大气CO_2浓度升高对粳稻稻米物性及食味品质的影响

在2009和2010年利用独特的稻/麦轮作系统FACE（Free Air CO2 Enrichment,开放式空气CO2浓度增高）平台,以武运粳21、扬辐粳8号、武香粳14和武粳15为供试材料,研究了高浓度CO（2比大气背景CO2浓度高200 μmol·mol-1）对粳稻蒸煮米的硬度、粘性、香气、光泽、完整性、味道和口感等的影响。物性分析仪测定结果表明,高浓度CO2环境下粳稻熟米的硬度和粘性总体呈增加趋势,其中扬辐粳8号两指标的增幅均达显著水平。食味计测定结果显示,高浓度CO2对蒸煮稻米香气、光泽度、完整性、味道和口感等食味品质指标均没有影响。相关分析表明,CO2与品种的互作对米饭硬度和粘性有显著影响,但对食味品质参数均没有影响。CO2与年度、CO2与年度和品种间的互作对所有测定参数均无显著影响。两年数据一致表明,未来高浓度CO2环境下粳稻蒸煮米的硬度和粘性将呈增加趋势,增幅因品种而异,但米饭食味品质无显著变化。     

水稻根系内生细菌对未来大气CO2浓度升高的响应

针对中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）平台的镇籼96、扬稻8号、II优084和扬两优6号四种水稻品种,采用新一代高通量测序技术,研究了水稻根系内生菌的整体微生物群落对未来大气CO2浓度升高的响应。结果表明,水稻内生菌群落中γ-变形菌纲的肠杆菌科相对丰度最高,占整体微生物群落的30.8%~59.8%。对于镇籼96、扬稻8号和II优084三种水稻品种,大气CO2浓度升高可能抑制了数量上占优势的微生物菌群（优势菌群）生长,而促进了数量上不占优势的微生物菌群（稀少菌群）繁殖。例如,对于II优084品种,相对丰度高于14.6%的4种水稻内生菌为肠杆菌科、假单胞菌科、黄单胞菌科和气单胞菌科,大气CO2浓度升高,这些优势菌群的相对丰度由74.8%降为67.2%;相反,稀少菌群主要由鞘脂杆菌科、丛毛单胞菌科、黄杆菌科及草酸杆菌科组成,其相对丰度则由4.13%增至16.9%,其中,与对照处理相比,鞘脂杆菌科相对丰度增加比例高达344倍,是大气CO2浓度升高的最敏感微生物类群。但对于水稻品种扬两优6号,根系内生菌对大气CO2浓度升高的响应模式与其他它三种品种不完全一致。这些研究结果表明,微生物的相对丰度可能是影响水稻根系内生菌对大气CO2浓度升高响应的重要因素,为研究全球变化下整体微生物结构与功能的演变规律提供了一定的依据。     

高CO2浓度和剪叶疏花对水稻‘Y两优2号’ 产量形成的影响

利用稻田FACE(Free Air CO_2 Enrichment)平台,以创造世界高产纪录的超级稻组合‘Y两优2号’为试验材料,CO_2处理设环境CO_2浓度[(382.5±2.0)μmol·mol-1]和高CO_2浓度(增200μmol·mol-1)两个水平,齐穗期源库改变设对照、剪除剑叶(剪1叶)、剪除所有功能叶(剪3叶)以及相间剪除一次枝梗(疏花),研究开放条件下高CO_2浓度对不同源库处理水稻产量及其构成因子的影响。结果表明,对没有进行剪叶疏花处理的水稻(即对照)而言,高CO_2浓度使‘Y两优2号’籽粒产量平均增加12%,这主要与每穗颖花数和结实能力均略有增加有关。高CO_2浓度使剪1叶、剪3叶处理水稻的产量分别增加26%和57%,这主要与饱粒率和所有籽粒平均粒重均大幅增加有关。对齐穗期疏花处理水稻而言,高CO_2浓度导致的产量增幅与对照水稻接近。与对照相比,齐穗期剪1叶、剪3叶处理使水稻籽粒产量分别降低17%和52%,均达极显著水平,这主要与饱粒率和所有籽粒平均粒重均显著下降有关;尽管齐穗期疏花处理使水稻结实能力显著增加,但因每穗颖花数减半,产量大幅下降(-29%)。籽粒最终产量对高CO_2浓度的响应与饱粒率和所有籽粒平均粒重的响应呈显著正相关。以上结果表明,水稻齐穗期人为改变源库比例(特别是剪叶)可以改变籽粒结实能力和最终产量对高CO_2浓度的响应。     

