[CO2]升高对粮食作物影响的研究进展

自工业革命以来,由人类活动引起的大气CO_2浓度([CO_2])不断攀升,正驱动着全球气候变化,对全球农业产生重大影响。本文归纳总结了目前作物对高[CO_2]响应的主要研究技术手段,以及作物对高[CO_2]响应的机理研究,并进一步梳理了当前全球关于[CO_2]升高对作物产量和营养品质影响的研究。结果表明:相比封闭式或半封闭式环境控制试验系统,开放式试验系统(如开放式CO_2控制系统FACE)由于其能更加真实地模拟自然条件下作物对未来高[CO_2]的响应和适应情况,被公认为是目前研究作物对高[CO_2]响应的最理想手段。[CO_2]增高会增加C3作物光合速率、生物量和产量,在一定程度上缓解气候变化对农作物产生的负面影响,但是作物对大气[CO_2]的升高存在光合适应现象,当作物长期暴露在高[CO_2]条件下时,高[CO_2]对作物的促进作用会逐渐减缓。近10年的FACE试验发现,对高[CO_2]出现高应答的水稻品种,其光合速率和产量在高[CO_2]下的增加幅度比早期的主要粮食作物FACE试验结果平均高出两倍。此外,高[CO_2]会明显降低大部分非豆科C3作物中蛋白质和矿物质(如锌、铁)以及部分维生素的含量,加剧目前全球约2亿人由于维生素和矿物质元素等营养缺乏导致的健康问题。如何充分利用未来高[CO_2]实现高增产的同时,减缓粮食养分下降的负面影响,是迫切需要解决的科学问题。     

不同氮素水平下冬小麦叶片酚酸类物质代谢对FACE的响应

利用开放式空气CO2浓度升高(Free Air Carbon-dioxide Enrichment, FACE)平台, 研究了低氮(LN)和常氮(NN)水平下, 大气CO2浓度升高对冬小麦叶片酚酸类物质代谢的影响.结果表明, CO2浓度升高对小麦叶片水杨酸、对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸和香草酸含量的影响随供氮水平的不同而有所差异.低氮下小麦通过提高叶片苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性(30.1%)而使其含量均显著增加, 增幅分别达33.7%、119.6%、26.7%、39.9%和28.6%; 而常氮下PAL活性和酚酸类含量变化均未达显著水平.可见, 大气CO2浓度升高对冬小麦酚酸类物质代谢的影响受氮水平的调控, 在未来CO2浓度升高条件下, 选择适宜的施肥水平将显得更为重要.此外, 总酚含量与水杨酸、对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸和香草酸等含量变化趋势基本一致, 且总酚含量变化的79.6%～151.4%是由这几种酚酸含量变化引起的, 说明CO2浓度升高使水杨酸、对羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸和香草酸等含量增加是总酚含量增加的直接原因.低氮条件下大气CO2浓度升高将通过改变酚酸类物质代谢而间接影响小麦与伴生杂草的关系.     

中国粮食生产的温室气体减排策略以及碳中和实现路径

作为世界上最大的农业生产国和温室气体排放国,我国承诺力争到2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。国家“双碳”目标给农业生产带来很大的减排挑战,因为农业源温室气体排放约占我国碳排放总量的14%。粮食生产是农业源非CO₂温室气体的主要排放源,归因于过量灌溉和施肥引起的稻田甲烷(CH₄)和土壤氧化亚氮(N₂O)排放。在碳达峰后,粮食生产温室气体的排放占比和减排重要性将越来越大。我国粮食生产究竟能否实现碳中和,以及如何实现碳中和仍不明确。本文综述了我国粮食生产碳排放的源汇效应和时空特征,总结了稻田CH₄和土壤N₂O减排以及农田土壤固碳的有效措施,解析了固碳减排之间的“此消彼长”效应和应对策略,明确了粮食生产实现碳中和的潜在路径,并对未来固碳减排的研究方向进行了展望。     

