寒地不同熟性品种水稻产量对CO_2浓度和温度升高响应的模拟

选择黑龙江省作为研究区域,根据主栽水稻生育期内所需积温选取3个代表性品种,重点分析增温和大气CO_2肥效作用对不同熟性品种水稻产量的影响.采用2013年的逐日气象资料及开顶式气室(OTC)(3个CO_2浓度:390、450和550μmol·mol~(-1))试验资料对品种的遗传参数进行调试;然后采用经验证的CERES-Rice作物模型分别模拟了3个CO_2浓度水平下,伴随温度升高1、2、3和4℃时早、中、晚熟品种水稻产量.结果表明:随CO_2浓度升高,不同品种水稻产量均上升;随温度升高,早熟品种产量持续下降,中、晚熟品种产量先上升再下降.若不考虑CO_2肥效作用,除了中熟和晚熟品种在增温1℃时会有3.1%和0.27%的小幅增产外,其余均表现为减产,其中早熟品种减产幅度最大,增温4℃时减产高达57.7%,而中熟和晚熟品种减产10%左右.若考虑CO_2肥效作用,450μmol·mol~(-1)CO_2浓度下,中熟和晚熟品种在增温2℃时仍增产0.75%和3.2%;550μmol·mol~(-1)CO_2浓度下,中熟品种在增温3℃时仍增产4.5%,晚熟品种在增温4℃时仍增产0.39%.而无论是否考虑CO_2肥效作用,早熟品种在增温作用下均表现大幅度减产.与不考虑CO_2肥效相比,大气CO_2肥效作用有效提高了水稻产量,但CO_2肥效对增产的贡献率在不同品种间差异不明显,且贡献率均小于10%.     

未来CO2浓度增加和相应增温对水稻产量影响的模拟──以浙江省为例

采用水稻生育生理生态综合模型ORYZA1,模拟分析了未来15种可能气候变化对浙江省水稻产量的影响结果表明,CO₂浓度的增加将使水稻增产,温度增加将导致水稻减产虽然CO₂增加和相应增温对各季水稻产量在各地区的影响表现不同,但在不考虑温室效应将同时导致旱涝和病虫害变化条件下.GFDL、GISS和UKMO模型预测的气候变化将使浙江省全年水稻产量分别平均增产9.53%、8.92%和0.04%.     

不同CO2浓度升高水平对粳稻叶片荧光特性的影响

为研究不同CO₂浓度升高水平对水稻叶片荧光特性的影响,利用开顶式气室组成CO₂浓度自动调控平台开展田间试验,使用便携式植物效率分析仪测定剑叶快速叶绿素荧光诱导动力学曲线,分析不同CO₂浓度(CK:背景大气CO₂浓度;T₁:比CK的CO₂浓度高80 μmol·mol^-1;T₂:比CK的CO₂浓度高200 μmol·mol^-1)下水稻主要生育期剑叶快速叶绿素荧光诱导动力学参数的变化特征.结果表明:CO₂浓度升高80 μmol·mol^-1,用于电子传递的量子产额(φ_Eo)、最大光化学效率(F_v/F_m)、性能指数(PI_ABS)在扬花期、乳熟期、蜡熟期和完熟期均显著升高,用于热耗散的量子比率(φ_Do)显著降低,其中φ_Eo显著升高了7.3%～23.3%,F_v/F_m极显著升高了3.1%～7.1%,PI_ABS极显著升高了46.2%～93.0%,φ_Do则显著降低了10.3%～20.5%.CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1,在拔节期,φ_Eo、F_v/F_m、PI_ABS分别极显著降低了68.7%、41.4%和93.4%,φ_Do则极显著升高了78.4%;在扬花期、乳熟期、蜡熟期,T₂使φ_Eo显著升高了11.6%～19.8%,F_v/F_m显著升高了4.8%～6.8%,PI_ABS显著升高了53.0%～72.6%,φ_Do则显著降低了7.7%～19.4%.表明CO₂浓度升高(80、200 μmol·mol^-1)对水稻剑叶光系统Ⅱ的光合电子传递具有促进作用.     

