大气 CO2 浓度升高对水稻氮代谢影响的研究进展

自工业革命以来,大气中浓度不断升高的CO2对C3植物生长发育的影响十分显著。CO2浓度升高条件下,植物光合作用增强,C同化产物增多,C、N代谢的平衡受到影响,植株N代谢发生变化。水稻(Oryza sativa L.)作为世界上最主要的食物来源之一,其N素营养状况的变化必然引起人类食物品质的改变,近年来已成为人们关注的焦点。本文结合气室条件的研究结果,从水稻N吸收和N积累量、N浓度、N代谢相关酶、不同形态的N(主要是蛋白氮)、C/N比、根系含N分泌物以及N与光合适应的关系等方面,重点收集和整理开放式空气中CO2浓度升高(FACE,Free Air Carbon-dioxide Enrichment)条件下水稻对N素的吸收、分配和利用等方面的研究进展,并对有待进一步深入的问题进行了探讨。     

大气CO2浓度和气温升高对藜麦生长及碳氮代谢的影响

为明确大气CO₂浓度升高和气温升高的交互作用对藜麦(Chenopodium quinoa Willd)生长及碳氮代谢的影响机制,在控制气室开展CO₂浓度和温度升高对藜麦的影响研究,设置对照CK(CO₂浓度和温度与室外相同)、EC(CO₂浓度为室外测定值+200μmol·mol^-1,气温与室外测定值相同)、ET(CO₂浓度与室外测定值相同,气温为室外测定值+2℃)、ECT(CO₂浓度为室外测定值+200μmol·mol^-1,气温为室外大气测定值+2℃)共4个处理,对藜麦灌浆期的光合作用、碳氮代谢以及成熟期的形态指标进行测定。结果表明,与对照相比,ET处理使藜麦的单株粒重降低75.73%,而EC处理使藜麦的地上部分生物量增加50.14%,单株粒重增加38.20%;ET处理使藜麦的水分利用效率下降,但EC、ECT处理均提高了藜麦叶片净光合速率和水分利用效率;ET处理使藜麦叶片光合色素含量显著降低,而EC处理使藜麦叶片的...     

大气CO2浓度和气温升高对大豆叶片光合特性及氮代谢的影响

以大豆品种“中黄35”为材料,利用人工气候室,设置对照CK（CO2浓度和气温与外界测定值相同）、EC（CO2浓度为外界测定值+200μmol·mol–1,气温与外界测定值相同）、ET（CO2浓度与外界测定值相同,气温为外界测定值+2℃）、ECT（CO2浓度为外界测定值+200μmol·mol–1,气温为外界大气测定值+2℃）共4个处理。大豆整个生育期均种植在人工气候室内,在大豆鼓粒期（8月12日）利用相对叶绿素仪测定大豆叶片相对叶绿素含量,利用便携式气体交换系统测定光合参数,利用便携式光合测量系统测定光响应曲线和CO2响应曲线,并测定叶片氮代谢相关指标,以研究CO2浓度升高200μmol·mol–1和气温升高2℃对鼓粒期大豆叶片的光合特性和氮代谢关键指标的影响。结果表明：（1）ET处理鼓粒期大豆叶片相对叶绿素含量（SPAD）显著增加,EC和ECT处理对其影响不明显。（2）各处理鼓粒期大豆叶片气孔导度（Gs）均显著下降。ET处理中,叶片净光合速率（Pn）、水分利用效率（WUE）显著下降,EC处理对其影响不大,但是可以提高叶片水分利用效率（WUE）,改善气温升高对叶片的负面影响。（3）EC和ET处理鼓粒期大豆叶片最大净光合速率（Pnmax）均显著下降,ECT处理对其影响不显著。（4）EC处理中,鼓粒期大豆叶片CO2补偿点（Γ）、饱和胞间CO2浓度（Cisat）、光呼吸速率（Rp）均显著增加,ET和ECT对其影响不大。各处理均使鼓粒期大豆叶片最大净光合能力（Amax）下降。（5）EC处理鼓粒期大豆叶片硝酸还原酶（NR）活性和可溶性蛋白含量均显著下降,但是ET和ECT处理叶片可溶性蛋白含量显著增加,硝酸还原酶（NR）活性变化不显著,各处理均降低了谷氨酰胺合成酶（GS）的活性。总之,CO2浓度升高200μmol·mol–1可以改善气温升高2℃对鼓粒期大豆叶片光合作用的负面影响,但对氮代谢有抑制作用,而气温升高2℃可以一定程度上缓解CO2浓度升高200μmol·mol–1对鼓粒期大豆叶片氮代谢的抑制作用。     

