2℃之间 ,而冠层顶部的Tface-Tambient日最大值在 0 .37～ 0 .8℃之间 .夜间水稻冠层空气温度FACE与对照差别不大 ,变化在± 0 .3℃之内 .而FACE对水稻冠层空气湿度无显著影响 ,表明FACE使水稻叶片气孔导度降低 ,从而削弱了植株的蒸腾降温作用 ,导致水稻冠层温度和冠层空气温度升高 ,改变了整个水稻冠层的温度环     

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.     

FACE水稻茎蘖动态模型

借助农田开放式空气CO₂浓度增高（FACE）技术平台,以武香粳14为供试水稻品种,设置不同施N量处理,研究大气CO₂浓度为570 μmol·mol^-1（比对照高200 μmol·mol^-1）的FACE处理对水稻茎蘖动态的影响,并建立了相应的模拟模型：T_t=A₁(1+e^a1-b1t₎-A₂(1+e^a2-b2t)+C×[B₁(1+e^a3-b3t)-B₂(1+e^a4-b4t)]+D.模型以时间为驱动因子,描述了水稻茎蘖数随移栽天数的动态变化过程,对常规及CO₂浓度增加条件下水稻茎蘖的变化均有很好的拟合性.通过不同年份试验数据对模型的检验,预测根均方差（RMSE）最大为44.27个·m^-2,最小为13.96个·m^-2,且相关系数均达到了极显著水平.表明模型的预测程度较高,具有很好的适用性.     

过量表达烟酸单核苷酸腺苷酰转移酶对大肠杆菌NZN111产丁二酸的影响

大肠杆菌NZN111是敲除了乳酸脱氢酶的编码基因(ldhA)和丙酮酸-甲酸裂解酶的编码基因(pflB)的发酵生产丁二酸的潜力菌株。厌氧条件下NADH不能及时再生为NAD+,引起胞内辅酶NAD(H)的不平衡,最终导致厌氧条件下菌株不能利用葡萄糖生长代谢。nadD为催化NAD(H)合成途径中烟酸单核苷酸(NaMN)生成烟酸腺嘌呤二核苷酸(NaAD)的烟酸单核苷酸腺苷酰转移酶(Nicotinic acid mononucleotide adenylyltransferase,NAMNAT)的编码基因,通过过量表达nadD基因能够提高NAD(H)总量与维持合适的NADH/NAD+比例。文中构建了重组菌E.coli NZN111/pTrc99a-nadD,在厌氧摇瓶发酵过程中通过添加终浓度为1.0 mmol/L的IPTG诱导表达,重组菌E.coli NZN111/pTrc99a-nadD中NAD+和NADH的浓度分别比宿主菌E.coli NZN111提高了3.21倍和1.67倍,NAD(H)总量提高了2.63倍,NADH/NAD+从0.64降低为0.41,使重组菌株恢复了厌氧条件下生长和代谢葡萄糖的能力。重组菌与对照菌相比,72 h内可以消耗14.0 g/L的葡萄糖产6.23 g/L的丁二酸,丁二酸产量增加了19倍。     

3 次连续重复提取DNA 能较好反映土壤微生物丰度

【目的】研究同一个土壤需要反复提取几次才能在最大程度上反映土壤微生物的丰度,探讨风干土壤代替新鲜土壤用于微生物丰度研究的可行性。【方法】针对两种理化性质具有较大差异的旱地和稻田新鲜土壤及其风干土壤,分别对土壤微生物进行5次连续裂解提取DNA。通过实时荧光定量PCR技术分析连续反复提取对土壤古菌和细菌16S rRNA gene数量、氨氧化古菌和细菌功能基因amoA数量的影响。【结果】3次连续提取DNA占5次提取DNA总量的76%以上,氨氧化古菌、氨氧化细菌、古菌和细菌4类微生物的3次连续提取最低回收率为77.5%;与新鲜土壤相比,风干处理导致氨氧化古菌、氨氧化细菌、古菌、细菌的数量分别降低84.3%、81.2%、12.5%和90.3%,然而,2种土壤风干过程中主要微生物类群的数量变化规律基本一致,表明土壤微生物对风干处理的响应可能受土壤类型的影响较小。【结论】土壤微生物连续3次裂解能较好反映微生物丰度。与新鲜土壤相比,风干过程显著降低了土壤微生物丰度,然而,通过风干土壤中微生物丰度的变化趋势反映新鲜土壤中微生物数量变化规律具有一定的可行性。     

