开放式空气CO2浓度升高与作物/杂草的竞争关系

CO2浓度升高对植物的光合作用、呼吸作用和水分利用等生理过程产生直接影响,进而影响植物的生长繁殖,CO2浓度升高对于具有C3光合途径的植物较具C4光合途径的植物更为有益,由于许多重要的杂草是C4植物,而许多重要的作用是C3植物,CO2浓度升高对杂草/作物的相互关系将有重要影响,本文就全球CO2浓度升高和气候变化对杂草/作物之间竞争关系影响进行综述,同时针对目前研究现状和可持续农业的需要,提出CO2学浓度升高条件下杂草/作物之间竞争关系及未来农田杂草治理方面理论与实践中有待解决的问题。     

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,叶片数增加,分蘖数增加,叶面积系数(LAI)增大;而C₄植物稗草相反.FACE条件下水稻和稗草叶面积均减少,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.     

C3和C4植物光合途径的适应性变化和进化

高等植物大多为C₃植物, C₄植物和景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism, CAM)植物是由C₃植物进化而来的。C₄途径的多源进化表明, 光合途径由C₃途径向C₄途径的转变相对简单。该文分析研究了植物光合途径的进化前景, 指出C₄植物是从C₃植物进化而来的高光效种类, 且地质时期以来降低的大气CO₂浓度和升高的大气温度以及干旱和盐渍化是C₄途径进化的外部动力。C₃植物的C₄途径的发现说明植物的光合途径并非是一成不变的, C₃和C₄植物的光合特征具有极大的可塑性, 某些环境的变化会引起植物光合途径在C₃和C₄途径之间转变。C₃植物具有的C₄途径是环境调控的产物, 是对逆境的适应性进化结果, 因而光合途径的转变也适用于干旱地区植被的适应性生存机理研究。该文还利用国外最新的C₄光合进化模型介绍了植物在进化C₄途径中所经历的7个重要时期(从分子基础到形态基础、结构基础, 再到物质代谢水平、光合酶活水平, 直到C₃和C₄途径协调运转时期, 最后达到形态与功能最优化阶段), 并结合全球气候变化的特点对国内外相关领域的研究进行了分析, 总结了植物光合途径的适应性转变和进化的研究成果, 为今后的相关工作提出建议。     

CO2浓度倍增对8种作物叶片光合作用、蒸腾作用和水分利用效率的影响

揭示作物光合作用、蒸腾作用和水分利用效率(WUE)对大气CO₂浓度变化的响应, 对预测未来大气CO₂浓度升高条件下作物生产力与需水规律的变化具有重要意义。在自然CO₂浓度、CO₂倍增和倍增后恢复到自然CO₂浓度3种情况下, 对大豆(Glycine max)、甘薯(Ipomoea batatas)、花生(Arachis hypogaea)、水稻(Oryza sativa)、棉花(Gossypium hirsutum)、玉米(Zea mays)、高粱(Sorghum vulgare)和谷子(Setaria italica) 8种作物的气体交换参数进行了研究。结果表明: CO₂浓度倍增可以提高光合速率, 降低蒸腾速率, 从而提高WUE, 其中光合速率提高的贡献更大; C₃比C₄作物的光合速率、WUE增幅大, C₃作物光合速率提高对WUE的贡献大于C₄作物; 通过对比倍增后恢复到自然CO₂浓度时气体交换参数随环境条件变化的响应确定了其内在调控机制; 倍增后恢复到自然CO₂浓度时作物光合速率低于自然CO₂浓度下的光合速率, 而蒸腾速率无明显差异。由此判断: CO₂浓度倍增下存在光合下调现象, 这可能是由于Rubisco酶蛋白含量、活化水平和比活性降低等“非气孔因素”造成的, 并非由气孔导度的降低引起的。     

C3和C4植物的氮素利用机制

提高植物的氮素利用效率(NUE)不仅有利于保障全球粮食安全, 也是实现农业可持续发展的重要途径。近半个世纪以来, 植物氮素利用机理研究已取得重要进展, 但NUE的调控机制仍不明确, NUE的提高仍然十分有限。高等植物集光合碳素同化和氮素同化于一体, 只有碳氮代谢相互协调, 才能维持植物体内的碳氮平衡, 保证植物正常生长发育。由于C₃和C₄植物的光合氮素利用率(PNUE)存在差异, 对氮素的利用效率也会存在差异。为了更有效地提高作物的NUE, 须更全面地了解C₃和C₄植物对氮素吸收、转运、同化和信号转导等关键因子的功能和调控机制。此外, 面对大气CO₂浓度增高和全球气候变暖条件下的植物碳氮同化及其机理的研究也不容忽视。该文综述了C₃和C₄植物氮素利用关键因素的差异及其调控机制, 并对提高C₃禾本科作物氮素利用效率的遗传改良途径进行了展望。     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

