不同天气水稻光合日变化对大气CO2浓度和温度升高的响应——FACE研究

人类活动导致大气二氧化碳浓度(CO_2)升高、全球气候变暖和光合有效辐射(PAR)降低,影响着绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度、高温和低PAR对水稻光合日变化特征的影响,利用中国稻田开放空气CO_2浓度升高系统(free air CO_2enrichment,FACE),以常规粳稻南粳9108为试验材料,设置了环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)、环境温度和增高温度(增1—2℃)交互的4个处理,从9:00到17:00每隔1h测定了阴天和晴天水稻的光合作用,研究了不同天气对水稻光合日变化对大气CO_2浓度和温度升高的响应。观察到不同天气条件下水稻光合日变化的不同特征,晴天Pn为双峰曲线,发生了光合"午休",阴天未发生。结果表明,高CO_2浓度显著提高了水稻Pn,温度升高有降低水稻Pn趋势,CO_2浓度增加200μmol/mol对水稻光合作用的促进效应远大于增温1—2℃对其的抑制效应。高CO_2浓度显著增加了水稻胞间CO_2浓度(Ci),降低了水稻蒸腾速率(Tr),平均降幅为10.8%—22.0%。高温有降低Ci的趋势,增加了Tr,平均增幅达5.0%—13.5%。晴天比阴天增加了水稻Tr,平均增幅为9.8%—31.2%。CO_2浓度和温度同时升高显著降低了水稻气孔导度(Gs)。这些结果说明CO_2浓度、温度和PAR对水稻水分利用率(WUE)产生综合影响。阴天PAR比晴天平均低53.3%,阴天水稻Pn比晴天显著低,平均降幅达37.1%—72.0%。与对照比较,高CO_2浓度处理,较高PAR(晴天)条件下水稻Pn的增幅(38.6%—58.4%)显著大于较低PAR(阴天)条件下水稻Pn的增幅(21.6%—38.8%),这一现象值得关注和深入探讨。研究结果表明,评估气候变化对水稻生产的影响,需同时考虑未来大气CO_2浓度和温度升高以及PAR下降的因素及其相互作用。     

大气二氧化碳浓度升高对植物的影响

现代人类的活动,特别是矿场燃料的大量使用和植被的破坏,导致大气CO2浓度持续上升。该文阐述了CO2浓度升高对植物的形态、生理、产量和品质,种群消长,群落组成,生态系统结构与功能的影响。     

大气二氧化碳浓度升高对植物-昆虫相互关系的影响

综述了CO2浓度升高对植物与昆虫相互关系影响的研究结果。大量研究表明,高浓度CO2对植物生理生化活动有显著的影响,植物营养物质的变化对植食性昆虫亦产生不同程度的影响,高浓度CO2条件对咀嚼式口器昆虫的取食、生长发育和生殖有不同程度的不良影响,昆虫为了获得足够的氮素营养而增加取食强度和时间,从而更易于受到天敌的攻击,这些昆虫的生长率、繁殖和生存率有下降的趋势;而对刺吸韧皮部汁液的昆虫来说,多引起种群数量增加或无显著影响。并对研究中存在的问题进行了分析,提出了今后研究的方向。     

红豆草与土壤氮含量对大气二氧化碳浓度升高的响应

在封闭的植物培养箱中,通过盆栽实验,研究了红豆草和土壤氮含量对CO₂浓度增加的响应.结果表明,与正常CO₂浓度(355～370 μmol·mol^-1)相比,CO₂浓度升高(700 μmol·mol^-1),植物生物量增加25.1%(P＜0.01),但植物体氮浓度降低25.3%(P＜0.001),植物全氮没有显著的变化.经3个月盆栽实验后,与原始土壤相比,两种CO₂浓度处理土壤全N、NO₃^--N和NH₄⁺-N都有所降低,而土壤微生物氮则显著增加,这可能与植物生长有关.不同CO₂浓度处理土壤NH₄⁺-N浓度基本一致,但在高CO₂浓度下,土壤NO₃^--N浓度显著降低,而微生物生物氮显著增加.对整个土壤-植物系统而言,盆栽实验后,整个系统全氮有少量增加,但变化不显著,特别是在高CO₂浓度条件下,土壤-植物系统全氮最大,这可能与培养材料红豆草为豆科植物,而且在高CO₂浓度下生物量增加,导致氮的固定量增加有关.     

全球大气二氧化碳浓度升高对植物的影响

全球大气二氧化碳浓度升高对植物的影响蒋高明（中国科学院植物研究所,北京１０００４４）ＴＨＥＩＭＰＡＣＴＯＦＧＬＯＢＡＬＩＮＣＲＥＡＳＩＮＧＯＦＣＯ＿２ＯＮＰＬＡＮＴＳＪｉａｉｎｇＧａｏ－ｍｉｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｏｔａｎｙ,Ａｃａｄｅｍｉａ,...     