双季稻不同生育期净同化速率对大气CO2浓度和温度升高的响应

大气CO₂浓度和温度升高对水稻干物质积累的影响因不同栽培区域和不同稻作类型而异。目前,我国双季稻轮作系统干物质生产力对温度、CO₂浓度升高和二者交互作用的响应特征尚不明确。本研究以早稻‘两优287’和晚稻‘湘丰优9号’为供试材料,在湖北省荆州市利用开顶式气室(OTC)进行连续3年的大田原位模拟试验,设置大田(UC)、对照(CK,OTC控制大气温度和CO₂浓度)、增温2 ℃(ET)、CO₂浓度增加60 μmol·mol^-1(EC)、增温2 ℃+CO₂浓度增加60 μmol·mol^-1(ETEC)5个处理,研究温度和CO₂浓度升高对早稻和晚稻地上部生物量、叶面积和净同化速率的影响。结果表明: CO₂浓度和/或温度升高对早稻和晚稻移栽-拔节阶段净同化速率影响不显著,提高了拔节-齐穗阶段净同化速率,但降低了齐穗-成熟阶段净同化速率(除早稻对高CO₂浓度表现为正响应外)。CO₂浓度和/或温度升高促进了各生育期叶面积的增长,以ETEC处理叶面积指数最高(除成熟期外)。在齐穗期,温度和CO₂浓度升高协同促进了地上部干物质积累,ETEC处理早稻和晚稻地上部生物量比CK高10.3%～39.8%和23.6%～34.4%;在早稻成熟期,增温在一定程度上抵消了增加CO₂浓度对地上部干物质积累的促进作用,ETEC比EC地上部生物量降低3.2%～14.1%;而晚稻成熟期,增温和增加CO₂浓度表现为正向的交互作用,可进一步提高地上部生物量。回归分析表明,温度和CO₂浓度升高在双季稻营养生长阶段对植株净同化能力以正向作用为主,在生殖生长阶段增温表现为负向作用。由于生长特性、生育期跨度和温度资源配置的差异,CO₂浓度和温度升高可能提高我国双季稻轮作系统干物质生产力。     

粳稻生育后期剑叶光合日变化和光合色素对大气CO2浓度和温度升高的响应——FACE研究

为研究水稻叶片光合色素和光合日变化对大气CO₂浓度和气温升高的响应,我们采用在开放空气中控制升高CO₂浓度和温度的方法,以常规粳稻南粳9108为试验材料,设置了环境CO₂和高大气CO₂浓度(增加200 μmol·mol^-1)、环境温度和增温(增加1～2 ℃)交互的4个处理,测定了灌浆中期和后期水稻剑叶的光合日变化特征和光合色素含量.结果表明: 水稻剑叶净光合速率(P_n)为双峰曲线,发生了光合“午休”现象;大气CO₂浓度升高提高了剑叶P_n,灌浆中期和后期平均分别增加了47.6%和39.1%;高温有降低P_n的趋势,但相关性未达到显著水平.大气CO₂浓度和温度升高导致水稻剑叶生育后期气孔导度(g_s)平均分别降低了17.0%和11.8%.高CO₂浓度水稻剑叶生育后期蒸腾速率(T_r)、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素和叶绿素a/b值显著降低,平均降幅分别为5.9%、50.4%、21.3%、41.4%、39.4%和21.4%,明显增加了剑叶水分利用率(WUE),平均增幅达47.9%.与之相反,生育后期增温使水稻剑叶T_r增加了10.2%,使WUE平均降低了20.4%.综上所述,大气CO₂浓度升高对粳稻生育后期剑叶P_n、g_s和光合色素含量的影响明显大于增温效应.因此,应重视大气CO₂浓度和温度对水稻光合作用和光合色素的综合效应,减弱增温的负效应.     

粳稻生育后期剑叶光合日变化和光合色素对大气CO2浓度和温度升高的响应——FACE研究

为研究水稻叶片光合色素和光合日变化对大气CO₂浓度和气温升高的响应,我们采用在开放空气中控制升高CO₂浓度和温度的方法,以常规粳稻南粳9108为试验材料,设置了环境CO₂和高大气CO₂浓度(增加200 μmol·mol^-1)、环境温度和增温(增加1～2 ℃)交互的4个处理,测定了灌浆中期和后期水稻剑叶的光合日变化特征和光合色素含量.结果表明: 水稻剑叶净光合速率(P_n)为双峰曲线,发生了光合“午休”现象;大气CO₂浓度升高提高了剑叶P_n,灌浆中期和后期平均分别增加了47.6%和39.1%;高温有降低P_n的趋势,但相关性未达到显著水平.大气CO₂浓度和温度升高导致水稻剑叶生育后期气孔导度(g_s)平均分别降低了17.0%和11.8%.高CO₂浓度水稻剑叶生育后期蒸腾速率(T_r)、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素和叶绿素a/b值显著降低,平均降幅分别为5.9%、50.4%、21.3%、41.4%、39.4%和21.4%,明显增加了剑叶水分利用率(WUE),平均增幅达47.9%.与之相反,生育后期增温使水稻剑叶T_r增加了10.2%,使WUE平均降低了20.4%.综上所述,大气CO₂浓度升高对粳稻生育后期剑叶P_n、g_s和光合色素含量的影响明显大于增温效应.因此,应重视大气CO₂浓度和温度对水稻光合作用和光合色素的综合效应,减弱增温的负效应.     

