自由大气CO2浓度升高对夏大豆生长与产量的影响

IPCC报告指出到本世纪中期全球大气CO2浓度将比目前的浓度增加50%.CO2浓度升高将影响大豆的生长及产量.有关大气CO2浓度对大豆影响的研究大多在温室或开顶式气室中进行的,利用FACE (Free Air CO2 Enrichment)系统对大豆生长发育受CO2浓度升高影响的试验首次在中国进行,FACE圈中心的CO2浓度维持在(550±60)μmol·mol-1,对照浓度(389±40)μmol·mol-1.这是继美国SoyFACE之后世界第二个利用FACE系统对大豆生长发育进行的研究,研究表明:大气CO2浓度升高提高了两个大豆品种全生育期的叶、茎、荚重及地上部分总重,收获后地上部分总干重平均提高52.30%;大豆叶面积对CO2浓度升高的响应存在品种差异,中黄35促进叶面积增加而中黄13抑制叶面积的增加.CO2浓度升高使鼓粒期大豆比叶重增加,中黄35比叶重增加23.08%到达显著水平.CO2浓度升高使大豆节数、分枝数、茎粗提高,特别是茎粗收获期中黄35增加7 18%,中黄13增加26.33%,均到达显著或极显著水平;大气CO2浓度升高使两个品种产量平均增加30.93%,产量的增加主要是由于CO2浓度升高提高了大豆单株荚数和百粒重.大气CO2浓度升高对大豆各器官占地上部分重量的比例影响不明显,对大豆收获指数的影响未达显著水平.大气CO2浓度升高对大豆的影响品种差异明显.结论与美国SoyFACE的研究结果基本一致,如FACE系统下大豆生物量、产量都较对照增高,但变化幅度较SoyFACE的结果高.     

CO_2和温度升高及干旱对小麦叶片化学成分的影响

研究了 CO2 浓度升高、高温和干旱对干旱区小麦叶片化学成分的影响 ,结果表明 :CO2 浓度升高时各化学成分之间的差异只有在 40 %田间持水量时才表现显著 ,说明未来 CO2 浓度升高对干旱区小麦化学成分的影响可能大于在非干旱区的影响 ;CO2 浓度升高可减小因为土壤水分不同而造成的小麦化学成分之间的差异 ;高温对小麦化学成分的主要影响是引起 N含量的显著降低 ;CO2 浓度升高、高温和干旱三因子对干旱区小麦化学成分的复合影响是 N含量下降和 C/ N的显著上升 ,这可能对未来农田生态系统的分解速率产生影响     

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·mo1-1,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.     

模拟大气CO2浓度升高对虎耳草生理特性和药用品质的影响

探究大气CO2浓度升高对虎耳草(Saxifraga stolonifera Curt)生长及药用成分含量的影响, 以期为未来大气CO2浓度升高环境下虎耳草的优质栽培及药物配伍使用提供理论依据。以一年生虎耳草为试验材料, 设置目前大气CO2浓度(400±10) μmol·mol-1和升高CO2浓度(800±10) μmol·mol-1 2个处理, 对比分析不同CO2浓度条件下, 虎耳草生长、生物量、叶绿素含量、酶活性、渗透调节能力、N、P、K含量及药用成分含量变化。结果表明: 升高CO2浓度使虎耳草生长和药用品质发生显著变化。相比对照CO2浓度, 升高CO2显著提高虎耳草的株高、根长、叶片数、叶柄长和叶厚, 并且根、茎、叶和总生物量显著增加, 较对照分别增加9.86%、69.65%、14.26%和23.46%。升高CO2浓度处理后, 虎耳草的叶绿素含量显著增加, 较对照增加2.17%。相比对照CO2, 升高CO2处理使MDA含量显著下降, 较对照下降3.25%, 而可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量及SOD均显著升高。CO2浓度升高对虎耳草叶片K含量无显著影响, N和P含量显著下降, 较对照分别下降11.44%和18.65%。另外, CO2浓度升高使虎耳草中没食子酸和岩白菜素含量及生物产量显著增加, 使得虎耳草的药用品质显著提高。综上, 未来大气CO2浓度升高后, 虎耳草的形态指标和生物量积累将显著增加, 药用成分积累提高, 使得虎耳草的药用价值和经济价值升高。     

