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。     

开放式空气中CO_2浓度增高（FACE）对常规粳稻蛋白质和氨基酸含量的影响

为了明确未来大气CO2浓度升高对水稻蛋白质营养品质的影响,2009年利用稻田开放式空气CO2浓度增高（FACE,FreeAirCO2 Enrichment）系统,以武运粳21、扬辐粳8号和武粳15为供试品种,研究大田生长期CO2浓度升高200μmol.mol-1对常规粳稻蛋白质营养品质的影响。结果表明：大气CO2浓度增加使所有供试品种精米蛋白质含量平均下降5.6%,使氨基酸、必需和非必需氨基酸总量平均分别下降7.6%、6.7%和7.9%,均达极显著水平。大气CO2浓度增加使供试品种精米必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著增加,使非必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著下降,但对精米中必需和非必需氨基酸的相对含量无显著影响。从氨基酸组分看,大气CO2浓度增加使供试品种精米中7种必需氨基酸和8种非必需氨基酸的含量均显著或极显著下降。CO2处理与品种对精米蛋白质含量、氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量以及部分氨基酸组分有一定的互作效应,武运粳21上述参数对高浓度CO2的响应大于扬辐粳8号或武粳15对应参数的响应。以上结果说明本世纪中叶大气中的CO2浓度将使粳稻蛋白质营养品质下降,不同品种下降幅度存在一定差异。     

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。     

不同水分处理下冬小麦旗叶叶绿素荧光参数的变化研究

用叶绿素荧光诱导动力学技术研究了变水条件对冬小麦旗叶叶绿素荧光参数:初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、光系统Ⅱ(PSⅡ)的原初光能转化效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/Fo)以及qP和qNP等的影响。结果表明,干旱胁迫使Fo和qNP值增加,Fv、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP、ETR值降低,但在拔节期和灌浆期干旱或复水处理下与干旱处理结果相反,这说明干旱可引起PSⅡ反应中心的破坏,而不同生育期的干湿交替环境条件可以增加PSⅡ反应中心开放部分的比例,将更多的光能用于推动光合电子传递,从而提高光合电子传递能力,同时qNP的提高,有助于耗散过剩的激发能,以保护光合机构,缓解环境对光合作用的影响。     

限水灌溉和不同施肥方式对冬小麦旗叶某些光合功能的影响

用荧光诱导动力学技术研究了限水灌溉和不同施肥方式对冬小麦不同品种旗叶某些光合功能的影响。结果表明 ,在总施肥量相同的情况下 ,与春后不浇水和所有肥料作底肥的处理相比 ,春后浇两水 (拔节和灌浆水 )和一部分尿素 (150kg/hm2)用作拔节肥有利于 76选系 ,尤其是4041提高旗叶的PSⅡ活性、PSⅡ原初光能转化效率和总的光化学量子产量 ,光化学猝灭系数 (qN) ,表观光合电子传递速率 (ETR)而降低非辐射能量耗散。但是 ,春后浇两水和部分尿素作拔节肥并不改善抗旱品种山农45的光合功能。文中讨论了减少冬小麦春后的灌溉次数和全部肥料作为底肥施用的可能性。     

FACE条件下水稻生育后期剑叶光合色素含量及产量构成的响应研究

为明确CO2浓度增高对水稻叶片光合能力的影响,利用自由CO2富集系统(free-air carbon dioxide enrichment,FACE)研究‘松粳9号’和‘稻花香2号’水稻生育后期剑叶光合色素含量及产量构成的变化趋势;通过测定水稻孕穗—抽穗期剑叶叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量,分析光合色素组成、各组分间相关关系及品种间差异;收获后实测产量构成因素,比较处理及品种间差异。结果表明,与对照相比,高CO2浓度下水稻孕穗和抽穗期叶绿素a含量都极显著升高,‘松粳9号’和‘稻花香2号’的最大增幅分别达28.46%和19.58%;抽穗后20 d分别极显著降低15.25%和23.20%。高浓度CO2极显著降低水稻抽穗后20 d叶绿素b含量,两品种降幅分别为7.57%和5.33%;极显著增加抽穗后30 d叶绿素b含量,增幅分别为4.19%和9.46%。高CO2浓度下两品种水稻抽穗期类胡萝卜素含量显著增加9.47%和13.55%,抽穗后10 d之后显著降低,最高降幅达13.54%和16.67%。高CO2浓度下水稻总叶绿素含量和叶绿素a/b比值在孕穗和抽穗期增加,抽穗后20 d减少。高CO2浓度对产量构成因素均有正面影响,增加了水稻单位面积穗数、结实率和千粒重,显著提高了千粒重,两品种增幅分别达8.6%和4.5%。试验结果明确了高CO2浓度对水稻灌浆前期剑叶光合色素的积累有促进作用,后期有抑制作用,品种间响应差异显著;千粒重增加是增产的主要因素。     

