无糖培养条件下大型组培箱内CO2变化规律及对组培苗的影响

该文采用中国农业大学农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室研制的设有组培微环境实时监控系统的大型组培箱,分别对矮牵牛、菊花和番茄组培苗移栽后箱体内CO2浓度的变化规律及不同CO2增施浓度对无糖组培苗生长的影响进行了研究.试验表明:移栽后的当天,组培箱内的CO2浓度便开始下降,第2 d下降速度明显加快,均降至100 μL/L以下.在移栽后的第4～5 d,箱体内CO2浓度下降到35 μL/L左右后便不再下降,一直在30～40 μL/L之间波动.因此得出:无糖培养在组培苗移栽后的第2 d就应增施CO2,否则会直接影响组培苗的生长.在不同CO2增施浓度试验中,当光照度控制在80 μmol/(m2·s)时,CO2浓度为(650±50)μL/L时培养出的组培苗生长状况最好.     

组培环境CO2增施监控系统的设计与试验

为改善组培苗的生长发育环境,探索CO₂富集等环境因素的影响,设计制作了CO₂适时增施监控系统,并以葡萄组培苗为对象,利用本控制系统与传统组培方式进行了对比试验。结果表明:系统工作稳定、正常,能够有效地将CO₂浓度控制在设定的(800～1200)μL/L范围内,满足组培苗光合作用的需要;在CO₂富集环境中,组培苗生长健壮、发育良好,光合自养能力显著增强     

CO2浓度升高对不同水分条件下冬小麦生长和水分利用的影响

以CO₂浓度升高为主要特征的气候变化对作物生长发育及产量形成的影响日益受到重视。冬小麦是我国主要粮食作物之一, 主要分布在干旱及半干旱地区, 且生长期内多干旱少雨。研究不同水分条件下冬小麦的生长变化及水分利用对CO₂浓度升高的响应具有重要的科学和实践意义。本研究在封顶式生长室中对2个土壤水分水平[适宜水分: 70%~80%田间持水量; 干旱胁迫: 50%~60%田间持水量]的盆栽冬小麦进行了CO₂熏蒸试验[背景大气浓度: (396.1±29.2) μmol·mol^-1; 升高的浓度: (760.1±36.1)μmol·mol^-1]。对小麦植株生理指标、生物量、产量、耗水量和水分利用效率(WUE)等的研究结果表明, 与背景大气CO₂浓度相比, CO₂浓度升高可促进冬小麦生长, 其地上生物量显著增加, 适宜水分和干旱胁迫条件下分别增加了28.6%和18.6%; 籽粒产量显著增加, 适宜水分和干旱胁迫条件下分别增加了32.6%和22.6%; CO₂浓度升高主要通过增加穗粒数提高籽粒产量, 穗粒数在适宜水分条件下提高24.3%, 干旱胁迫条件下提高15.5%, 对千粒重没有显著影响。CO₂浓度升高使群体和产量WUE显著提高, 在适宜水分条件下提高幅度较大, 分别提高17.7%和24.8%。CO₂浓度升高显著提高了叶片光合速率(P_n)、降低了气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r); 在适宜水分和干旱胁迫下P_n分别提高15.6%与12.9%, G_s分别降低22.7%与18.2%, T_r分别降低8.9%与7.5%。CO₂浓度升高提高了叶片水势及叶绿素含量; 在适宜水分条件下叶片水势提高幅度较大, 为7.7%; 叶片叶绿素含量在2种水分条件分别提高7.5%与3.8%。由以上试验结果可得出: CO₂浓度升高对冬小麦的生长、产量及水分利用效率均具有促进作用, 而且在土壤水分状况较好时, 这种作用效果更明显; CO₂浓度升高主要通过增加穗粒数来促进产量提高。     