高CO2浓度、干旱及其互作对不同持绿型小麦幼苗的影响

以小麦持绿型品种‘烟农19'和非持绿型品种‘旱选3号'为试材,在开放式气室(OTC)内设置正常CO₂浓度(370 μmol·mol^-1)和高CO₂浓度(550 μmol·mol^-1),干旱(田间持水量的45%～55%)和灌溉(田间持水量的75%～85%),共4个环境处理,采用盆栽法研究高CO₂浓度、干旱及其互作对不同持绿型小麦幼苗生长性状、生物量积累和生理性状的影响。结果表明: 干旱显著抑制了小麦幼苗的生长发育;高CO₂浓度对小麦幼苗的生长发育有明显的促进作用,对分蘖数的影响更显著,干旱条件下高CO₂浓度使旱选3号和烟农19的分蘖数分别增加了61.0%和42.3%。两种水分条件下,高CO₂浓度显著增加了小麦幼苗的生物量,降低了幼苗叶片过氧化物酶和脯氨酸的含量。干旱条件下,高CO₂浓度表现出更好的“肥效作用”。此外,不同持绿型小麦品种对高CO₂浓度的响应存在差异,旱选3号对CO₂的响应更敏感。因此,在未来气候变化背景下,CO₂浓度升高时可以适当减少田间灌水量,合理利用水资源,还需注意选择适宜的品种。     

日光温室冬季增施CO2对切花红掌光合作用及生长发育的影响

针对切花红掌日光温室冬季生产时CO₂亏缺严重的现象,以不增施CO₂为对照,研究了增施700、1000、1300 μmol·mol^-1浓度CO₂对切花红掌‘火焰’光合特性和生长发育的影响.结果表明: 增施60 d CO₂,红掌叶片的净光合速率、胞间CO₂浓度和水分利用效率均显著提高,且以1000 μmol·mol^-1处理的增幅最大;而气孔导度则较对照显著下降.增施CO₂后,红掌叶片的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均较对照显著增加,佛焰苞大小、色泽、花茎长度等切花品质参数,以及叶片发育质量参数和花茎生长速率均有不同程度的提高,且均以1000 μmol·mol^-1浓度最佳.增施1000 μmol·mol^-1的CO₂可以有效促进日光温室切花红掌的冬季生产.     

根际二氧化碳浓度对马铃薯植株生长的影响

以汽雾法栽培方式为基础,建立根际气体环境研究系统,研究了根际不同CO₂浓度连续处理36d对马铃薯植株生长的影响.结果表明,随着根际CO₂处理时间的延长,根际380～920 μmol·mol^-1 CO₂处理和380 μmol·mol^-1CO₂处理之间马铃薯植株的株高、茎粗、叶面积、鲜重、根系长度、匍匐茎和块茎等生育指标生长变化比较一致,呈现明显的二阶段增长特点;与3 600 μmol·mol^-1高CO₂处理的根际比较,前2个处理植株生长发育旺盛,块茎产量明显增加,说明根际一定浓度CO₂富积,对马铃薯生长有促进作用,而根际过高浓度CO₂环境,则对马铃薯生长有抑制作用.根际3 600μmol·mol^-1高CO₂处理与沙培处理植株的地上茎粗和叶面积、地下匍匐茎和块茎数量等非常接近,表现在植株生长矮小,块茎产量较少,说明沙培处理植株生长发育比较弱,其原因可能与根际较高浓度CO₂的影响有关.     

日光温室冬季增施CO2对切花红掌光合作用及生长发育的影响

针对切花红掌日光温室冬季生产时CO₂亏缺严重的现象,以不增施CO₂为对照,研究了增施700、1000、1300 μmol·mol^-1浓度CO₂对切花红掌‘火焰’光合特性和生长发育的影响.结果表明: 增施60 d CO₂,红掌叶片的净光合速率、胞间CO₂浓度和水分利用效率均显著提高,且以1000 μmol·mol^-1处理的增幅最大;而气孔导度则较对照显著下降.增施CO₂后,红掌叶片的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均较对照显著增加,佛焰苞大小、色泽、花茎长度等切花品质参数,以及叶片发育质量参数和花茎生长速率均有不同程度的提高,且均以1000 μmol·mol^-1浓度最佳.增施1000 μmol·mol^-1的CO₂可以有效促进日光温室切花红掌的冬季生产.     