荒漠生态系统对大气CO2浓度升高响应的干湿年差异

利用一个基于详细生理学过程的生态系统模型PALS-FT,通过模拟实验分析了美国亚利桑那州(Arizona)首府凤凰城(Phoenix)市西郊的Larreatridentata荒漠生态系统在干湿年份(1988-2002年)对大气CO2浓度升高响应的差别。结果表明,生态系统地上净初级生产力(ANPP)和土壤有机质年累积速率(SOM)均随大气CO2浓度升高而呈非线性(湿年)或线性(正常年和干年)增加;所有年份的土壤N含量(Nsoil)则呈非线性显著下降。ANPP与SOM的绝对变化量总是湿年大于正常年和干年,相对变化量则与所分析的CO2处理水平有关;Nsoil的绝对变化量和相对变化量均为湿年大于正常年和干年。不同功能型的植物ANPP对大气CO2浓度升高的绝对变化量均为湿年大于正常年和干年;相对变化量则因具体植物功能型而异,灌木和亚灌木为干年大于正常年和湿年,一年生C3和C4草本均为湿年大于正常年和干年。因此,无论是生态系统水平还是植物功能型(或物种)水平,荒漠生态系统对未来大气CO2浓度升高的响应都将受降水格局的显著影响。     

大气二氧化碳浓度升高对银杏叶片内源激素的影响

采用开顶箱系统,研究了银杏叶片内源激素脱落酸(ABA)、吲哚乙酸(IAA)、玉米素核苷(ZR)和赤霉素(GA₃)对大气CO₂浓度升高(环境CO₂浓度+350 μmol·mol^-1,EC)的响应.结果表明,EC处理能使ABA含量降低,与对照(CK)相比, ABA含量最大降低63.0%(处理后120 d).EC处理使叶片IAA和ZR含量增加,而且随着处理时间的延长,差异均达显著水平;IAA含量在处理后100 d为CK的2倍,ZR含量在处理后80 d时为CK的2.5倍.EC处理使叶片GA₃峰值提前出现. (IAA+GA₃+ZR)/ABA比值随着银杏的生长逐渐降低,在处理后期(处理后40～120 d)明显高于CK,表明大气CO₂浓度升高可促进银杏的生长发育.     

大气二氧化碳浓度升高对光合作用的影响（上）

随着工农业生产的发展和人口的迅速增长,人类对能源和木材等的需求量剧增,这便导致化石燃料（煤、石油和天然气等）的大量消耗和森林的不断砍伐。因此,大气中的ＣＯ２浓度正在持续不断地增加,从工业革命前的２７０μｍｏｌ·ｍｏｌ-１（ｐｐｍ）已上升到了目前的３５０μ?..     

川西亚高山红桦幼苗土壤蔗糖酶活性对温度和大气二氧化碳浓度升高的响应

研究了不同月份、不同密度下川西亚高山丘桦（Betula　albo—sinensis）幼苗土壤蔗糖酶活性对温度升高（ET）、大气CO2浓度升高（EC）及其复合作用（ETC）的响应．结果表明：ET处理下,各月份土壤蔗糖酶活性均表现出不同程度的提高,其中5、6、9和10月份达到显著水平（P〈0．05）;EC处理下,各月份土壤蔗糖酶活性均显著提高,各月份土壤蔗糖酶活性表现为高密度根际土壤（HR）〉低密度根际土壤（LR）〉高密度非根际土壤（HN）〉低密度非根际土壤（LN）;不同月份的土壤蔗糖酶活性对ETC和遮荫（CS）处理的响应不同,其响应动态与季节变化、植物密度以及蔗糖酶在土壤中的位置密切相关．     

二氧化碳浓度升高对陆地生态系统的影响:问题与展望

理解生态系统对过去、现在和未来CO_2浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO_2浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响,碳氮周转,生态系统渐进式氮限制(PNL)形成,与其他胁迫因子(O_3污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展,但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO_2浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点,回顾了CO_2浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展,重点论述了CO_2浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足,在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

大气中二氧化碳浓度升高对光合作用的影响(下)

ＣＯ２浓度加倍对光合色素含量的影响ＣＯ２浓度加倍有利于植物叶片单位鲜重或单位叶面积的叶绿素和类胡萝卜素含量的提高。叶绿素含量的提高,显然有助于植物捕获更多光能供光合作用所利用。因为在ＣＯ２浓度加倍条件下,植物要充分利用环境资源,增加对ＣＯ２的同化,需要通过增加叶片叶绿素的含量,或扩大叶面积来提高对光能的捕获能力,以满足碳同化时能量的需求。此外,ＣＯ２浓度加倍;能降低叶绿素ａ／ｂ比值,说明它更有利形成叶绿素ｂ。以含等量叶绿素的叶绿体所作的实验表明,来自生长在ＣＯ２浓度加倍条件下的植物叶绿体,对光能…     