高浓度CO2对冬小麦旗叶和穗部氮吸收的影响

利用农田开放式CO2浓度升高(Free Air Carbon dioxide Enrichment,FACE)试验平台,以强筋小麦中麦175为供试材料,研究高浓度CO2和不同施氮量对冬小麦旗叶和穗部含N量、氮吸收量和旗叶硝酸还原酶活性(NRA)的影响。CO2浓度处理设对照(Ambient,CO2415±16μL·L-1)和高浓度(FACE,CO2550±17μL.L-1)两个水平;施N处理设常规施氮(NN,底肥含N 118kg·hm-2+追肥含N 70kg·hm-2)和低氮(LN,底肥含N 66kg·hm-2+追肥含N 17kg·hm-2)两个水平。结果表明,在乳熟期,不考虑氮肥的影响,CO2浓度升高使穗部N含量和氮吸收量分别增加7.59%和16.3%,说明CO2浓度升高加大了穗部对氮素的需求;不考虑各生育期的差异,CO2浓度升高导致冬小麦旗叶N含量下降10.98%;同时使旗叶硝酸还原酶活性(NRA)降低22.24%。说明CO2浓度升高抑制了NO3-的还原,导致旗叶含N量降低,高浓度CO2可能影响以NO3-为主要氮源的植物生长。与低氮处理相比,常规施氮处理没有显著增加小麦吸氮量和硝酸还原酶活性。因此,为了满足高CO2条件下,穗部对氮素的更多需求,不能单一增加施氮量,而需要合理配施NH4+肥,以环境友好的形式提高小麦产量。     

CO2浓度增高对水稻籽粒淀粉代谢相关酶活性的影响

以高产优质粳稻松粳9号和稻花香2号为材料,利用开放式空气CO₂浓度富集系统（FACE）实验平台,研究CO₂浓度增高对水稻籽粒淀粉代谢相关酶活性的影响。试验设正常大气CO₂浓度（400±40μmol·mol-1）和高CO₂浓度（600±60μmol·mol-1）,测定开花后两个水稻品种籽粒中ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶活性的变化。结果表明,CO₂浓度增高对不同灌浆进程中酶活性的影响程度有显著差异,对乳熟期之后ADPG焦磷酸化酶、可溶性和颗粒型淀粉合成酶活性的表达均有较明显的促进作用,仅阻碍了乳熟期籽粒中淀粉分支酶活性的表达;淀粉代谢相关酶活性对CO₂浓度增高的响应因品种而异,松粳9号籽粒中ADPG焦磷酸化酶活性受CO₂浓度增高的影响较大,而稻花香2号淀粉合成酶活性受其影响更大。说明随着灌浆进程的推进,CO₂浓度增高对淀粉生物合成途径中关键酶活性表达的影响程度存在明显的时段特征,且不同品种的响应程度有显著差异,总体来看,CO2浓度增高可在一定程度上促进淀粉代谢相关酶活性的表达。     

