CO_2浓度升高对水稻影响研究存在的问题及建议

随着人类活动的不断加剧,大气中CO_2浓度呈现逐年上升趋势。水稻作为重要的粮食作物,CO_2浓度升高势必会对水稻生育进程产生影响。介绍了大气CO_2浓度升高对水稻影响的研究方法,并根据目前研究现状存在的一些问题进行了讨论,对研究方向提出了具体建议,以期对本领域的深入研究起到参考作用。     

各地报刊文章选登

1.CO_2浓度上升 地球大气中的温室效应气体有CO_2、1890年产业革命开始时为280—290ppm,1958年上升到315ppm,现在已达350ppm,并继续以每年1.3—1.4ppm的速度上升。 ①CO_2动态及耕地生态系统机能的研究。现在每年消耗50亿t标准煤的化石燃料。再加上森林破坏进入大气中的CO_2估计每年增加3.1ppm。为采取有效对策抑制CO_2浓度上升,消除破坏地球环境     

陆地生态系统碳氮过程对大气CO_2浓度升高的响应与反馈

大气二氧化碳(CO_2)浓度升高是影响陆地生态系统碳氮循环的主要气候变化因子之一。大气CO_2浓度升高促进植被生长和光合产物积累,进而增加土壤碳库储量。同时,大气CO_2浓度升高引起土壤生物和非生物环境的改变会导致土壤温室气体排放的变化,形成对气候变化的反馈效应。目前,国际上有关大气CO_2浓度升高导致陆地生态系统碳汇效应的增加与其所引起的土壤温室气体排放之间的消长关系并不清楚。深入研究和了解陆地生态系统碳氮循环过程对大气CO_2浓度升高的响应和反馈机制对定量评估全球变化背景下陆地生态系统和土壤的固碳潜力具有十分重要的意义。本文综述了陆地生态系统碳氮循环过程对大气CO_2浓度升高的响应和反馈机制及主要驱动因子,发现大气CO_2浓度升高显著促进植被生物量碳的累积和土壤温室气体排放、增加土壤碳氮库储量,但却明显减少土壤活性氮源的供给。大气CO_2浓度升高可降低旱地CH4吸收汇的功能。大气CO_2浓度升高导致温室气体排放增加的源效应完全抵消土壤的碳汇效应,并且抵消近50%以上的陆地生态系统固碳潜力,且随其在大气中富集强度的增加呈减弱趋势。本文还提出大气CO_2浓度升高条件下影响土壤-大气温室气体交换的主要生物和环境控制因子,为气候变化背景下陆地生态系统的碳平衡估算研究提供重要理论基础。     

气候变化对我国主要C3作物影响的研究进展

针对当前全球气候变暖的事实,未来大气CO_2浓度升高、气温增加对我国主要粮食作物的生长发育和产量品质等产生影响。从大气CO_2浓度升高、增温2个方面综述了气候变化对C3作物水稻、小麦和大豆的影响研究,并提出了未来的研究方向,为了解未来我国主要粮食作物C3作物的生产状况及保障我国粮食安全提供依据。     

大气CO_2增加与陆地植被的反应

<正> 工业革命以来,化石燃料的增加,自然植被的毁坏,导致大气CO_2浓度逐渐升高;由于CO_2分子具有特殊性质,由此带来的变化是巨大深远的。CO_2增加,导致全球温度发生变化,并引起其它气候因子的变化。与此同时,CO_2浓度的变化还会对全球植被产生一系列深刻影响。本世纪七十年代以来,CO_2问题日益引起人们重视,并从多个角度开始作了一些研究。本文广泛综合国外有关CO_2的研究资料,就大气CO_2浓度的变化对陆地植被的间接和直接影响作一初步概述。     