开放式臭氧浓度升高对水稻叶片呼吸作用相关酶的影响

本文在开放式臭氧浓度升高（ Ozone-free air controlled enrichment）条件下，以武运粳21（粳稻）和两优培九（杂交稻）两个耐性不同的品种为材料，研究了大气臭氧浓度升高对水稻叶片乙醇酸氧化酶（GO）、多酚氧化酶（PPO）和抗坏血酸氧化酶（AAO）三种呼吸作用相关酶的影响。结果表明：臭氧处理67天，促进了GO、PPO和AAO的活性，武运粳21 升高的幅度大于两优培九；在处理79天，臭氧胁迫抑制了水稻叶片GO、PPO和AAO的活性，品种间比较，武运粳21三种酶降低的幅度小于两优培九。试验结果说明，武运粳21在通过提高三种酶的活力而进行较强的呼吸作用，起到耗散过剩光能并保护光合器官的作用，从而缓解臭氧对光合器官的损害缓解臭氧对水稻叶片造成的伤害，因此武运粳21比两优培九对臭氧耐受性强。     

基于便携式X射线荧光光谱速测的设施菜地土壤重金属污染诊断与评价

土壤重金属污染快速诊断与评价是污染防控与风险管理的前提。以广东省典型设施蔬菜产地土壤为研究对象,采用便携式X射线荧光光谱法(portable X-ray fluorescence spectroscopy, PXRF)原位快速获取土壤重金属（镉（Cd）、铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）、镍（Ni）及汞（Hg））含量,在传统实验室方法验证PXRF的准确性和稳定性的基础上,对广东省设施菜地表层土壤重金属的污染状况进行快速诊断,并对土壤重金属污染风险进行评价。结果表明：(1) 异位PXRF法对土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As及Ni的测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P<0.01),土壤Pb和As含量的PXRF原位测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P<0.01);(2) 土壤含水量为150 g?kg-1~200 g?kg-1时,Cr、Pb、Zn和As的PXRF原位测定值与实验室测定值的相关性达到了极显著水平(P<0.01);(3) 土壤Cd和Cu的超标现象较为突出,其点位超标率分别为20.9%和10.0%。设施菜地土壤Cd的平均含量为0.21 mg?kg-1,约为露天农田土壤的1.2倍。珠江三角洲地区设施土壤中各重金属的含量整体较其他地区高;(4) 土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As、Ni及Hg的单项污染指数均小于1,由高到低依次为Cd>Cu>Pb>Zn>Cr>As>Ni>Hg,内梅罗综合污染指数的均值为0.69。就整体平均值而言,土壤重金属污染程度处于清洁水平。PXRF实现了广东省设施菜地土壤重金属污染的快速诊断,并快速识别出Cd和Cu为设施菜地污染风险较高的潜在污染元素,研究结果可为设施农业土壤重金属污染快速诊断与评价提供方法和数据支撑。     

“绿色革命”以来大气CO2浓度升高对C3作物营养品质的影响

自20世纪60年代"绿色革命"以来,育种技术和农耕技术的发展促进了农作物产量的大幅提升,然而作物的营养品质出现下降趋势。在相似的遗传背景下,大气CO_2浓度升高会使单位体积农作物产品的营养元素含量下降,因此"绿色革命"至今,农作物产品的营养元素下降可能受大气CO_2浓度升高影响。通过植物生长箱模拟"绿色革命"初期和目前的大气CO_2浓度水平(310μmol/mol和400μmol/mol),针对主要C_3作物水稻、小麦和大豆,研究"绿色革命"以来大气CO_2浓度升高对其籽粒的C、N、Fe、Zn元素含量的影响,结果表明:CO_2浓度升高对3种作物籽粒的C元素含量几乎没有影响,变化幅度在±1.5%之间;籽粒的N、Fe、Zn元素含量普遍呈现下降趋势,但均未达到显著水平。     