大气CO_2浓度富集对华北平原农田土壤可溶性碳含量的影响

<正>由温室气体排放导致的气候变化是当前全球关注的热点问题之一[1]。化石燃料燃烧、水泥生产、土地利用变化等人类活动向大气中排放大量CO2,进而引起全球变暖和地球系统碳循环过程的显著变化。研究表明,大气CO2浓度已由1870年的280μmol mol-1增加至2005年的379μmol mol-1,目前仍以1.9μmol mol-1a-1的速率急剧攀升;同期地表温度平均增加了0.74℃(变幅0.56~0.92℃)[2]。根据《中国应对气候变化国家方案》     

开放式空气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响

采用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,研究了不同施N水平下,大气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响。结果表明,相对于对照处理,在不同氮水平下CO2浓度升高使作物生物量增加,导致作物生长季对土壤钾的吸收增加,但并没有降低作物主要生长期土壤（0―5、5―15 cm土层）速效钾的含量;CO2浓度升高使土壤速效钾增加的幅度在作物根际达6.3%~22.3%,在行间达3.7%~11.2%,且土壤速效钾增加的幅度在小麦季大于水稻季。表明根系对土壤速效钾的影响很大,因此,短期内土壤钾含量不会成为限制因素而影响作物对高CO2浓度的响应,反而会增加土壤钾的有效性。但在土壤肥力较低的土壤上可能会产生消极影响。     

半开放式CO_2和温度递增系统(CTGC)的改进:CO_2浓度控制效果

环境控制模拟系统,是开展农田生态系统对全球气候变化响应研究的有效手段,但目前应用于试验中的模拟系统均存在一定局限,如CO_2气体过量消耗、试验成本较高、模拟的试验环境与真实的自然环境差异较大、试验空间有限、不易重复等。针对这些问题,本研究对半开放式CO_2浓度和温度递增模拟系统(CTGC)进行了硬件升级和设计改进,针对其CO_2浓度的控制效果包括CO_2浓度监测、CO_2气体释放两大系统进行改进,使其能达到精准控制CO_2气体释放,降低试验成本,精确模拟未来高CO_2浓度的生产环境,其空间面积较大,适合多种作物同时试验。改进后的系统利用电磁阀组和CO_2浓度检测传感器组成的多通道监测系统,实时检测各处理区域内的CO_2浓度,实现精准监测。在CO_2气体释放源端,采用比例调节式减压器,有效减少了CO_2从储气罐中被减压后在气体管路中的压力积蓄,控制CO_2气体精量释放;系统将CO_2释放方式由纵向改为横向,释放管道由主管加支管组成,由控制流量调节阀将主管与支管相连接,使气室内形成均匀的CO_2释放区域,从而达到CO_2浓度梯度升高的模拟效果。试运行结果表明,改进后的CTGC系统可以实现CO_2浓度387±4.5、441±13.4、490±20.9、534±24.3和567±28.9μmol·mol-1的梯度递增,系统对环境变化的响应速度加快,能够精确实时监测气室内各处理区域CO_2浓度的变化,并实现CO_2气体的精量释放;系统内的CO_2浓度梯度递增趋于稳定,从而更好地模拟大气CO_2浓度逐渐升高的过程,满足作物对气候变化响应研究的需要。     

开放式空气CO2浓度升高对水稻土壤可溶性C、N和P的影响

采用 FACE (Free air carbon dioxide enrichment)技术,研究了不同 N 施肥水平下,大气 CO2浓度升高对水稻/小麦轮作中水稻土壤可溶性 C、N、P 的影响。结果表明,CO2浓度升高使土壤表层可溶性 C 含量增加,土壤 5 ~ 15 cm 的可溶性 C 含量倾向于降低,增加 N 肥施用(常规 N 处理)更易于使土壤可溶性 C 含量降低。CO2浓度升高使水稻土壤中的可溶性 N 含量降低,在低 N 处理和土壤表层降低幅度较大,N 肥施用仍有提高的余地。CO2浓度升高使水稻成熟期土壤可溶性 P 含量增加,但是常规N 处理下会降低水稻生长前期和土壤表层的可溶性 P,增加 N 肥施用有利于水稻对 P 的吸收。     