大气CO2浓度年际变化及其对农业的影响

选取Scripps海洋研究所(SIO)的大气CO_2观测数据,对比使用三种方法滤去大气CO_2季节变化信号和人类活动对大气CO_2浓度的影响,从而得到其年际变化时间序列,结果表明:18世纪以来,大气CO_2浓度持续上涨,并表现出强烈的季节性震荡,北半球从4月开始大气CO_2浓度显著减小,8月开始逐渐增大。运用三种不同方法均能较好滤去季节变化信号和人类活动对大气CO_2浓度影响,方法一着重研究大气CO_2的年际增长率,但未将二氧化碳本身的季节变化和影响其年际变化的其他因素分离;方法二在先滤去大气CO_2的长期趋势后,着重研究大气CO_2的季节变化规律,在季节变化规律的基础上,得到其年际变化;方法三中认为大气CO_2长期的变化趋势表现为人类活动等引起的稳定三角函数增长,但对于大气CO_2的长期增长趋势,拟合效果较差。大气CO_2浓度增加对农业生产有利有弊,主要包括通过改变绿色植物的光合作用和新陈代谢所导致的直接效应和导致的气候变化所带来的间接效应。     

大气CO_2浓度升高对繁茂膜海绵硅酶基因表达及胁迫后滤食新月菱形藻能力的影响

为探究大气CO_2浓度升高对海洋硅质生物的影响,以繁茂膜海绵Hymeniacidon perlevis为模式生物,在实验室条件下模拟大气CO_2浓度升高(500、750、1000 mg/L)对海绵硅酶基因相对表达的影响,以及胁迫48 h后在当前大气CO_2(390 mg/L)下恢复1 h时海绵滤食新月菱形藻Natzchia closterum能力的变化。结果表明:500 mg/L大气CO_2胁迫12、24、48 h时,海绵硅酶基因表达量分别比对照组(390 mg/L CO_2)提高24.8%、14.8%、19.2%,而750、1000 mg/L大气CO_2胁迫12、24、48 h时,海绵硅酶基因表达量分别比对照组降低40.0%、71.9%、82.3%(750 mg/L CO_2),55.2%、83.6%、80.8%(1000 mg/L CO_2);经高浓度大气CO_2胁迫48 h再恢复1 h时,24 h内对照组海绵块滤食微藻的平均效率和平均清除率分别为198.2×10~4cells/(h·g)和4.09 mL/(h·g),而500、750、1000 mg/L大气CO_2浓度组海绵滤食微藻的平均效率与平均清除率分别为对照组的104.8%、96.6%(500 mg/L CO_2),58.5%、65.3%(750 mg/L CO_2),30.8%、20.0%(1000 mg/L CO_2)。研究表明,大气CO_2浓度升高至750 mg/L以上时明显抑制了海绵硅酶基因表达,并导致海绵滤食微藻能力大幅下降。     

大气CO_2浓度升高对大豆光合生理的影响

绿色植物进行光合作用离不开CO_2,其浓度的高低对植物的生长发育会产生一定的影响。大豆是我国及世界主要的粮食作物之一,开展大气CO_2浓度升高对大豆影响的研究,将为CO_2浓度升高条件下,大豆生产如何响应高浓度CO_2提供理论依据。利用开顶式气室(OTC)进行了CO_2浓度升高对大豆主要发育期叶片光合及叶绿素荧光影响的研究。结果表明,大气CO_2浓度升高使大豆净光合速率增加,气孔导度和蒸腾速率均下降,水分利用效率增加。大气CO_2浓度升高对大豆的叶绿素荧光参数的影响因生育期不同而有所差异,开花期,大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、光系统Ⅱ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、非光化学淬灭系数(NPQ)和光化学淬灭系统(q P)均无显著变化;在鼓粒期,大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和非光化学淬灭系数(NPQ)均比对照明显降低,光系统Ⅱ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)和光化学淬灭系数(q P)均比对照显著增加。     

大气CO_2浓度升高对豌豆蚜体内糖含量的影响

为探明CO_2浓度升高对豌豆蚜体内糖含量的影响,本研究设置中等浓度550μL/L和高浓度750μL/L CO_2浓度,并以当前CO_2浓度380μL/L为对照,用熏气30 d以上的苜蓿叶片饲养豌豆蚜初产若蚜至成蚜后测定体内可溶性糖和糖原含量。结果表明:豌豆蚜取食高CO_2浓度培育下的紫花苜蓿后体内可溶性糖和糖原含量显著上升,随着世代数增加豌豆蚜体内可溶性糖和糖原含量也逐代增加,CO_2浓度和世代因子之间存在极显著的交互作用。表明大气CO_2浓度升高对豌豆蚜的发生规律及种群数量动态将产生重要影响。     