植物多糖类复合制剂对冬小麦光合特性及籽粒灌浆进程的影响

为探明有效成分不同的植物多糖类复合制剂的增产作用和机理,在冬小麦始花期叶面喷施以植物多糖、5-氨基乙酰丙酸和缩节胺为有效成分复配的3种复合制剂P1、P2和P3(由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所自主研发),以清水为对照,比较研究不同制剂对冬小麦叶绿素含量、硝酸还原酶活性、光合蒸腾特性、籽粒灌浆进程及产量等的影响。结果表明,喷施3种制剂20 d内,小麦旗叶和倒二叶的叶绿素SPAD值均较对照有不同程度增加,且随生育进程下降的趋势较对照有所延缓。旗叶净光合速率较对照增加了8.7%~17.4%,且P1和P2对SPAD值和光合速率增加的效应大于P3。此外,P1和P2还促使小麦硝酸还原酶活性增强,单叶水分利用效率增加10%以上。3种植物多糖类复合制剂均促使小麦达到最大灌浆速率的时间提前1.3~4.2 d,且P1和P2使籽粒平均灌浆速率提高6%以上。P3虽未引起籽粒灌浆速率的明显变化,但灌浆时间延长1.0 d。喷施3种复合制剂未引起小麦穗数的明显变化,但穗粒数和千粒重增加,并促使小麦增产8%以上。分析认为,3种植物多糖类复合制剂可促进小麦叶绿素合成、延缓叶片衰老、改善旗叶光合潜能和籽粒灌浆进程,进而实现增产。     

喷灌条件下不同灌水处理冬小麦的叶水势特征

在喷灌区一季冬小麦的试验表明,冬小麦叶水势值在各生育期每天的1400左右发生明显变化;从生育期看,返青期叶水势低谷值出现较晚,持续时间短且恢复较快;孕穗和开花期低谷出现有提前和持续时间延长趋势;叶水势不完全随生育进程与土壤水分同步变化,原因为同一时期内土壤水分是造成叶水势差异的主导因素,但同时外界条件的变化也对叶水势的变化有一定的影响作用。前期叶水势在黎明前和中午都与浅层土壤水分关系密切;到开花和灌浆期叶水势则变为只在中午与浅层土壤水分关系密切,黎明前更多依赖深层土壤水分状况,表现为与深层土壤水分关系密切。喷灌条件下,当返青后灌水量超过150mm时,灌水量对叶水势的影响减小。     

喷施抗蒸腾剂对冬小麦旗叶蒸腾效率的影响

成膜型植物抗蒸腾剂(PFA)可以有效地减少植物的水分耗散, 提高水分利用效率。本试验以冬小麦(Triticum aestivum L.) 品种"科农9204"为试验材料, 在灌溉0 水、1 水、2 水和3 水条件下叶面喷施PFA, 测定灌浆期小麦旗叶水分生理和胁迫程度在处理间的差异以及衰老进程变化, 探讨了PFA 在冬小麦抵御干热风、提高水分利用效率方面的作用。结果表明: 喷施PFA 可以显著降低旗叶的蒸腾速率, 而对光合速率无显著影响,使叶片蒸腾效率显著提高; 喷施PFA 处理旗叶的保水力提高, 离体失水速率降低, 叶片的相对含水量和水势提高; 灌1 水、2 水和3 水条件下, 喷施PFA 处理旗叶的超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛含量均低于不喷施的对照, 而旱作(全生育期不浇水)喷施处理的旗叶SOD 和CAT 活性则高于对照。喷施PFA 可以有效地维持旗叶的水分生理环境, 抑制活性氧的产生, 保证氧自由基清除系统的正常运行, 维持细胞膜的完整性, 从而维持较高光合速率, 同时有效降低蒸腾速率, 这构成叶片蒸腾效率提高的生理基础。     

不同水氮条件下冬小麦生育期NDVI和光合速率的变化

在不同水氮条件下,分析了冬小麦生育期归一化植被指数(Normalized difference vegetable index:NDVI)和光合速率的变化及两者和籽粒产量的关系,结果表明:(1)灌水对拔节期与孕穗期的NDVI值以及扬花期与灌浆期的光合速率有显著影响(p<0.05);起身水+孕穗水+灌浆水处理(I3)的孕穗期NDVI值和灌浆期光合速率平均比起身水处理(I1)分别显著增高6.7%和8.0%,起身水+扬花水处理(I2)的扬花期光合速率平均比起身水处理(I1)显著增高5.5%。(2)施氮对NDVI值和光合速率的影响均达到极显著水平;0～270 kg/hm2范围内,增加施氮能显著提高拔节期NDVI值以及灌浆期光合速率,但随着生育期的推进,增加施氮对NDVI值的提高作用逐渐下降。(3)拔节期NDVI值和光合速率与冬小麦籽粒产量相关性最高,相关系数分别达到0.968和0.864。     