大气CO2浓度升高对作物根际土壤氮的影响

利用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,在两种氮肥施用（低氮LN和常规氮NN）水平下,研究CO：浓度升高对水稻和小麦收获后根际和非根际土壤硝态氮、铵态氮和有机氮的影响。结果表明,相对于对照CO2浓度处理,高CO2浓度处理在显著增加作物生物量的前提下,使水稻季根际土壤硝态氮含量降低,NN水平下降低明显,小麦季变化不大,高CO2浓度处理对作物根际的影响大于非根际。高CO2浓度对土壤铵态氮含量的影响不显著,仅小幅度增加了水稻季和降低了小麦季土壤铵态氮含量,且根际降低幅度大于非根际;增加氮肥施用使土壤铵态氮含量在高CO2浓度处理增加幅度低于对照。高CO2浓度处理并没有显著增加有机氮的含量,在小麦季作物对土壤有机氮的贡献大于水稻季,且增加氮肥施用条件下根际对有机氮的贡献较大。     

大气CO2浓度升高和氮肥水平对麦田土壤有机碳更新的影响

依托FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术平台,采用稳定¹³C同位索法,通过将C₃作物小麦种植于长期单作玉米的C₄土壤上,研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对水稻-小麦轮作制中冬小麦生长季土壤有机碳更新的影响。结果表明,种植一季小麦后土壤有机碳的δ¹³C值显著降低,小麦生长改变了土壤有机碳的组成,大气CO₂浓度增加促进作物向土壤中输入更多的碳。大气CO₂浓度升高增加了麦田土壤有机碳的更新率,使土壤有机碳的更新率由3.61%(施氮量为150 kg hm^-2,LN)～4.59%(施氮量为250 kg hm^-2,HN)提高至6.72%（LN）～8.55%（HN）,分别增加72.7%和86.1%。结果表明,大气CO₂浓度升高和提高氮肥用量将加快农田土壤有机碳的更新。     

稻田CO2排放对大气CO2浓度升高的响应

利用FACE (free-air carbon dioxide enrichment)平台,采用静态暗箱-气相色谱法,研究了大气CO2浓度升高对稻田土壤CO2通过土壤-大气(土气)和植被-大气(植气)界面排放的影响.在整个水稻生长季中,土气界面CO2排放通量与土壤表面水层深度指数负相关,且在中期烤田和收获前排水阶段出现较大值;而植气界面CO2排放通量与根系生物量的变化趋势基本一致.在低氮(N 125 kg/hm2)和常氮(N 250 kg/hm2)水平上,高浓度CO2(对照大气CO2浓度+200 μmol/mol)有提高水稻生物量、降低土气和植气界面CO2累积排放量的趋势.在水稻的拔节、抽穗和成熟期,较高的施氮量显著增加水稻地上部分生物量,促进植气界面CO2的排放.研究结果表明,未来大气CO2浓度升高的环境下,稻田生态系统有增加CO2的固定(增加水稻生物量),减少CO2的排放(土气和植气界面CO2的排放)的趋势,可能发挥着碳汇的作用.     

大气CO2浓度升高与氮肥互作对玉米光合特性及产量的影响

为阐明大气CO_2浓度升高和氮肥交互作用对C4作物玉米光合生理和产量的影响,本研究利用自由大气CO_2富集(FACE)平台,以玉米品种‘郑单958’为试验材料,在不同施氮量[常氮180kg(N)×hm~(-2)、低氮72kg(N)×hm-2]下比较大气CO_2浓度[(400±15)μmol×mol-1]和高CO_2浓度[(550±15)μmol×mol-1]对玉米生长的影响。结果表明:1)大气CO_2浓度升高使玉米苗期叶片叶绿素浓度显著(P=0.025)增加9.5%,抽雄期净光合速率显著(P=0.009)增加9.0%;低氮和常氮下,高CO_2浓度使玉米各主要生育期胞间CO_2浓度分别显著增加34.8%～48.5%和40.0%～49.4%,气孔导度在大口期和抽雄期分别显著下降21.6%(P=0.015)和22.1%(P=0.010),玉米叶片水分利用效率在大口期、抽雄期和灌浆期分别显著增加12.9%(P=0.002)、 9.8%(P=0.019)和18.8%(P=0.001);高CO_2浓度使玉米非光化学淬灭呈降低趋势、PSII有效光化学量子产量有增加趋势;相同氮水平下,高CO_2浓度对玉米产量没有显著影响。2)高CO_2浓度和合理施氮交互作用对玉米功能叶叶绿素含量、净光合速率、PSⅡ有效光化学量子产量增加有一定的促进作用,如在大口期和抽雄期,常氮+高CO_2浓度处理叶绿素含量比低氮+大气CO_2浓度处理增加17.3%和10.7%,高CO_2浓度和合理施氮量交互作用有增加玉米产量的潜力,合理增加施氮量促进了CO_2肥效的发挥。在未来大气CO_2浓度升高条件下合理施氮对C4作物玉米生长发育有促进作用。     