升温和大气CO2浓度升高对不同品种小麦养分吸收的影响

研究升温和大气CO_2浓度升高对不同品种小麦养分吸收的影响,为未来气候变化下农田土壤养分管理与作物施肥提供科学参考。在田间开放条件下模拟升温和大气CO_2浓度升高,设置对照(CT)、大气CO_2浓度升高(C+T)、升温(CT+)以及两者同时升高(C+T+)4个处理。每个处理种植扬麦16、苏麦188、鑫农518和镇麦9号4个品种。收获时测定小麦籽粒和秸秆中N、P、K、Ca和Mg的浓度,并计算各养分在籽粒和秸秆间的分配比例。结果表明:大气CO_2浓度升高增加了N、K、Ca和Mg在小麦地上部分的总吸收量,其中N、K和Mg的总吸收量受到大气CO_2浓度升高和小麦品种的共同影响,但是大气CO_2浓度升高没有改变养分在小麦籽粒和秸秆间的分配。升温显著降低了各养分在地上部分的总吸收量,此外升温还提高了K、降低了Ca在籽粒中的分配比例。升温和大气CO_2浓度升高下,小麦养分吸收总量变化一方面与生物量有关,另一方面与各养分含量(浓度)相关。大气CO_2浓度升高显著降低了小麦籽粒和秸秆中P的含量,但是对籽粒N、Mg和秸秆N、P、K含量的影响都与品种有关。升温降低了小麦秸秆K和籽粒P、K、Ca、Mg的含量,其中只有P的吸收对升温的响应受品种的影响。升温和大气CO_2浓度升高改变了小麦养分吸收过程,而且大气CO_2浓度升高对小麦养分吸收过程的改变与养分类型和作物品种密切相关。因此,未来气候变化下有必要根据小麦品种选择合理的培肥和管理方式。     

植物对CO2浓度升高的响应

大气中CO2浓度在工业革命前约为265μmol/mol,二十世纪60年代全球大气CO2浓度在314μmol/mol左右,目前则在350μmol/mol左右,且平均每年以1.5-2.0μmol/mol的速度递增.研究表明,大气CO2浓度升高的主要原因是煤炭、石油等化石燃料的燃烧造成的,若不加以制约,预计到本世纪中叶,大气CO2浓度将达到工业革命前的2倍[1,2].大气CO2浓度升高,除了通过温室效应引起全球气候变化对植物产生间接影响外,还直接影响到植物的生长发育.研究大气CO2浓度升高对植物的影响已成为国内外研究的重要课题之一.本文阐述了大气CO2浓度升高对植物光合作用、蒸腾作用、生物量和产量以及抗性和品质所带来的影响.     

增温与增施CO2对藏青2000生长发育特性及产量的影响

采用模拟增温与CO_2浓度上升的可控开顶式气室(Open-Top Chamber,OTC)原位模拟未来大气中CO_2浓度和气温升高(CO_2浓度450μL/L,温度升高2℃)对西藏林芝(29.673015°N,94.341188°E,海拔:2998m)春青稞生长发育特性及产量的影响。试验结果显示:增温、增温+CO_2的协同处理都使藏青2000株高降低,叶面积指数下降,叶绿素含量降低,并且明显降低了成熟期地上干物质含量、千粒重、每穂粒数,最终导致减产。     

高大气CO2浓度下遮阴对小麦叶片气孔特性及光合特性的影响

以高大气CO_2浓度和遮阴为处理手段,研究高大气CO_2浓度和遮阴对小麦叶片光合生理的影响。结果表明,与全光照相比,遮阴使小麦叶片的气孔长度增加了22.93%和10.23%,而气孔宽度减小了30.00%和30.22%,气孔面积降低了17.99%和18.11%,周长增加了16.80%和6.85%,气孔密度降低了6.61%和23.78%,气孔指数降低了5.99%和14.23%。与正常大气CO_2浓度相比,高大气CO_2浓度使小麦叶片的气孔面积增加了1.91%和1.95%,使全光照处理的小麦叶片的气孔密度降低了14.33%;使遮阴处理的小麦叶片的气孔密度增加了5.00%。与全光照相比,遮阴使小麦叶片的气孔导度和蒸腾速率降低了56.11%、53.21%和40.57%、49.27%,而光合速率没有得到提高,这可能是小麦叶片对高大气CO_2浓度发生了"光适应"。与正常大气CO_2浓度相比,高大气CO_2浓度降低了小麦叶片的气孔导度。小麦叶片的气孔长度和宽度与光合速率有显著相关性。     