不同水分条件下CO2浓度升高对冬小麦碳氮转运的影响

CO2浓度升高对作物的影响日益受到重视,水分是作物生长的必要条件之一。冬小麦是我国的主要粮食作物之一,阐明高CO2浓度和水分条件互作对冬小麦碳氮转运的影响,对客观认识气候变化背景下作物的水分管理及肥料施用具有实际指导意义。本研究利用开放式CO2富集系统(FACE)平台,以冬麦品种‘中麦175’为试验材料,采用盆栽试验方法,研究了不同CO2浓度[正常浓度(391±40)μmol·mol?1和高浓度(550±60)μmol·mol?1]及水分条件(湿润条件和干旱条件,即75%和55%田间土壤最大持水量)的冬小麦花前碳氮积累及花后碳氮转运的规律特征。结果表明:湿润条件下,与正常CO2浓度相比,高CO2浓度促进冬小麦地上部干物质及碳氮积累,开花期增幅分别为18.1%、16.5%、14.9%,成熟期增幅分别为6.6%、1.3%、4.5%,并提高碳氮转运能力及对籽粒贡献率,转运量、转运率及对籽粒贡献率的增幅碳素依次为39.3%、20.0%、30.0%,氮素依次为19.1%、3.8%、10.8%。干旱条件下,与正常CO2浓度相比,高CO2浓度对地上部碳氮积累有一定的促进作用,开花期和成熟期碳积累量分别增加3.0%和10.7%,氮积累量分别增加0和15.8%;但高CO2浓度阻碍了碳氮的转运,转运量、转运率降幅碳素分别为10.2%、12.8%,氮素分别为7.2%、7.1%;碳氮对籽粒贡献率则变化不同,碳降低14.4%,而氮升高31.3%。干旱及高CO2浓度互作与湿润条件正常CO2浓度处理相比,冬小麦碳素转运对籽粒贡献率降低更明显,地上部碳素转运量、转运率及对籽粒贡献率降幅分别为36.2%、16.9%、22.3%,但提高了氮素转运对籽粒贡献率,氮素转运量及转运率分别降低35.7%、15.2%,对籽粒贡献率增加7.0%。综合而言,高CO2浓度可促进冬小麦碳氮积累及其在花后向籽粒的转运,水分不足可能成为主要的物质转运障碍因子,限制CO2促进作用发挥。     

模拟CCS技术CO2泄露对C4作物种子萌发的影响

模拟CCS技术CO₂泄露对C₄作物种子萌发的影响,以期为CCS技术CO₂泄露后可能产生的环境影响提供基础性资料。利用CO₂人工气候箱,模拟CCS技术CO₂泄露产生的高浓度CO₂环境,研究在CO₂分别为正常大气CO₂浓度(对照组),10000,20000,40000,80000 mg/kg时,对玉米、高粱、谷子、糜子4种C₄作物发芽率、发芽势以及平均发芽天数的影响。高浓度CO₂对玉米发芽率无明显影响,而高粱、谷子和糜子分别在10000,20000, 20000 mg/kg时发芽率达到最高值;高浓度CO₂对玉米发芽势亦无明显影响,而高粱、谷子和糜子均在20000 mg/kg时发芽势达到最高值;高浓度CO₂对4种C₄作物发芽天数均产生较小影响,其中,对糜子影响较为显著。在不同CO₂浓度范围内对C₄作物种子发芽率分别有促进和抑制作用,促进和抑制作用不是很显著,其中,促进范围1%~5%,抑制范围1%~4%;高浓度CO₂对C₄作物种子发芽势有比较显著的促进作用,较对照组,发芽势的促进范围为9%~16%;高浓度CO₂对4种C₄作物发芽天数均产生较小影响。     