植物暗呼吸作用对大气CO2浓度升高的响应

植物暗呼吸作用对ＣＯ２浓度升高的响应目前存在两种截然相反的观点：一种认为暗呼吸作用将随着ＣＯ２浓度的升高而下降,可能的原因有胞间ＣＯ２浓度升高、呼吸酶活性改变及暗固定ＣＯ２作用的加强等直接原因;另一种认为暗呼吸作用将随ＣＯ２浓度的升高而提高,影响因素可归结为碳水化合物含量增加、高ＣＯ２浓度刺激其他呼吸途径和生长加快等间接原因。由于目前国际上在实验手段、材料及呼吸作用表达方式等方面的不一致性,这些观点尚难定论,需要更多的实验数据来进一步验证。     

用于研究大气二氧化碳浓度升高对农田有害生物影响的田间试验装置--改良的开顶式气室

开顶式气室可精准控制大气CO2(或其它气体成分)的浓度,使之稳定在一个特定的水平,为研究未来大气CO2浓度升高(或其它气体成分变化)对植物一害虫一天敌之间相互关系的影响提供了条件。该装置由CO2气源、CO2浓度测控系统和气室3部分组成。气室又包括无色透明玻璃(2．5mm厚)室壁,正八边形的铁框架和中空底座,以及换气扇组成的通风系统4部分。能实现气室内CO2浓度的自动控制。经试验检测,气室内CO2浓度、温度、相对湿度等环境条件的水平分布和垂直分布都很均匀,与自然环境十分接近。该气室设计的结构合理,使用性能稳定,可广泛应用于大气特定成分变化对生态系统影响的研究。     

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.     

桃蚜取食行为对大气CO_2浓度升高的响应

【目的】近年来随着人类活动的增加,温室气体尤其是大气CO_2浓度升高造成的虫害爆发已成为国际上关注的焦点,因此,研究拟南芥Arabidopsis thaliana上桃蚜取食行为的变化对大气CO_2浓度升高的响应意义重大。【方法】本研究以拟南芥和绿色桃蚜Myzus persicae为研究对象,利用野生型拟南芥Col-0,茉莉酸途径信号传导缺失突变体(jar1)、水杨酸途径信号传导缺失突变体(npr1)、乙烯途径信号传导缺失突变体(ein2-5)为材料,以大气CO_2浓度升高为影响因子,利用刺吸式电位仪(EPG)记录了桃蚜在不同处理的拟南芥上的取食波形。【结果】研究结果发现:CO_2浓度升高缩短了Col-0和jar1植株上蚜虫首次刺探时间和首次到达韧皮部的时间,却延长了npr1和ein2-5上蚜虫首次到达韧皮部的时间,降低了jar1植株上蚜虫总的刺探时间且增加了其总的取食韧皮部时间,但没有改变其它基因型植株上蚜虫总的刺探和取食时间;同时增加了野生型植株上蚜虫的刺探频率,却没有影响其它基因型植株上的刺探频率。【结论】CO_2浓度升高降低了野生型植株和jar1植株抗性,有利于蚜虫到达韧皮部;却增加了npr1和ein2-5上的植物抗性,从而不利于蚜虫到达韧皮部。     

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.     

十年水稻FACE研究的产量响应

联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)最新报告预测20世纪中叶全球大气二氧化碳(CO2)浓度将由目前的381 μmol mol-1至少上升到550 μmol mol-1,CO2浓度不断升高将对世界粮食生产和安全产生深刻影响.与封闭和半封闭气室相比,FACE(Free Air CO2 Enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)技术平台,在完全开放的大田条件下运行,代表了人们对未来高CO2浓度环境的最好模拟.水稻是世界上最重要的粮食作物之一,在过去10a中(1998～2007年),全球有两个大型水稻FACE平台(直径12 m)在运行,一个在温带地区的日本岩手,另一个在亚热带地区的中国江苏.以FACE研究为重点,系统收集和整理了高CO2浓度对水稻产量影响的研究进展,比较了FACE与各种气室研究结果的异同点,评估了CO2与生物(品种、病虫和杂草)和非生物因子(肥料、水分、温度和臭氧)的互作效应,提出了未来大气CO2浓度升高情形下水稻生产的适应策略,并讨论了该领域有待深入研究的方向.     

水稻产量及其构成因子对大气CO2浓度升高响应的相关QTL初步分析

以粳稻Asominori与籼稻IR24所衍生的染色体片段置换系(CSSL)为材料,于2003年和2004年连续2年在FACE(free air CO2 enrichment,大气CO2浓度增加200μmol/mol)和正常大气CO2浓度(约370μmol/mol)下,分析了控制单株产量、有效分蘖数、每穗实粒数和千粒重的数量性状位点(QTL)。结果表明,2年共检测到36个控制产量性状的QTL,分布在除第5、10和11染色体的各条染色体上。其中,仅有位于第1染色体上靠近XNbp113标记的1个控制千粒重的QTL,在2年的FACE和对照下都被检测到,并且其加性效应均来自IR24,但其贡献率在各个年份和两CO2浓度下却表现不同。另外,36个QTL中,2个QTL(qTGW1-3QE和qFT3-3QE)被检测到具有显著的基因型×环境互作。