大气CO_2浓度升高和干旱的交互作用对大豆光合作用的影响

研究大气CO_2浓度升高和水分胁迫对大豆的影响,有助于了解在未来气候条件下,大豆生产的变化,提前采取必要的应对措施。试验利用开顶式气室开展高CO_2浓度(大气CO_2浓度增加200μmol/mol)和干旱条件下大豆光合生理指标变化的研究。结果表明,开花期,大气CO_2浓度升高后,大豆的净光合速率、水分利用率显著增加,干旱条件下增幅明显小于湿润条件下增幅;干旱使大豆叶片PSⅡ有效光量子效率(Fv'/Fm')、电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和PSⅡ光化学有效量子产率(ΦPSⅡ)显著降低,非光化学淬灭系数(NPQ)显著增加;CO_2浓度升高对大豆叶绿素荧光参数影响不显著。未来大气CO_2浓度升高会提高开花期大豆净光合速率和叶片水分利用效率,但对大豆抗旱能力提升效果有限。     

全球性CO_2浓度增加对农作物的影响

植物生理学家和生态学家们认为,大气中CO_2浓度升高可能引致自然和农业生态系统的巨大变化。科学家们现已证实,两倍于现阶段大气中CO_2含量的CO_2浓度将对很多种植物有惊人的影响,可大幅度提高其光合效率和农作物的产量。美国农业部水土保持实验室的布鲁斯·金布尔博士(Bruce Kimball)对700项农学研究作了调查,得出的结论是:当空气中的CO_2浓度提高1倍时,作物的产量提高34％;树木等则表现为个体更高、分枝多而粗、花多果多、叶多且厚、根系变得密集,以吸收养分。实验还表明,高浓度的CO_2可使植物叶子表面的气孔稍为关闭,减少通过叶子蒸腾作用散发到大气中的水分损失,从而使得植物更为耐旱。     

覆膜玉米不同生育期土壤酶活性对大气CO2浓度升高的响应

为探讨旱区覆膜玉米农田土壤酶活性对未来气候变化的响应,在田间条件下通过改进的开顶式气室(OTC)系统自动控制大气CO_2浓度,设置自然大气CO_2浓度(CK)、OTC对照(OTC)、OTC系统自动控制CO_2浓度(700μmol·mol~(-1),OTC+CO_2)3个处理,研究了旱区覆膜高产栽培春玉米播前、六叶期(V6)、十二叶期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)及完熟期(R6)土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性对大气CO_2浓度升高的响应特征。研究发现:OTC处理条件下,土壤碱性磷酸酶活性相比CK在V12期降低8.80%(P0.05),而在R6期提高8.95%(P0.05);蔗糖酶活性在播前、V6、R1期降低12.65%～21.43%(P0.05),R3期升高17.50%(P0.05);过氧化氢酶活性在V12、R1、R6期均显著降低。大气CO_2浓度升高对玉米各生育期土壤脲酶活性均无显著影响;使R1、R6期碱性磷酸酶活性降低8.74%和6.39%(P0.05);使V6、R3期蔗糖酶活性升高30.18%和18.37%(P0.05);此外,增加了V12期过氧化氢酶活性,而降低了R3期过氧化氢酶活性。结果表明:当前旱作覆膜高产栽培模式下,大气CO_2浓度升高对春玉米农田土壤酶活性的影响因作物生育期和酶种类不同而异;土壤酶活性对OTC及大气CO_2浓度升高的响应程度不一,在当前试验条件下,OTC对土壤酶活性的影响较大气CO_2浓度升高更为显著。     