CO2浓度升高对三江平原湿地土壤碳氮含量的影响

利用开顶箱薰气室(open-top chamber,OTC),设置正常大气CO2浓度(ambient CO2)和高CO2浓度(elevated CO2,700μmol/mol)2个水平和不施氮(NN,0g/m2),常氮(MN,5g/m2)和高氮(HN,15g/m2)3个氮素水平,研究了CO2浓度升高对三江平原草甸小叶章湿地(Calamagrostis angustifolia)土壤碳氮含量的影响。结果表明,CO2浓度升高连续运行两个生长季后,湿地土壤总有机碳含量没有显著变化,不同N处理增加了0.5%～1.8%。CO2浓度升高,土壤总氮含量总体呈下降趋势。就各生长期平均值而言,CO2浓度升高使土壤NH4+—N的含量分别降低了8.2%(NN),8.9%(MN)和9.7%(HN)。CO2浓度升高使不同N处理的土壤NO3-—N含量也呈降低趋势,其中高氮水平(HN)降低最多,降幅为9.6%。土壤有效态氮是控制植物对高CO2浓度响应的关键因素。     

大气CO2浓度和温度升高对水稻植株碳氮吸收及分配的影响

气候变化会对作物生长及养分吸收利用产生显著影响。本研究利用开放式气候变化野外试验平台,研究大气CO2浓度和温度升高对不同生育期水稻植株C、N含量,积累量和分配的影响。试验平台的小区处理有大气CO2浓度升高(500μmol/mol)、温度升高(+2℃)和大气CO2浓度和温度同时升高处理。结果表明:1大气CO2浓度升高显著增加了水稻植株中C含量,C、N积累量及水稻茎鞘中C、N分配;显著降低了水稻植株中N含量及穗中C、N的分配;2温度升高显著增加了拔节期和成熟期水稻叶片中C含量及各生育期水稻植株中N含量,拔节期植株中N积累量及成熟期茎鞘和叶片中C、N分配;显著降低了开花期和成熟期稻穗中C含量,开花期和灌浆期水稻植株中C积累量,成熟期水稻植株中N积累量,开花和灌浆期茎鞘中C素分配及成熟期穗中C、N分配;3大气CO2浓度和温度同时升高显著增加了灌浆期水稻植株中C含量及成熟期茎鞘中C、N分配并降低了叶片中N的含量和穗中C、N的分配,而C、N积累量则无显著变化。     

大气CO2浓度升高对旱作玉米不同生育期土壤碳氮及组分的影响

为探明大气CO_2浓度升高对旱作玉米不同生育期土壤碳氮及其组分的影响,以旱作春玉米为研究对象,基于田间定位试验,利用改进的开顶式气室(OTC)模拟大气CO_2浓度升高的环境,设置当前自然大气CO_2浓度(CK)、CO_2浓度升高(700μmol/mol,OTC+CO_2)与OTC气室对照(OTC)3种处理,研究大气CO_2浓度升高对玉米各生育期土壤有机碳、全氮、水溶性有机碳、水溶性氮、易氧化有机碳的影响。结果表明:与OTC相比,大气CO_2浓度升高(OTC+CO_2)对土壤有机碳及组分、土壤全氮均无显著影响,使水溶性氮在12叶期(V12)降低18.17%,灌浆期(R3)升高108.56%(P0.05)。与CK相比,OTC+CO_2处理显著降低了各生育期土壤有机碳(收获期R6除外)和全氮(V12除外)含量,降幅分别为4.47%～14.42%和6.78%～12.48%(P0.05),降低了苗期(V6)水溶性有机碳、V12期水溶性氮、抽雄吐丝期(R1)与R6期易氧化有机碳含量,升高了R3期水溶性有机碳含量(P0.05)。因此,试验设置条件下,大气CO_2浓度升高对土壤有机碳及组分、土壤全氮均无显著影响,对水溶性氮的影响因生育期而异。在利用OTC系统模拟大气CO_2浓度升高进行相关研究时,OTC对试验结果的影响不可忽视。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