冬小麦旺盛生长期间CO2浓度升高对根际呼吸的影响

依托FACE（free air carbon dioxide enrichment）技术平台,利用阻断根法,采用H6400红外气体分析仪（IRGA）-田间原位测定的方法,研究了大气CO2浓度升高和不同氮肥水平对水稻／小麦轮作制中冬小麦旺盛生长期间根际呼吸的影响。结果表明,在整个测定期间,大气CO2浓度升高增强了根际呼吸速率,提高了根际呼吸排放量。在高N和低N处理中,高CO2浓度下的根际呼吸总排放量分别比Ambient极显著增加117．0％和90．8％。根际呼吸速率在孕穗初期达到最大值;使根际呼吸在土壤呼吸中的比重由24．5％（LN）～26．7（HN）提高到39．8％（LN）～47．1％（HN）。CO2浓度升高与氮肥用量对根际呼吸产生交互效应。表明大气CO2浓度升高将加快土壤向大气的CO2排放,结果将有助于评价未来高CO2浓度背景下农田生态系统土壤碳的固定潜力。     

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.     

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(Pn)-胞间CO2浓度(C1)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(Fv/Fm)、PSⅡ反应中心最大量子产额(Fv'/Fm')、PSⅡ反应中心的开放比例(qr)和PSⅡ反应中心实际光化学效率(φPSⅡ)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(JF)无明显增加;不施氮处理的Fv'/Fm'、φPSⅡ和NPQ在高大气CO2浓度下显著降低,尽管Fv/Fm和qp无明显变化,JF仍显著下降.施氮后小麦叶片JF增加,参与光化学反应的非环式电子流传递速率(Jc)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/Jc)和Rubisco氧化/羧化比(V0/Vc)降低,但使Jc和Rubisco羧化速率(Vc)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,Pn显著升高.     

大气CO2浓度升高对稻季土壤中麦秸降解及氮素分趋的影响

利用中国唯一的稻麦轮作FACE(free-air carbon dioxide enrichment,开放式空气CO2浓度增高)试验平台,研究大气CO2浓度升高对稻季土壤中小麦秸秆降解速率及其氮素分趋的影响.试验设置Ambient(目前空气对照)和FACE(Ambient+200 μmol·mol-1)两个CO2浓度以及低氮处理(LN,150 kg·hm-2)和高氮处理(HN,250 kg·hm-2)两个氮肥水平,在稻季之初按标记麦秸/土壤重量比0.3%添加15N标记小麦秸秆,根据水稻生长时期依次采样测定秸秆降解速率,并通过分析土壤全氮、植株全氮及其15N丰度来观察已降解秸秆的氮素分趋情况.结果发现,大气CO2浓度升高对高氮处理土壤中小麦秸秆降解速率没有显著影响,但显著促进了低氮处理土壤中小麦秸秆的降解(p < 0.05),使其提高到与高氮处理土壤相当水平;大气CO2浓度升高显著增加了已降解秸秆中氮素的流失,在高氮处理土壤中尤为严重,而对植物吸收已降解秸秆中的氮素没有显著影响.结果表明,大气CO2浓度升高在土壤氮素相对不足时会加速土壤中小麦秸秆的降解,而在土壤氮素相对充足时又会加大降解秸秆中氮素的流失.     

大气CO2浓度升高对稻麦根系周围土壤C、P、K的影响

利用FACE(free air carbon dioxide enrichment)技术平台,在两种氮肥施用(低氮,LN和常规氮,NN)水平下,研究CO2浓度升高对水稻和小麦收获后根际和非根际土壤可溶性碳、有机磷、速效磷和速效钾的影响.结果表明,相对于对照CO2浓度处理,高CO2浓度处理在显著增加作物生物量的前提下,土壤速效磷和速效钾不但没有降低反而增加,增加幅度小麦季大于水稻季,根际大于非根际;水稻季土壤可溶性碳含量增加,且NN水平下水稻和小麦季进入土壤的可溶性碳增加,导致土壤有机磷降低幅度低于LN水平,且水稻季根际土壤大于非根际土壤,有机磷的降低是保证有效磷升高的一个重要因素,增加氮肥施用将有利于土壤有机磷的增加,对维持土壤磷的供给有积极作用,有利于作物对高CO2浓度的持续响应.     