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 sativa L.),C₄禾本科类高粱(Sorghum bicolor(L.)Mench),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类木本作物棉花(Gossypium hirsutumL.)和葡萄(Vitis viniferaL.).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足时二者相当或前者大于后者;(5)对非豆科植物生长的促进作用要受到土壤低N水平限制,而对豆科植物则不受氮肥水平限制;(6)对根系生长的促进作用要大于地上部分;(7)对多年     

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.     

干旱高温及高浓度CO2复合胁迫对冬小麦生长的影响

研究了不同CO₂浓度、不同温度和水分条件及其组合对冬小麦产量、光合及水分的影响,以阐明气候变化对冬小麦的影响.结果表明: CO₂浓度升高对冬小麦光合速率没有影响,而升温和干旱均使光合速率显著下降.升高CO₂浓度与温度对冬小麦旗叶水分条件没有影响,干旱胁迫下旗叶相对含水量显著降低,而升温与干旱同时发生可降低旗叶水势.气温、CO₂浓度升高以及干旱胁迫共同作用下,冬小麦光合速率和旗叶水分条件显著降低,产量下降41.4%.CO₂浓度升高使冬小麦增产21.2%,温度升高使产量降低12.3%,CO₂浓度和温度同时升高对产量没有影响,干旱胁迫下产量下降程度更大.未来气候变化情景下,保持较高的土壤水分含量是减少气候变暖危害的重要手段.
     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

日光温室CO2浓度变化规律研究

研究了日光温室内CO₂浓度的时空变化规律.结果表明,日光温室CO₂浓度日变化曲线通常呈不规则“U”形,有时呈不规则“W”形.冬春栽培过程中日最高CO₂浓度逐渐减小,日最低浓度和昼平均浓度先降后升,CO₂亏缺时间逐渐延长.温室内CO₂空间分布特点通常是早晨和傍晚为前部>中部>后部,近地面层>作物冠层>顶层;中午前后为前部<中部<后部,近地面层>顶层>作物冠层.影响日光温室CO₂浓度变化的主要环境因素是光照度,通风不能阻止温室内高浓度CO₂外逸和避免CO₂亏缺.幼苗期群体光合较弱、土壤呼吸旺盛,温室CO₂浓度较高;结果期群体光合旺盛、土壤呼吸衰竭,CO₂亏缺严重.     

Construction of CO2-response model of electron transport rate in C4 crop and its application

准确估算光合电子流对CO₂响应的变化趋势对深入了解光合过程具有重要意义。该研究在植物光合作用对CO₂响应新模型(模型I)的基础上构建了电子传递速率(J)对CO₂的响应模型(模型II), 并对用LI-6400-40便携式光合仪测量的玉米(Zea mays)和千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)的数据进行了拟合。结果表明, 模型II可以很好地拟合玉米和千穗谷叶片J对CO₂浓度的响应曲线(J-C_a曲线), 得到玉米和千穗谷的最大电子传递速率分别为262.41和393.07 mmol·m ^-2·s ^-1, 与估算值相符合。在此基础上, 对光合电子流分配到其他路径进行了探讨。结果显示, 380 mmol·mol ^-1 CO₂浓度下玉米和千穗谷碳同化所需的电子流为247.92和285.16 mmol·m ^-2·s ^-1, 分配到其他途径的光合电子流为14.49和107.91 mmol·m ^-2·s ^-1(考虑植物CO₂的回收利用)。比较两种植物的其他途径光合电子流分配值发现, 两者相差6倍之多。分析认为这与千穗谷和玉米的催化脱羧反应酶种类以及脱羧反应发生的部位不同密切相关。该发现为人们研究C₄植物中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸苹果酸酶型和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸苹果酸酶型两种亚型之间的差异提供了一个新的视角。此外, 构建的电子传递速率对CO₂的响应模型为人们研究C₄植物的光合电子流的变化规律提供了一个可供选择的数学工具。     