FACE对三系杂交籼稻汕优63根系活性影响的研究

2005、2006年利用我国惟一的农田开放式空气CO2浓度增高（FACE）研究平台,设计施N量为125kg·hm^-2（LN）、250kg·hm^-2（NN）处理,研究大气CO2浓度比对照高200umol·mol^-1的FACE处理对三系杂交籼稻汕优63根系活性的影响。结果表明：（1）FACE处理使汕优63不同生育时期单位干质量根系的总吸收面积、活跃吸收面积、α-萘胺氧化量等根系活性指标均极显著小于对照。由于FACE处理促进汕优63根系发生量的大幅度增加,因此分蘖期、拔节期其单穴根系活性与对照多无明显差异,到抽穗期FACE处理单穴根系活性显著大于对照;（2）拔节期、抽穗期汕优63每穴的不定根数、不定根总长度、根系体积、根干质量与单位干质量根系活性的关系密切,根量越大单位于质量根系活性越低;（3）不同生育时期汕优63植株含氮率与单位干质量的根系活性多呈正相关,植株碳氮比与单位干质量的根系活性多呈负相关;（4）FACE处理汕优63根系生长量大、植株含氮率低、碳氮比高等可能是造成其单位干质量根系活性低于对照的重要原因。     

近地层臭氧浓度升高对常规稻颖花形成的影响：FACE研究

FACE（free air gas concentration enrichment）研究使用标准的作物管理技术,在完全开放的大田条件下运行,代表了目前人类对未来大气环境的最好模拟。利用独特的大型稻田FACE平台,以典型的常规水稻品种武粳15（粳稻）和扬稻6号（籼稻）为供试材料,研究近地层臭氧（O3）浓度升高（比大气背景臭氧浓度平均增高26%）对常规水稻颖花形成的影响。结果表明：（1）高浓度O3对供试品种全穗以及一、二次枝梗颖化分化数均无显著影响;（2）高浓度O3使供试品种全穗和二次枝梗颖花退化数和退化率均显著增加,颖花退化增多是由于现存一次枝梗上二次枝梗大量退化而引起的二次颖花退化所造成;（3）颖花退化数在颖花分化数中所占比例很低,故高浓度O3对两供试品种全穗和一、二次枝梗颖花现存数以及稻穗构成均无显著影响。结合前报可知,选用常规水稻品种以及增施保花肥可能是未来近地层高浓度O3环境下稻作生产重要的适应措施。     

FACE 条件下休闲和秸秆还田对稻麦轮作农田麦季土壤酶活性的影响

利用中国唯一的江都FACE(Free-airCO2 enrichment,开放式空气CO2浓度升高)平台,研究了大气CO2浓度升高下休闲(fallow,不种作物,但翻耕和施肥与其他处理相同)和秸秆还田对土壤脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、转化酶、芳基硫酸酯酶和荧光素二乙酸酯水解(FDA)的影响。研究结果表明:大气CO2浓度升高对于休闲土壤酶活性没有影响。在没有秸秆还田的情况下,大气CO2浓度升高刺激了土壤中脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、转化酶、芳基硫酸酯酶的活性和FDA水解,增加幅度分别达到了14.88%、19.41%、11.69%、17.12%和4.47%。除转化酶外,秸秆还田使土壤酶活性增加。随着秸秆还田量的增加,FACE效应先增加后消失。     

不同栽培法对高蛋白饲料稻籽粒氨基酸含量的影响

通过田间小区试验分析探讨了水稻高蛋白高产栽培综合技术体系、三壮三高栽培法、常规栽培法对湘丰早119（早稻）和培两优288（晚稻）稻米蛋白质和氨基酸含量的影响。结果表明,与常规栽培法相比,水稻高蛋白高产栽培综合技术体系能明显促进灌浆中后期水稻功能叶和籽粒中谷草转氨酶和天冬氨酸激酶的活性,明显提高糙米氨基酸、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、人体7种必需氨基酸、猪11种必需氨基酸、鸡14种必需氨基酸和蛋白质含量、产量和蛋白质产量;能促进水稻功能叶、籽粒中谷草转氨酶和天冬氨酸激酶活性和提高糙米蛋白质产量。研究说明,水稻高蛋白高产栽培综合技术体系能满足高蛋白饲料稻高产优质栽培的需要。     