CO_2浓度升高对转Bt水稻生理指标的影响

通过OTC试验研究了生长60和120 d的转Bt水稻克螟稻及其对照亲本秀水11在2种CO2浓度(375、750μL·L-1)处理下的生理变化。结果表明:叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、可溶性蛋白含量以及谷氨酰胺合成酶活力等均随水稻生长而显著提高,游离氨基酸含量随水稻生长而显著下降,叶绿素a/b值在高CO2浓度下显著增加;CO2浓度升高会引起水稻组织含水量、叶绿素a和c含量显著降低,叶绿素b含量呈先增加后降低的趋势;同时,可溶性蛋白含量显著下降,游离氨基酸含量显著增加,谷氨酰胺合成酶活性初期变化不显著、后期显著降低;转Bt水稻及其对照亲本之间可溶性蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活力差异显著,但叶绿素和游离氨基酸含量差异不显著;与亲本相比,不同CO2浓度处理下克螟稻的谷氨酰胺合成酶活力显著降低。     

覆盖栽培中的二氧化碳施肥

光合作用是指作物利用太阳能将自然界中存在的二氧化碳（CO2）和水等无机物转化形成各种有机物质，这是作物生长发育而使人们有所收获的基础。光合作用的重要原料CO2在空气中浓度很低，仅有0．030％～0．040％，它常常限制许多植物的光合作用速率，影响作物产量。很多试验观察到，当大气中Co。浓度增加一两倍时，光合作用及作物产量可大幅度增加。用标记CO2喂给灌浆期水稻或小麦叶子，可以看到水稻小麦籽粒灌浆过程中大部分有机物是同化当时吸收的CO2形成的，因此在小麦或水稻抽穗开花期间增加田间CO2浓度可获得显著增产。棉田中增施C…     

不同CO2浓度和N肥水平对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物含量与积累的影响

为了解CO2浓度升高和N肥水平对水稻茎鞘内非结构性碳水化合物(NSC)含量和积累量的影响,利用开顶式气室(OTC),以常规粳稻"南粳9108"为试验材料,设置3个CO2浓度水平:对照T0(背景大气)、T0+120μmol·mol-1(T1)和T0+200μmol·mol-1(T2)。在OTC内采用盆栽方式,设置3个氮(N)肥水平:10 g N·m^-2(N1)、20 g N·m^-2(N2)和30g N·m^-2(N3)。分别于水稻抽穗期、灌浆期(抽穗后20 d)和成熟期对地上部分各器官生物量、茎鞘NSC含量以及顶部四张叶片的N含量进行分析。结果表明:CO2浓度升高对抽穗期叶N含量总体无显著影响,但显著降低灌浆期N2和N3水平的叶N含量;CO2浓度升高对抽穗期茎鞘NSC含量和积累量无显著影响,抽穗期置换到高CO2浓度环境使灌浆期茎鞘NSC积累显著增加,置换到低CO2浓度环境使NSC积累显著减少。同一CO2浓度条件下,NSC含量和积累量均为N1>N2>N3,且N1处理均显著高于N3处理,CO2浓度升高和N水平的交互作用对灌浆期茎鞘NSC含量影响显著。水稻产量在不同CO2浓度水平间无显著差异,但随施氮水平的提高而增加。抽穗期与灌浆期水稻茎鞘NSC含量和积累量与茎鞘干重呈极显著正相关,与叶N含量呈极显著负相关;叶N衰减越慢,灌浆期水稻茎鞘NSC残留比(RNSC)越低;结实率和产量与RNSC呈显著负相关,RNSC越大,茎鞘NSC转移的越少,结实率和产量越低。     

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200μmol·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NH+4-N和NO-3-N浓度的影响.结果表明:高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH+4-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NO-3-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.     