高浓度CO2下氮素对小麦叶片干物质积累及碳氮关系的影响

高大气CO₂浓度下植物叶片干物质积累、碳氮关系和糖含量的变化对光合作用的适应性下调有重要的反馈作用,通过研究不同施氮量对高大气CO₂浓度下植物叶片干物质积累、叶氮浓度和糖含量的影响,可进一步明确氮素对植物光合作用适应性下调的调控机制。以不同大气CO₂浓度和氮素水平为处理条件,测定盆栽小麦拔节期叶片鲜重、干重、含水量、还原糖、可溶性糖、全氮含量,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度(760μmol·mol-1)下小麦叶片的干物质积累、糖含量及碳氮含量的影响。结果表明,大气CO₂浓度升高使小麦叶片的鲜重和干重增加,含水量下降。大气CO₂浓度升高使N0处理的小麦叶片还原糖含量下降,而可溶性糖含量显著升高;施氮后小麦叶片还原糖含量无显著变化,但可溶性糖含量降低。高大气CO₂浓度条件下小麦叶片全氮含量下降,C/N比增加,而增施氮素后C/N比显著下降。可溶性糖含量和C/N比的下降有利于减轻同化物质对光合作用的反馈抑制,提高大气CO₂浓度增高条件下小麦叶片的P_n。     

大气CO2倍增对水稻生长和发育的影响

矮香糯水稻(Oryza sativa L, )插身后生长在大气（350ppm CO₂）和CO₂倍增（700 ppm CO₂）的开顶式培养室中，结果显示，在CO₂倍增的条件下，矮香糯生长旺盛，根系发达，根系干重增加23%，株高增加12%，每穗结实率增加29%，每株籽粒干重增加41%。本文对目前有关这方面的研究现状进行了讨论。     

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CO₂浓度和遮阴为处理手段,研究高大气CO₂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CO₂浓度相比,高大气CO₂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CO₂浓度发生了“光适应”。与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂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。     

水培条件下CO2与NH+4/NO-3配比对番茄幼苗生育的影响

升高CO₂浓度能够促进作物的光合作用，提高作物的生物量和产量，但关于CO₂与NH⁺₄/NO^-₃比及其交互作用对作物影响的研究较少，为探索番茄幼苗生长发育对CO₂浓度升高的响应是否对NH⁺₄/NO^-₃配比有较强的依赖关系，本试验在营养液栽培条件下，以番茄(Lycopersicun esculentum Mill)为试材，研究正常大气CO₂浓度(360 μL/L)和倍增CO₂浓度(720 μL/L)与不同NH⁺₄/NO^-₃配比的交互作用对番茄幼苗生长的影响。结果表明：CO₂浓度升高提高了低NH⁺₄/NO^-₃比例处理中番茄叶片的光合速率和水分利用率，提高幅度随NH⁺₄/NO^-₃比例的降低而增强，光合速率增强最大达55%。在同一CO₂浓度处理下净光合速率与水分利用率均随NH⁺₄/NO^-₃比例的增加而显著降低。这说明CO₂浓度升高对番茄幼苗生长发育的促进作用随NH⁺₄/NO^-₃比例的降低而提高，但并没有减弱全NH⁺₄-N处理中番茄幼苗的受毒害作用。综上所述，CO₂浓度升高能提高植物生产的节水能力和水分生产力；水培条件下，NO^-₃-N是最适合番茄幼苗生长发育的氮源，其它NH⁺₄/NO^-₃比例对番茄幼苗的生长发育有一定的抑制作用，仅以NH⁺₄-N作氮源则番茄幼苗很难生长。     

温室CO2气体浓度环境自动调控系统的研究

为了改善现代温室内气体环境的质量，提高温室的生产产量和产品品质，介绍一种新型温室CO₂浓度自动调控系统，并运用射流理论，分析研究了系统的设计原理和方法，对系统的工作性能也作了相应的对比实验研究，结果表明该系统具有结构简单、自动控制性能好、造价低、运行经济可靠、补充CO₂速度快、CO₂浓度和气体流速分布均匀、增产效果和经济效益明显等特点。     

A new technique to measure soil CO2 efflux at constant CO2 concentration

A new principle for measuring soil CO₂ efflux at constant ambient concentration is introduced. The measuring principle relies on the continuous absorption of CO₂ within the system to achieve a constant CO₂ concentration inside the soil chamber at ambient level, thus balancing the amount of CO₂ entering the soil chamber by diffusion from the soil. We report results that show reliable soil CO₂ efflux measurements with the new system. The novel measuring principle does not disturb the natural gradient of CO₂ within the soil, while allowing for continuous capture of the CO₂ released from the soil. It therefore holds great potential for application in simultaneous measurements of soil CO₂ efflux and its δ¹³C, since both variables show sensitivity to a distortion of the soil CO₂ profile commonly found in conventional chamber techniques.     