土壤酶活性对温度和CO2浓度升高的响应研究

作为土壤生态系统中的重要组成部分及生物元素循环的积极参与者,土壤酶在陆地生态系统地下生态过程中扮演着十分重要的角色。升高温度和(或)大气CO2浓度可能直接或者间接影响其活性。但目前对温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶的影响机理、过程及土壤酶对其的响应机制研究相对薄弱。本文初步总结了国内外关于温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶活性影响研究的现状,并指出了目前研究中存在的不足。     

CO2浓度升高与施氮对薏苡苗期营养元素吸收运输的影响

为明确大气CO₂浓度升高及氮肥施用对薏苡(Coix lacryma-jobi L.)苗期营养元素吸收运输的影响,本研究以兴仁白壳薏苡为试验材料,采用盆栽控制试验,通过人工气候箱模拟CO₂浓度升高,探究薏苡各器官中营养元素对CO₂浓度升高和施用氮肥的响应。结果表明,CO₂浓度升高使薏苡根中TOC含量显著增加15.82%;叶、茎中TP含量显著增加18.98%、29.41%(P<0.05);叶、根中N含量显著减少8.15%、8.31%(P<0.05);叶、茎、根中K含量无显著差异。施氮使薏苡叶、茎、根中N含量显著增加19.52%、28.42%、23.29%;叶、茎中TP含量显著增加14.60%、51.96%(P<0.05);根中K含量显著减少22.57%(P<0.05);叶、茎、根中TOC含量无显著差异。两者交互作用下,薏苡茎、根中N含量显著增加6.49%、8.99%;叶中TP含量显著增加15.33%(P<0.05);叶中N含量显著减少4.22%;叶、茎中K含量显著减少18.47%、33.25%(P<0.05);叶、茎、根中TOC含量无显著差异。在CO₂浓度升高条件下,薏苡叶片中中量元素S和微量元素Cu、Zn、Ni含量,分别显著减少18.06%、54.01%、37.96%、50.99(P<0.05);而茎中Mn、Cu、Zn、Ni含量,分别显著增加90.20%、70.55%、46.80%、149.50%(P<0.05)。CO₂浓度升高能促进Mg、S根向茎的运输以及Zn、Mn茎向叶的运输,施用氮肥能促进Fe茎向叶的运输。综上所述,CO₂浓度升高和氮肥施用会影响薏苡不同器官矿质离子的吸收及选择性运输能力,从而维持植物体内营养元素平衡。本研究结果可为深入认识未来大气环境变化下,薏苡对营养元素的需求变化特征,以及薏苡栽培中施肥策略的选择提供科学依据。     

农田黑土中不同浓度乙草胺对玉米苗期生长的影响

通过黑土盆栽试验研究了施用化肥条件下不同浓度乙草胺对玉米苗期生长的影响。结果表明,虽然在整个取样期间,植株体内无乙草胺残留检出,但是乙草胺施用对玉米苗期的形态和生理指标均具有一定影响。植株中超氧化物歧化酶活性、地下部分过氧化物酶活性和株高、根长等形态指标在玉米生长前期发生明显变化,其变化趋势受到乙草胺施用量的显著影响。在施有等量化肥的条件下,低浓度和高浓度乙草胺的施用抑制了玉米的生长,但中等浓度乙草胺对苗期玉米的生长表现出一定的促进作用。随着种植时间的延长,乙草胺活性降低,植物体的各项抗性指标和生理指标趋于一致。     

Effect of Elevated [CO2] on Assimilation,Allocation of Nitrogen and Phosphorus by Maize (Zea Mays L.)