开放式空气CO2浓度升高对小麦冠层微气候的影响

利用农田开放式CO2 浓度升高 (Free-air CO2 Enrichment,简称FACE)系统平台,于小麦拔节-成熟期进行作物冠层微气候要素的连续观测.结果表明:FACE条件下叶片气孔导度低于对照,倒一、倒二、倒三叶的气孔导度比对照平均分别减少了28%、32%和26%,均达极显著水平(p<0.01);由于叶片气孔导度降低使得蒸腾降温作用减弱,导致白天FACE条件下小麦的冠层温度升高,开花-蜡熟期平均升高0.77℃,抽穗后最高达1.58℃;FACE系统中,白天小麦冠层内部空气温度比对照高0.12～0.98℃(最大差值),冠层顶部空气温度高0.03～0.7℃(最大差值),但冠层空气湿度均低于对照,冠层中部空气湿度最低差值在-0.3～-7个百分点;FACE处理对小麦冠层上方净辐射的影响不大.     

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。     

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.     

近地层臭氧浓度增高对稻米品质的影响: FACE研究

利用稻田开放式空气中臭氧浓度增加(FACE,Free Air gas Concentration Enrichment)平台,以常规粳稻‘武粳15’和杂交粳稻‘陵风优18’为供试材料,设置大气背景臭氧浓度(Ambient)和高臭氧浓度(比Ambient增高21%,模拟21世纪中叶臭氧浓度)两个水平,研究臭氧胁迫对大田生长水稻成熟期稻米加工、外观、蒸煮/食味和营养品质的影响及其种间差异。结果表明,近地层臭氧浓度增高使稻米糙米率、精米率和整精米率均不同程度下降,其中精米率降幅达显著水平。与Ambient相比,臭氧胁迫使两品种稻米垩白米率、垩白大小和垩白度平均分别增加15.0%(P=0.10)、42.0%(P0.05)和60.5%(P0.05)。臭氧胁迫使稻米胶稠度平均降低7.1%(P0.05),但对两品种稻米直链淀粉和糊化温度均无显著影响。稻米RVA谱测定结果显示,臭氧胁迫对稻米最高黏度值、崩解值、冷胶黏度值、消减值和回复值均无显著影响。臭氧胁迫使两品种稻米蛋白质浓度呈增加趋势,但均未达显著水平。方差分析表明,多数情况下,两品种间稻米诸品质性状存在显著差异,但品种与臭氧的互作对所有测定指标均无显著影响,说明两品种稻米品质对臭氧胁迫的响应无明显差异。本试验在开放稻田条件下运行,适度臭氧胁迫使稻米垩白明显增加,胶稠度显著下降,但对其他米质指标影响较小,两品种趋势一致。     

翻耕对冬闲农田CH4和CO2排放通量的影响初探

通过连续观测，比较了冬闲农田翻耕和不翻耕情况下甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的排放通量。结果表明：翻耕能显著增加CO2的排放通量，但这种影响只在翻耕后的4d内较明显；翻耕对CH4排放通量的影响在翻耕后的3d内比较明显，表现为翻耕初期导致CH4的峰值排放，而在6～8h后，则对降低CH4的排放有一定的作用。且CH4和CO2排放通量与气温呈显著正相关。     

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。     

大气CO2浓度升高对不同穗型冬小麦灌浆动态的影响

利用开放式空气中CO2浓度升高系统（Free Air CO2 Enrichment,FACE),以CO2浓度为主处理,FACE圈内白天（5：30-18：00）CO2浓度550±17μL·L-1,对照浓度400±16μL·L-1,品种为副处理,选取大穗型（陕旱8675）、中穗型（京冬8号）和多穗型（胜利麦）3个小麦品种为研究对象进行实验,研究未来CO2浓度升高条件下,不同穗型冬小麦品种籽粒灌浆特征的动态变化。结果表明：（1）CO2浓度升高明显增加了各品种的初始粒重。中穗型品种京冬8号灌浆前期粒重增加,但最终籽粒重无影响,其灌浆时间和平均灌浆速率影响亦不明显;大穗型品种陕旱8675灌浆时间比对照延长19.3%,其籽粒重显著增加,穗上、中、下部增重分别为11.0%、20.9%、23.3%,全穗增重18.8%;CO2浓度升高后多穗型品种胜利麦灌浆速率的降低抵消了灌浆时间延长对籽粒总重的效应,其灌浆过程粒重增加不明显。（2）CO2浓度升高对多穗型品种京冬8号和大穗型品种陕旱8675灌浆参数（最大灌浆速率、到达最大灌浆速率的时间、平均灌浆速率和灌浆时间）的影响均表现为上部和下部穗大于中部穗,而多穗型品种胜利麦中部穗各灌浆参数变化幅度明显高于上、下部穗。（3）CO2浓度升高条件下,京冬8号和陕旱8675均表现为前期灌浆时间缩短,中、后期灌浆时间延长,而其在3个时期的平均灌浆速率变化正好相反;胜利麦在3个时期的灌浆时间均延长,平均灌浆速率降低。研究表明大穗型冬小麦品种比多穗型品种对大气CO2浓度增加的响应更明显。