Relationship between soil CO2 concentrations and forest-floor CO2 effluxes

To better understand the biotic and abiotic factors that control soil CO₂ efflux, we compared seasonal and diurnal variations in simultaneously measured forest-floor CO₂ effluxes and soil CO₂ concentration profiles in a 54-year-old Douglas fir forest on the east coast of Vancouver Island. We used small solid-state infrared CO₂ sensors for long-term continuous real-time measurement of CO₂ concentrations at different depths, and measured half-hourly soil CO₂ effluxes with an automated non-steady-state chamber. We describe a simple steady-state method to measure CO₂ diffusivity in undisturbed soil cores. The method accounts for the CO₂ production in the soil and uses an analytical solution to the diffusion equation. The diffusivity was related to air-filled porosity by a power law function, which was independent of soil depth. CO₂ concentration at all depths increased with increase in soil temperature, likely due to a rise in CO₂ production, and with increase in soil water content due to decreased diffusivity or increased CO₂ production or both. It also increased with soil depth reaching almost 10 mmol mol⁻¹ at the 50-cm depth. Annually, soil CO₂ efflux was best described by an exponential function of soil temperature at the 5-cm depth, with the reference efflux at 10 °C (F₁₀) of 2.6 μmol m⁻² s⁻¹ and the Q₁₀ of 3.7. No evidence of displacement of CO₂-rich soil air with rain was observed.Effluxes calculated from soil CO₂ concentration gradients near the surface closely agreed with the measured effluxes. Calculations indicated that more than 75% of the soil CO₂ efflux originated in the top 20 cm soil. Calculated CO₂ production varied with soil temperature, soil water content and season, and when scaled to 10 °C also showed some diurnal variation. Soil CO₂ efflux and concentrations as well as soil temperature at the 5-cm depth varied in phase. Changes in CO₂ storage in the 0–50 cm soil layer were an order of magnitude smaller than measured effluxes. Soil CO₂ efflux was proportional to CO₂ concentration at the 50-cm depth with the slope determined by soil water content, which was consistent with a simple steady-state analytical model of diffusive transport of CO₂ in the soil. The latter proved successful in calculating effluxes during 2004.     

大气CO2浓度增高对不同水稻品种稻米品质的影响

大气CO_2浓度升高导致全球变暖,同时亦对作物生长发育产生深刻影响。作为光合作用的底物,大气CO_2的浓度升高增加水稻产量,但对稻米品质的影响及其品种间差异的研究相对较少且存在分歧。本研究利用稻田FACE (free air CO_2 enrichment)技术平台,以8个水稻品种为材料,设背景CO_2浓度(Ambient)和高CO_2浓度(增200μmol·mol~(-1), FACE)两个水平,研究大气CO_2浓度升高对稻米加工品质、外观品质、食味品质以及部分营养品质的影响及其种间差异。本研究所有测定的品质性状供试品种间均存在显著或极显著差异。与Ambient相比,FACE处理下水稻糙米率、精米率和整精米率略降,但单位面积糙米、精米和整精米产量平均分别极显著增加23.7%、23.5%和20.9%。FACE处理对整精米长度、宽度和长宽比影响较小,但使整精米垩白率和垩白度平均分别增加18.6%和31.8%,均达极显著水平。FACE处理使所有品种稻米直链淀粉含量和胶稠度平均分别下降6.5%和3.1%,但均未达显著水平。从淀粉RVA谱看,FACE处理使所有品种峰值黏度、崩解值平均增加1.3%、6.9%,使热浆黏度、冷胶黏度、消减值分别下降2.2%、5.1%和65.6%,其中消减值达显著水平。FACE处理使所有品种整精米植酸含量平均增加5.3%,而蛋白质含量平均减少9.9%,均达显著水平。不同品种稻米品质性状对高CO_2浓度的响应方向和程度存在一定差异,其中FACE处理与品种对整精米长度、垩白率、垩白度、峰值黏度、热浆黏度和最终黏度存在显著的互作效应。以上数据表明,大气CO_2浓度升高使水稻产量大幅增加,稻米加工、外观和营养品质呈变劣趋势,但适口性可能变优,稻米品质对大气CO_2浓度增高的响应存在不同程度的品种差异。     