To estimate the effect of elevated [CO₂] on nitrogen (N) and phosphorus (P) dynamics and productivity in summer maize, a field experiment was conducted in open-top chambers (OTCs) at different [CO₂] (550 μmol/mol, T1; 750 μmol/mol, T2 and a control, CK) in Nanjing in Jiangsu Province, China. The results showed that maize total N and P accumulation were 13.23–66.56% higher in the elevated [CO₂] treatments than in the CK plots during the jointing, anthesis and maturity stages. There was only a significant difference in total N accumulation between the T2 treatment and CK at maturity (P < 0.05). However, rising [CO₂] decreased the N and P concentrations in each biomass fraction. Elevated [CO₂] increased the amounts of N and P translocation, resulting in the contribution of translocated N to grain N. Similarly, rising [CO₂] increased N and P translocation efficiencies, N or P harvest index, and N or P utilization efficiency based on grain yield and N or P utilization efficiencies based on biomass in both growing seasons. In addition, elevated [CO₂] significantly increased aboveground biomass at three stages, including 4.73–12.34% at maturity. The grain yields of summer maize increased by 21.28% and 29.07% in the two elevated [CO₂] plots. Furthermore, spike numbers, kernels per spike and 100-grain weight were increased by elevated [CO₂] treatments. Kernels per spike and grain yield showed obvious differences between elevated [CO₂] treatments and CK (p < 0.05).     

Effect of Nitrogen Nutrition on Solute Accumulation and Ion Contents of Maize under Sodium Chloride Stress

Salinity is a major abiotic stress that limits the productivity of crops, particularly cereal crops, while decreasing nutrient availability, especially of nitrogen. An experiment was conducted to study the effects of salt stress [i.e., S₀, S₁, and S₂ (control, 1.09; 5; and 10 dS m^?1)] and four different nitrogen (N) levels [i.e., N₀, N₁, N₂, and N₃ (control, 175, 225, and 275 kg N ha^?1)] on two maize hybrids, Pioneer 32B33 (salt tolerant) and Dekalb 979 (salt sensitive). The experiment was conducted in a wire house. The experiment was laid out with three factors in a completely randomized design. The plant tissue was analyzed for solute and ion contents. With the increase in salt stress and N rate, solute (i.e., glycinebetaine), protein, total soluble sugar, and total free amino acids accumulated in both hybrids. Nitrate (NO₃) and nitrite (NO₂) reductase activity decreased sharply at 10 dS m^?1 compared to lower levels of salinity but it increased significantly with the addition of N. The uptake of potassium (K⁺), calcium (Ca²⁺), magnesium (Mg²⁺), N, and phosphorus (P) reduced significantly in shoots with increased salinity while the sodium (Na⁺) and chloride (Cl) contents were increased. It is concluded from the present study that at greater salinity level, hybrid Pioneer32B33 maintained statistically greater solute and ion contents excluding Na⁺ and Cl ions and significantly decreased enzyme activity. However, these parameters were increased by N rate.     

Effects of Nitrogen Application on Chlorophyll Content,Water Relations,and Yield of Maize Hybrids under Saline Conditions

An experiment was conducted to assess whether accumulation of photosynthetic pigments, proline, and maintenance of water relation attributes relate to the yield of maize hybrids differing in salt tolerance. Two maize hybrids, Pioneer32B33 and Dekalb979, were grown at three salinity levels under four nitrogen treatments. The experiment was laid out in a three-factor randomized complete block design and there were three replications of each treatment. Salt stress significantly decreased leaf chlorophyll a and a/b contents, whereas chlorophyll b and total chlorophyll were slightly increased. Under salinity stress, relative water content decreased, and water potential and osmotic potential become more negative. As a result, turgor potential also decreased. Nitrogen application improved all the chlorophyll pigments, water-related attributes, and yield components. However, chlorophyll a/b ratio was decreased. Overall, because of the differential response of maize hybrids to salt stress in terms of their performance in photosynthetic pigments, water relations, and yield, it can be concluded that hybrid Pioneer32B33 might perform better, if grown under salinity regime and sufficient nitrogen was applied in the growth medium.     

CO2浓度升高与增施钾肥对黄瓜生长的影响

采用土培和开顶箱法,研究了大气CO_2浓度升高与K肥共同作用对黄瓜生长的影响.结果表明,CO_2浓度升高和K肥浓度增大均能增加黄瓜干物质的积累,且在高CO_2浓度下.200mg/kg和300 mg/kg K肥处理时黄瓜的干物重达到最大值.大气CO_2浓度升高使得黄瓜体内的N、P、K、Na、Ca、Mg含量均降低,K肥处理对黄瓜植株内N、P、Ca、Mg含量的影响不大,但K的含量随K肥的增加而增加.在高浓度CO_2下,200mg/kg和300mg/kg K肥处理时黄瓜对N、P、K、Ca、Mg的吸收量达到最大值.可见,在未来CO_2浓度升高的环境中,更多的K肥供应能促进作物对N、P、K、Ca、Mg的吸收,使其快速高效的生长.