水稻叶片光合作用对开放式空气CO2浓度增高(FACE)的响应与适应

利用便携式光合气体分析系统(LI-6400),比较测定了高CO₂浓度(FACE,free-airCO₂enrichment)和普通空气CO₂浓度下生长的水稻叶片的净光合速率、水分利用率、表观量子效率和RuBP羧化效率等光合参数.在各自生长CO₂浓度(380vs580μmol·mol^-1)下测定时,高CO₂浓度(580μmol·mol^-1)下生长的水稻叶片的净光合速率、碳同化的表观量子效率和水分利用率明显高于普通空气(380μmol·mol^-1)下生长的水稻叶片.但是,随着FACE处理时间的延长,高CO₂浓度对净光合速率的促进作用逐渐减小.在相同CO₂浓度下测定时,FACE条件下生长的水稻叶片净光合速率和羧化效率明显比普通空气下生长的对照低.尽管高CO₂浓度下生长的水稻叶片的气孔导度明显低于普通空气中生长的水稻叶片,但两者胞间CO₂浓度差异不显著,因此高CO₂浓度下生长的水稻叶片光合下调似乎不是由气孔导度降低造成的.     

CO2浓度升高、增温和冬小麦种植对土壤酶活性的影响

研究农田土壤酶活性对CO₂浓度升高和增温的响应,可为气候变化背景下农田生态系统养分管理提供科学依据。本研究在人工模拟气候室进行盆栽控制试验,设置了4种气候情景,分别为对照(CK,CO₂浓度400 μmol·mol^-1+正常环境温度)、CO₂浓度升高(ECO₂,CO₂浓度800 μmol·mol^-1+正常环境温度)、增温(ET,CO₂浓度400 μmol·mol^-1+增温4 ℃)及CO₂浓度和温度均升高(ECO₂+T,CO₂浓度800 μmol·mol^-1+增温4 ℃),研究有、无冬小麦生长下β--葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰葡糖苷酶(NAG)、碱性磷酸单脂酶(ALP)和多酚氧化酶(PPO)4种土壤酶活性在冬小麦拔节期(JS)、开花期(AS)、灌浆期(FS)和成熟期(MS)对CO₂浓度升高和增温的响应。结果表明:无冬小麦生长下,ECO₂与CK间4种土壤酶活性差异不显著,而ET和ECO₂+T处理对4种土壤酶活性有显著抑制作用。有冬小麦生长条件下,与CK相比,ECO₂和ECO₂+T处理对4种土壤酶活性均无显著影响;ET处理对土壤ALP和PPO活性有显著影响;ECO₂+T与ET间4种土壤酶活性有显著差异,与ET相比,ECO₂+T处理的土壤βG活性在JS期显著增加,NAG活性在JS期显著降低,ALP活性在AS和FS期显著增加,PPO活性在JS期显著降低,而在AS期显著增加。CO₂浓度升高与增温的交互作用在有、无冬小麦生长下均对土壤NAG和ALP活性有显著影响;无冬小麦生长下,增温和试验时段的交互作用对4种土壤酶活性有显著影响,而在有冬小麦生长下,增温和生育期的交互作用仅对ALP和PPO活性有显著影响;CO₂浓度升高、增温与试验时段的交互作用在无冬小麦生长下对土壤βG、ALP和PPO活性有显著影响,而在有冬小麦生长下CO₂浓度升高、增温与生育期对土壤NAG、ALP和PPO活性有显著影响。冬小麦生长对土壤βG、NAG和ALP活性在前两个生育期(JS+AS期)表现为显著抑制作用,在后两个生育期(FS+MS期)表现为显著促进作用,对土壤PPO活性在全生育期均表现为显著抑制作用。总体上,CO₂浓度升高对冬小麦土壤酶活性的影响不显著,而CO₂浓度与温度均升高对冬小麦土壤酶活性的影响在不同生育期因土壤酶种类不同而不同;此外,有、无冬小麦条件下4种土壤酶活性对CO₂浓度升高与增温的交互作用响应程度不一。     

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.     

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.     

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.     

干旱、CO2和温度升高对春小麦光合、蒸发蒸腾及水分利用效率的影响

研究了干旱、CO₂浓度和温度升高对春小麦生育期、光合速率(P_n)、蒸发蒸腾(ET)及水分利用效率(WUE)的影响.结果表明,大气CO₂浓度升高(550、700μmol·mol^-1)虽可延长抽穗成熟期,但高温(日平均温度高于正常日平均温度约4.8℃)对生育期的影响远大于高CO₂影响,使得高CO₂、高温下抽穗成熟期缩短,且种子提前萌发;CO₂浓度升高和高温共同作用使各水分处理的小麦光合增强、气孔阻力增加、叶片水平的水分利用效率(WUEl)和群体水平的水分利用效率(WUE)增大,但对蒸腾速率影响不显著.对蒸发蒸腾的影响因不同的土壤水分而不同,在高(田间持水量的75%～85%)、中(田间持水量的55%～65%)水分条件下,高温和高CO₂使蒸发蒸腾增加,而在低水分条件(田间持水量的35%～45%)下,高温和高CO₂使蒸发蒸腾减少.