CO2浓度对金针菇生长发育的影响

在人工控制环境条件下研究了CO2浓度对金针菇（Flammulina velutipes）生长发育的影响结果表明，金针菇菌丝正常生长所要求的适宜CO2浓度为261.7-2930.5μmol/L；金针菇子实体原基形成随CO2浓度升高明显受到抑制，所要求的适宜CO2浓度范围为12.3-60μmol/L；菇蕾形成后为获得优质高产金针菇，应提高环境内CO2浓度，并控制在210－600μmol/L范围内。     

不同二氧化碳浓度处理对棉花生长发育和产量形成的影响

借助于OTC-1型开顶式气室进行了700ppm、500ppm和自然条件下二氧化碳浓度对棉花影响的模拟诊断试验，结果表明：二氧化碳浓度升高，特别是二氧化碳浓度倍增对棉花生育进程、生物量和产量等均有明显的正效应。     

超临界CO2连续浓缩鱼油EPA和DHA的研究

为了克服鱼油有效组分超临界CO₂间歇萃取方法的缺点，设计建造了超临界CO₂在内径14 mm、填料高1.8 m的填料塔中连续萃取浓缩鱼油有效组分的流程。根据单因素试验的结果，对工艺参数进行优化。设计了4因素3水平并考虑部分交互作用的正交试验方案，以综合指标进行评价，得到了优化工艺参数为：填料塔压为12.5 MPa；CO₂流量为5L/min；鱼油进料流量为0.8 mL/min；塔的温度分布为40～85℃。经方差分析得知，温度分布的影响对综合指标高度显著，鱼油进料流量对综合指标的影响显著，试验范围内的压力、CO₂流量、压力和温度分布交互作用、温度分布和CO₂流量交互作用以及压力和CO₂流量交互作用对综合指标没有显著影响。     

Elevated CO2 stimulates N2O emissions in permanent grassland

To evaluate climate forcing under increasing atmospheric CO₂ concentrations, feedback effects on greenhouse gases such as nitrous oxide (N₂O) with a high global warming potential should be taken into account. This requires long-term N₂O flux measurements because responses to elevated CO₂ may vary throughout annual courses. Here, we present an almost 9 year long continuous N₂O flux data set from a free air carbon dioxide enrichment (FACE) study on an old, N-limited temperate grassland. Prior to the FACE start, N₂O emissions were not different between plots that were later under ambient (A) and elevated (E) CO₂ treatments, respectively. However, over the entire experimental period (May 1998–December 2006), N₂O emissions more than doubled under elevated CO₂ (0.90 vs. 2.07 kg N₂O-N ha⁻¹ y⁻¹ under A and E, respectively). The strongest stimulation occurred during vegetative growth periods in the summer when soil mineral N concentrations were low. This was surprising because based on literature we had expected the highest stimulation of N₂O emissions due to elevated CO₂ when mineral N concentrations were above background values (e.g. shortly after N application in spring). N₂O emissions under elevated CO₂ were moderately stimulated during late autumn–winter, including freeze–thaw cycles which occurred in the 8th winter of the experiment. Averaged over the entire experiment, the additional N₂O emissions caused by elevated CO₂ equaled 4738 kg CO₂-equivalents ha⁻¹, corresponding to more than half a ton (546 kg) of CO₂ ha⁻¹ which has to be sequestered annually to balance the CO₂-induced N₂O emissions. Without a concomitant increase in C sequestration under rising atmospheric CO₂ concentrations, temperate grasslands may be converted into greenhouse gas sources by a positive feedback on N₂O emissions. Our results underline the need to include continuous N₂O flux measurements in ecosystem-scale CO₂ enrichment experiments.