环境胁迫对土壤动物生态学影响研究进展

土壤动物是陆地生态系统重要的组成部分,它们参与土壤有机质分解、植物营养矿化及养分循环等作用。但是随着工农业的发展,土壤污染越来越严重,从而土壤动物也随之受到影响。因此,本文着重从以下四个方面综述了主要的环境胁迫对土壤动物生态学的影响:(1)农药污染:随着农药污染程度的加重,土壤动物类群、个体数量、多样性指数、均匀性指数、个体数密度等会逐渐降低,但是不同类型的农药对土壤动物的影响程度不同,杀虫剂农药比除草剂影响程度大,不同的土壤动物对农药污染的敏感程度也不同;(2)重金属污染:重金属污染对土壤动物的影响其结果与农药污染相似;(3)氮沉降:氮沉降对土壤动物的影响会随着环境条件的不同而发生变化;(4)大气CO_2浓度升高:国外学者主要利用FACE(Free-Air CO_2 Enrichment)开放式CO_2系统对土壤动物进行研究,发现土壤动物对大气CO_2浓度的升高,能够产生正向、中性和负向的响应。最后本文指出了中国在土壤动物生态学领域急需开展研究的几个方面。     

气候因子与大气CO_2浓度变化对德令哈祁连圆柏生长与水分利用效率的贡献

【目的】探讨大气二氧化碳(CO_2)浓度升高与气候变化对森林生态系统的影响.【方法】以德令哈地区祁连圆柏树轮宽度和稳定碳同位素年表数据为基础,分别计算了其断面积指数(BAI)和水分利用效率(iWUE)变化历史,之后利用共性分析方法进一步探讨了大气CO_2与气候因子对祁连圆柏径向生长和iWUE的影响.【结果】相对于1890～1915年,祁连圆柏水分利用效率增长了30%,大气CO_2对iWUE的单独贡献率为16%.降水和干旱指数对祁连圆柏径向生长(BAI)的贡献为15%,1951～2010年,BAI与干旱指数的相关性为0.61(P0.05),长期变化显示外界环境相对湿润时祁连圆柏表现出高生长量,干旱时则表现出低生长量.【结论】德令哈地区影响祁连圆柏iWUE和BAI变化的因子差异较大,其中大气CO_2浓度的升高显著提升了iWUE,但并未对树木径向生长产生明显影响,干旱胁迫则是限制该地区祁连圆柏径向生长的主要因子.     

田间条件下模拟CO2浓度升高开顶式气室的改进及其效果

为提高传统开顶式气室(Open-top chamber,OTC)在田间条件下原位模拟大气CO_2浓度升高对作物生长影响的适用性和精度,通过尺寸放大(长×宽×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m)、形状调整(正四边形棱柱状)、新材料应用(塑钢PC结构)及内部CO_2浓度优化控制等措施对其进行了改进,并利用改进的OTC分别于2015—2016年在旱作春玉米农田原位模拟大气CO_2浓度升高的情形,通过对比玉米生育期内OTC内外CO_2浓度、温度和空气相对湿度,探讨了其模拟效果。结果表明:可控CO_2OTC内部CO_2浓度能够控制在预期值范围内,2015年控制误差范围为-17.2~0.2μmol·mol-1,2016年为-5.4~0.1μmol·mol-1,控制效果良好;可控CO_2OTC对室内气温产生了一定的影响,与气室外相比,在白天2015年平均增温0.8℃,差异显著(P0.05),2016年平均增温0.4℃,差异不显著(P0.05);可控CO_2OTC内部空气相对湿度与大田相比有所降低,2015年约降低2.4%,2016年降低了3.1%,差异均不显著(P0.05)。研究表明,改进后的开顶式气室性能稳定,模拟精度高,能够较为准确地反映CO_2浓度升高后的旱作春玉米生长,可用于今后的大田模拟试验研究。     

干旱与大气CO_2倍增对土壤微生物量及活性的影响

全球气候变化可能会对土壤生态系统产生潜在的影响,通过室内培育试验,设置了3种土壤水分梯度(土壤体积含水率为80%、60%、40%)、2种大气CO_2浓度(350、700μg/L)、2种土壤使用状况(裸土、种植大豆土壤),对土壤微生物量及活性的变化进行研究。结果表明,干旱胁迫使土壤微生物生物量碳量(MBC)含量极显著降低。重度干旱时,植物碳输入会加剧干旱对土壤生态系统的胁迫。大气CO_2倍增对土壤MBC量显著不影响。干旱胁迫导致土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性极显著降低。大气CO_2倍增能够极显著促进土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性,这可能会加速土壤有机质的降解,加快土壤碳库周转速率,对大气CO_2增加起到正反馈作用。干旱与CO_2倍增交互作用对土壤MBC和酶活均显著不影响,但在种植大豆的土壤中交互作用对蔗糖酶活性有一定影响。