稻米外观与加工品质对大气CO2浓度升高的响应

【目的】大气CO2浓度升高会降低水稻的外观与加工品质。为探明其下降机制并予以缓解，【方法】采用开放式大气CO2浓度升高(FACE)平台、两种栽培品种及其三种不同的基因调控遗传材料 (中花11及其蒸腾调节材料ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30; 中花11及其促冠根生长材料ERF3-7和ERF3-12; 日本晴及其促硝酸盐吸收材料NIL)，研究稻米外观与加工品质对CO2浓度升高的响应。【结果】稻米外观品质与加工品质对CO2浓度升高的响应因品种不同而异。CO2浓度升高下，中花11的垩白粒率和垩白度增加9.2%和4.4%，整精米率降低5.3%；而日本晴的垩白粒率和垩白度降低11.1%和7.9%，整精米率提升9.8%。蒸腾调节材料显著改善了CO2浓度升高对中花11外观与外观品质的负面效应，与当前CO2浓度相比，CO2浓度升高，ZmK2.1-15、 ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30的垩白粒率相对变化量为−2.7%、−16.3%、−14.8%，+7.4%，垩白度为−8.7%、−22.3%、−15.1%、−3.0%，整精米率为+2.1%、+6.4%、+3.6%、−7.0%。促冠根生长材料加大了CO2浓度升高对中花11号外观与加工品质的负面效应，ERF3-7、ERF3-12的垩白粒率在CO2浓度升高下分别增加17.7%和11.5%，垩白度增加34.4%和19.1%，整精米率分别降低10.1%和0.8%。促硝酸盐吸收材料(NIL)的垩白粒率和垩白度在CO2浓度升高下无明显变化，整精米率下降4.2%。NIL的外观品质较日本晴明显改善，CO2浓度升高下垩白粒率和垩白度分别下降16.5%和17.9%，当前CO2浓度条件下分别下降26.3%和28.9%。【结论】未来CO2浓度升高条件下，通过基因改良促进水稻蒸腾作用和硝酸盐吸收是提升稻米外观与加工品质的有效途径之一。     

大气CO2浓度升高对矿质元素在水稻中分配及其根际有效性的影响

在开放式空气CO_2浓度升高(free-air CO_2 enrichment, FACE)条件下,研究了籼稻IIY084与粳稻WYJ23根际土壤矿质元素(Fe、Mn、Cu、Zn、Ca和Mg)有效态含量及其在水稻各组织中的吸收与分配,结合前期稻米矿质元素含量下降的研究结果,探讨了其下降的机制。结果表明:大气CO_2浓度升高,显著增加水稻穗、茎、根和整株生物量,两个品种平均增加19.4%、9.3%、23.4%、16.0%;根际土壤中矿质元素的有效态含量大体呈增加趋势;除Ca吸收量增加外,水稻其他矿质元素总吸收量未发生显著变化;显著促进大部分矿质元素在穗中的吸收与分配,而降低其在茎中的分配比;在穗内有增加大部分矿质元素在壳梗中滞留的趋势,相应地减少其在糙米中的分配比。品种效应分析显示,IIY084的茎和整株生物量,以及穗中Fe、Mn、Cu,叶中Zn、Mg,茎中Cu的吸收量与分配百分数均显著高于WYJ23,而叶中Mn、茎中Fe和根中Cu、Zn则呈相反趋势。可见,大气CO_2浓度升高条件下,碳水化合物与矿质元素从植株营养器官到籽粒的不平衡转运以及在壳梗中的滞留可能是导致两水稻品种糙米中矿质元素含量降低的重要原因。     

土壤碳库激发效应研究

外源有机质的输入能促进或抑制土壤有机碳的矿化,引起正的或负的激发效应。本文综述了土壤碳库激发效应产生的机制,以及土壤原有有机质的含量和营养水平,外源有机质(包括根系分泌物)的种类和数量对激发效应的影响。外源有机质的可利用率是影响激发效应的最重要因素。     

大气CO2浓度上升对植物地下竞争的影响

植物地下竞争是影响农业生态系统和自然生态系统中植物群落结构变化的重要因素,而大气CO2浓度升高直接或间接影响了植物的生长及其地下环境,可能需重新评估植物地下竞争的状况。本文从大气CO2浓度升高对植物根系形态结构、生理吸收能力、根系共生真菌、叶片蒸腾速率的影响以及对地下竞争因子的土壤环境方面的影响,探讨未来CO2浓度升高条件下地下竞争的变化。