大气CO2浓度升高对黄花蒿生长和氮磷钾养分吸收的影响

Annual wormwood (Artemisia annua L.) is the only viable source of artemisinin, an antimalarial drug. There is a pressing need to optimize production per cultivated area of this important medicinal plant; however, the effect of increasing atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentration on its growth is still unclear. Therefore, a pot experiment was conducted in a free-air CO₂ enrichment (FACE) facility in Yangzhou City, China. Two A. annua varieties, one wild and one cultivated, were grown under ambient (374 μmol mol^-1) and elevated (577 μmol mol^-1) CO₂ levels to determine the dry matter accumulation and macronutrient uptake of aerial parts. The results showed that stem and leaf yields of both A. annua varieties increased significantly under elevated CO₂ due to the enhanced photosynthesis rate. Although nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) concentrations in leaves and stems of both varieties decreased under elevated CO₂, total shoot N, P, and K uptake of the two varieties were enhanced and the ratios among the concentrations of these nutrients (N:P, N:K, and P:K) were not affected by elevated CO₂. Overall, our results provided the evidence that elevated CO₂ increased biomass and shoot macronutrient uptake of two A. annua varieties.     

大气CO2浓度升高对绿豆生长发育与产量的影响

研究大气CO2浓度升高对绿豆影响,有助于人们了解未来气候变化后绿豆生产的变化,以提前采取必要的应对措施趋利避害.本研究利用FACE(Free Air CO2 Enrichment)系统在大田条件进行了绿豆生长发育及产量受CO2浓度升高影响的试验.结果表明:大气CO,浓度升高后,绿豆叶面积、株高、节数、茎粗增加;倒数第一...     

水肥耦合对冬小麦籽粒蛋白质及氨基酸含量的影响

为了解不同水、肥条件下小麦籽粒氨基酸及蛋白质含量的变化, 2009~2010 年度在河南省洛阳市农业科学院以“洛旱2 号”小麦为材料, 采用防雨棚池栽种植方式, 研究了不同灌水量、施氮和施磷量及其互作对小麦籽粒蛋白质及氨基酸含量的影响。结果表明: 不同灌水量和施氮量对小麦籽粒蛋白质和氨基酸均有极显著影响(P≤0.01), 且灌水×施氮互作效应显著(P≤0.05 或P≤0.01); 而施磷对其影响不显著。小麦籽粒蛋白质和氨基酸含量均随施氮量增加而增加, 随灌水量增加而降低, 但当灌水量超过282.0 mm、施氮量超过179.2 kg·hm^-2 时, 各指标的变化不再明显,蛋白质含量在高施氮量下略有下降。而必需氨基酸占总氨基酸含量的比例呈随灌水量增加而增加,随施氮量增加而降低的趋势。从不同水肥处理组合看, 蛋白质和氨基酸含量以处理组合N₁₀₅P₄₂W₁₂₇[施氮量105 kg(N)·hm^-2、施磷量42 kg(P₂O₅)·hm^-2 和全生育期灌水量127 mm, 下同]最高, 必需氨基酸/总氨基酸以处理组合N_30.8P₁₂₆W₂₈₂ 最高。籽粒产量随灌水量的增加而增加, 且产量高的处理其水分利用效率也较高。综合从蛋白质及氨基酸产量看, 以处理组合N_179.2P₁₂₆W₂₈₂ 表现最好, 即施氮量为179.2 kg·hm^-2、施磷量为126 kg·hm^-2、灌水量为282 mm。     