CO2倍增对不同氮水平下小麦幼苗根系及叶片NR活性的影响

以小麦品种'小偃22'幼苗为材料,采用开顶式气室和水培实验研究了不同供氮水平(2.5、5.0、10.0和 15.0 mmol·L-1)下小麦幼苗植株生长量、根系形态、有机碳分泌速率和硝酸还原酶(NR)活性对大气CO2浓度升高的响应.结果显示,大气CO2浓度倍增均增加了小麦幼苗各生长阶段根冠生物量以及根系长度、面积、有机碳分泌速率和叶片NR活性.随供氮水平的提高,各生长阶段幼苗根冠生物量、根长和面积以及叶片NR活性呈上升趋势,而有机碳分泌速率呈下降趋势;根冠比变化不同阶段表现不一致,一叶一心期呈下降趋势,二叶一心期和三叶一心期分别以15.0和10.0 mmol·L-1氮水平较高.研究表明,大气CO2浓度升高可促进小麦幼苗根系生长和有机碳分泌速率,提高其氮素同化能力;增加介质供氮有利于高CO2浓度条件下小麦幼苗根冠生长和氮素同化,提高根冠比,减少根系有机碳过度分泌引起的碳损耗.     

民用塑料释放的HCl对田间大豆光合作用和生长的影响

民用塑料纱网在高温和强光照射下会分解释放出有害的HCl气体,本研究以大豆为材料,在田间研究了HCl气体对大豆生长和光合作用的影响。研究表明,同酸雨、酸雾以及SO2等伤害作用一样,HCl气体可使大豆光合色素含量下降,净光合作用（Pn)降低,胞间CO2浓度（Ci)升高,气孔导度（Gs)和蒸腾作用（E）强度下降,导致田间大豆生长减慢,株高、生物量明显减小。     

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 (Pn)、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 (5 5 0、70 0 μmol·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 5 5 %～6 5 % )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 %～ 4 5 % )下 ,高温和高CO2 使蒸发蒸腾减少     

水稻生长及其体内C、N、P组成对开放式空气CO2浓度增高和N、P施肥的响应

采用FACE（Free Air Carbon-dioxide Enrichment)技术,研究了不同N、P施肥水平下,水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期根、茎、穗生长,C/N比、N、P含量及N、P吸收对大气CO2浓度升高的响应,结果表明,高CO2促进水稻茎、穗和根的生长,增加分蘖期叶干重,对拔节期、抽穗期的成熟期叶干重没有显著增加,降低茎、叶N含量;增加抽穗期穗N含量;降低成熟期穗N含量;对分蘖期根N含量影响不显著,而降低拔节期,抽穗期和成熟期根N含量,增加拔节期、抽穗期和成熟期叶P含量,对茎、穗、根P含量影响不显著,水稻各组织C含量变化不显著,C/N比增加,显著增加水稻地上部分P吸收;增加N吸收,但没有统计显著性,N、P施用对水稻各组织生物量没有显著影响,高N（HN）比低N（LN）增加组织中N含量,而不同P肥水平间未表现出明显差异,高N条件下高CO2增加水稻成熟期地下部分/地上部分比,文中还讨论了高CO2对N、P含量及地下部分/地上部分比的影响机制。     

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.     

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.     

CO_2倍增和转Bt水稻对二化螟幼虫的生理影响

通过开顶式气室研究了CO2浓度倍增(750vs.375μL/L)对取食转Bt水稻及其对照亲本秀水11的二化螟Chilo suppressalis(Walker)幼虫体内代谢酶乙酰胆碱酯酶(AChE)和保护酶(超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD和过氧化氢酶CAT)活力的影响,以期明确该类害虫对大气CO2浓度升高及转Bt水稻的生理响应。研究结果表明:(1)AChE受CO2浓度水平影响显著,与对照CO2处理相比,高CO2条件下该酶活力显著降低;(2)高CO2水平及水稻中Bt毒素蛋白的存在均会导致二化螟幼虫体内POD活力显著降低,SOD初期活力显著升高,但不能维持较长时间,CAT活力表现为先升后降的特点;(3)当受到水稻品种、CO2浓度水平和取食时间的综合影响时,以上代谢酶和保护酶活力会发生显著变化。短时间内二化螟幼虫可通过体内以上生理代谢调节减缓受CO2浓度升高和水稻中Bt毒素蛋白的不利影响,但长时间环境胁迫下这种应对不利环境的响应机制将会失去作用,最终导致种群适合度的降低。