大气O_3浓度升高对稻田土壤有效态微量元素的影响

利用中国稻/麦轮作系统O3-FACE(Ozone-Free Air Concentration Enrichment)试验平台,研究大气O3浓度升高(比周围大气高50%)对2009年稻季各生育期不同深度(0-5 cm,5-10 cm和10-15 cm)耕层土壤微量元素有效性的影响。结果表明,大气O3浓度增加对0-15 cm耕层土壤有效性-Fe、Mn、Cu、Zn的提高幅度分别为10.0%、8.1%、5.4%、40.3%,其中对Cu的提高幅度达显著水平;不同土壤有效态微量元素在土壤垂直分布规律不同,土壤有效态Fe、Zn含量随土壤深度增加而降低,土壤有效态Mn含量随深度增加而增加,而土壤有效态Cu含量在不同深度土层中基本稳定;大气O3浓度升高对土壤DTPA提取态Fe的提高幅度随土壤深度的增加而增大,而对土壤DTPA提取态Mn、Cu、Zn的提高幅度均随土壤深度的增加而降低;大气O3浓度升高对0-5cm、5-10cm处土壤DTPA-Cu和0-5cm处Mn含量增加幅度分别为13.2%、8.9%和30.2%,且分别达显著和极显著水平。文章指出大气O3浓度升高会对稻田生态系统土壤微量元素地球化学循环产生重要影响,应针对不同层次土壤有效态微量元素含量情况,从土壤性质和水稻生长两个方面进一步明确其影响机制。     

自由空气中臭氧浓度升高对大豆的影响

人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物未来的生长环境,其中一个显著的变化就是近地层空气污染物臭氧浓度的迅速上升:从工业革命前低于10nL/L上升到现在的50nL/L(夏季每天8h平均),最新预测这一浓度将在2015-2050年增加20%-25%,本世纪末将增加40%-60%。目前大气背景臭氧浓度已经超过敏感植物的伤害阀值(即40nL/L),广泛地造成农作物减产,而未来臭氧浓度增加将使这种影响变得更为严重。与封闭式和开顶式试验相比,FACE(free-air gas concentration enrichment)研究使用标准的作物管理技术,在完全开放的农田条件下运行,代表了人类对未来大气环境的最好模拟。作为人类食物蛋白的重要来源,大豆是世界上种植面积最大的双子叶植物,也是1年生C3作物的模式作物,同时也被认为对臭氧污染最为敏感的作物之一。美国伊利诺伊大学的大豆FACE(SoyFACE)是世界上第1个利用FACE技术开展农作物对高浓度臭氧(模拟本世纪中叶近地层臭氧浓度)响应和适应的多学科合作研究。在阐述气室研究的局限性和介绍SoyFACE运行特点的基础上,首次综述了FACE情形下高浓度臭氧对大豆光合特性、冠层结构、物质生产与分配、产量及其构成因素以及虫害等方面的影响,并比较了FACE与气室研究结果的异同点。SoyFACE研究清楚地表明臭氧对未来粮食安全的影响必须作为一个重要的全球变化因子来加以考虑。利用FACE技术深入开展臭氧及其与其它全球变化因子的互作对世界主要粮食作物的影响、机制和调控的系统研究,是该领域未来优先考虑的方向。     

开放式O3浓度增高对小麦籽粒蛋白的影响

于2006—2009年应用FACE研究平台,设计O₃浓度增高50%(E)和自然浓度(CK)两个处理,采用烟农19、扬麦16、扬麦15和扬辐麦2号4个品种,研究了O₃浓度增高对不同类型小麦品种籽粒蛋白质组分及其动态的影响.结果表明：随着O3浓度增高,籽粒蛋白质含量上升,3个年度上升幅度分别为7.55%～16.37%（2006—2007年度）、4.93%～22.63%（2007—2008年度）和2.29%～17.65%（2008—2009年度）,处理间、品种和年度间差异显著;但籽粒蛋白质产量显著或极显著下降,3个年度降幅分别为1.83%～11.64%（2006—2007年度）, -0.41%～24.22%（2007—2008年度）和-1.90%～15.81%（2008—2009年度）.籽粒蛋白质4种组分（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白）含量均表现为O₃浓度增高处理高于自然浓度处理,品种间和年度间差异显著,且处理间醇溶蛋白和球蛋白含量差异显著,而清蛋白和谷蛋白含量差异不显著.     

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.