大气CO2浓度升高对谷子生长发育与光合生理的影响

研究大气CO2浓度升高对谷子的影响,有助于人们了解未来气候变化后,谷子生产的变化,以提前采取必要的应对措施趋利避害。本研究利用FACE(FreeAirCO2Enrichment)系统首次在大田条件进行了谷子生长发育受CO2浓度升高影响的试验。结果表明,大气CO2浓度升高后,谷子的株高、茎粗、叶面积增加,叶片叶绿素含量下降。在相同CO2浓度下,抽穗期FACE圈内谷子叶片气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度与环境CO2浓度的比值(Ci/Ca)会下降,叶片光合能力有所下降,出现光适应,但水分利用效率(WUE)会提高。     

不同栽培法对食用稻子粒氨基酸含量的影响及其机理初探

水稻属于低蛋白作物,稻米的蛋白质含量与氨基酸组成受遗传基因的控制,但环境条件与栽培措施的影响也不容忽视。采用田间小区试验和室内分析相结合的方法,以湘早籼31(早稻)和培两优210(晚稻)组合为材料,探讨了水稻高蛋白高产栽培技术体系、三壮三高栽培法、常规栽培法对稻米氨基酸含量的影响及其作用机理。结果表明,与常规栽培法相比,水稻高蛋白高产栽培综合技术体系能明显提高灌浆中后期水稻功能叶和子粒中谷草转氨酶和天冬氨酸激酶的活性,明显提高糙米氨基酸、人体7种必需氨基酸和蛋白质含量、产量和蛋白质产量;除早稻蛋白质产量外,其他指标与三壮三高栽培法之间差异不显著。水稻高蛋白高产栽培技术体系的早稻糙米的氨基酸含量比三壮三高栽培法、常规栽培法分别提高了4.09%和31.92%,人体7种必需氨基酸的含量分别提高了2.99%和33.06%,赖氨酸(稻米蛋白质的限制性氨基酸,猪的第一限制性氨基酸)的含量分别提高了1.95%1、8.55%,苏氨酸(稻米蛋白质的限制性氨基酸)的含量分别提高了6.54%和31.98%,蛋白氮含量分别提高了6.76%和27.57%,蛋白质产量分别提高了15.72%和38.64%;高蛋白高产栽培技术体系中晚稻糙米的氨基酸含量比三壮三高栽培法、常规栽培法分别提高了2.24%和42.98%,人体7种必需氨基酸的总量分别提高了9.20%和58.05%,蛋白氮含量分别提高了1.74%和26.06%,蛋白质产量分别提高了2.80%和59.42%。     

CO_2浓度、氮素和水分对春小麦碳素固定的影响

试验设350μmolmol-1和700μmolmol-12种CO2浓度水平,湿润、干旱2种水分处理和施N0、50、100、150和200mgkg-15个水平。结果表明,CO2浓度增加,春小麦地上部碳固定量和碳固定总量均增加,但与氮肥施用水平有关。在中氮和高氮时,CO2浓度增高,地上部碳固定量和碳固定总量明显增加,而不施氮肥和低氮时,增加则不明显。不同水分处理地上部碳固定量和碳固定总量也没有明显差别,这表明,CO2浓度升高对氮素和水分胁迫及对春小麦碳固定并没有补偿作用。     

保护性耕作对山地结球甘蓝生长和土壤CO_2含量的影响

为了解耕作措施对山地蔬菜种植的影响,改善山地土壤的生态环境,笔者通过田间小区试验研究了免耕及秸秆还田方式对山地土壤CO2含量及结球甘蓝的生长、发育和产量的影响。结果表明,秸秆覆盖和免耕相结合即有利于山地土壤呼吸产生CO2,又有利于山地蔬菜生长和产量、产值提高;免耕对土壤呼吸产生CO2影响不明显,但有利于蔬菜生长;深耕条件下增施秸秆,有利于土壤呼吸产生CO2,但对当季蔬菜的生长有一定的负面影响。