大气CO2浓度升高对植物、植食性昆虫及其天敌的影响研究进展

自世界工业革命以来,化石燃料的大量使用以及人类对自然环境的过度破坏,致使大气CO₂浓度不断升高.研究大气CO₂浓度升高介导的农业生态系统内植物、植食性昆虫及其天敌的适应机制,对于阐明气候变化下农业害虫爆发危害规律,指导防控与减排具有重要意义.本文综述了大气CO₂浓度升高对农业生态系统中植物、植食性昆虫及天敌的影响,主要包括：1)相关研究方法的改进;2)大气CO₂浓度升高介导的寄主植物营养和次生代谢物质的变化;3)大气CO₂浓度升高对以植物为食的昆虫的个体生长发育、种群数量、行为的影响;4)天敌昆虫的生物学及捕食量与寄生率变化.最后对今后的研究方向进行了展望.     

植物高光效基因工程育种

C₄植物所具有的C₄光合途径赋予其较高的光合作用效率,而一些主要的农作物如水稻、小麦、大豆等均为C₃作物,光合效率低下。随着生物技术的发展,通过基因工程手段利用C₄光合特性来改善C₃植物的光合效率进而提高其生物产量逐渐成为植物高光效育种的一个研究热点。综述了目前这一领域的研究进展及存在问题,预测了这一领域的发展前景。     

大气CO2浓度升高对八宝景天生长及光合生理的影响

利用开顶式气室(OTC)系统,设正常大气CO₂浓度和CO₂浓度升高200 μmol·mol^-12个CO₂浓度处理,模拟大气CO₂浓度升高对八宝景天光合生理和生长发育的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高使八宝景天叶片上、下表皮气孔密度分别显著下降16.1%和16.7%,使叶片维管束增粗,导管增多,靠近上表皮细胞增大;CO₂浓度升高可以显著增加傍晚时八宝景天叶片光合色素含量,使夜间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著增加.初花期傍晚,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著下降64.0%,纤维素含量显著增加20.8%.盛花期清晨,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著增加27.0%,对糖类物质含量影响不显著,植株的分枝数、单株茎质量和单株总生物量显著增加.CO₂浓度升高可以促进八宝景天光合作用,有利于植株生长.     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.     

不同光合类型牧草对干旱-复水的光合生理响应及生长适应策略

基于干旱频率增加、强度增大这一全球降水变化背景, 探究干旱-复水条件下不同功能群(C₃和C₄)植物的光合生理响应及生长适应策略有助于预测降水格局变化条件下草地的植被组成和生态系统功能。该研究采用盆栽实验, 以松嫩草地生长的一年生C₃ (4种)和C₄ (3种)牧草为实验材料, 设置了对照、中度干旱和重度干旱3个水分处理水平, 在干旱末期及复水期对植物进行气体交换、生物量和比叶质量的测量。在干旱条件下, 各物种净光合速率和气孔导度均呈下降趋势, 水分利用效率呈上升趋势。干旱对不同植物光合指标的影响存在功能群差异, 随干旱程度的增加C₄植物逐渐丧失光合优势, 重度干旱对C₄植物净光合速率的影响较C₃植物更加明显。由于干旱条件下C₃植物光合固碳主要受气孔限制而C₄植物主要受代谢限制, 因此复水后C₄植物净光合速率恢复速度较C₃植物慢。干旱条件下, 各物种的生物量降低, 根冠比和比叶质量升高, 干旱对C₃植物各生长指标的影响均大于C₄植物; 复水处理后, C₃植物生物量随干旱强度增加呈下降趋势, 而C₄植物的生物量与对照相比无显著差异。     

干旱高温及高浓度CO2复合胁迫对冬小麦生长的影响

研究了不同CO₂浓度、不同温度和水分条件及其组合对冬小麦产量、光合及水分的影响,以阐明气候变化对冬小麦的影响.结果表明: CO₂浓度升高对冬小麦光合速率没有影响,而升温和干旱均使光合速率显著下降.升高CO₂浓度与温度对冬小麦旗叶水分条件没有影响,干旱胁迫下旗叶相对含水量显著降低,而升温与干旱同时发生可降低旗叶水势.气温、CO₂浓度升高以及干旱胁迫共同作用下,冬小麦光合速率和旗叶水分条件显著降低,产量下降41.4%.CO₂浓度升高使冬小麦增产21.2%,温度升高使产量降低12.3%,CO₂浓度和温度同时升高对产量没有影响,干旱胁迫下产量下降程度更大.未来气候变化情景下,保持较高的土壤水分含量是减少气候变暖危害的重要手段.
     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.