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.     

不同土壤水分条件下玉米叶片/冠层气孔导度的光谱监测模型

通过玉米水分控制试验,测定不同水分条件下各生育期叶片气孔导度、叶面积指数和冠层光谱反射率等,以分析玉米叶片气孔导度的变化规律及其与光谱植被指数的相关性,从而建立基于光谱植被指数和土壤湿度的叶片气孔导度模型。结果表明：玉米在可见光区和近红外中、长波区的反射率随着土壤水分的降低而上升,但叶片气孔导度（Gs）、叶面积指数（LAI）、比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）随着土壤水分的下降而降低;玉米NDVI和RVI与单叶片和冠层气孔导度均呈极显著指数函数关系（P〈0.01）,且对单叶片气孔导度的拟合效果优于对冠层导度的拟合效果,而经土壤湿度订正的RVI监测模型优于NDVI监测模型。表明通过测定冠层反射光谱率可实时、迅速地定量监测玉米叶片的气孔导度,为大面积作物气孔导度估算奠定基础。     

水肥（N）双因素下的小麦产量及水分利用率

通过对6个水分等级和5个N肥等级的相互搭配研究,结果表明,灌溉水平105mm时,对小麦产量抑制较为明显;而当施N量<112.5kg/hm2时,N素成为增加小麦蒸散耗水和小麦产量的限制因素。但灌溉水平不同,小麦产量随施N量的增加而变化的趋势亦不同。当灌溉水平为475mm时,它们之间关系为典型抛物线。然而,小麦的水分利用率则随灌溉水量的增加而降低。只有当灌溉水平较低时,随着施N量增加,水分利用率有上升的趋势。     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失,以地面灌为对照,利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测,结果表明：各次灌水,喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上,基于能量平衡原理,结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm;夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间,占灌水量的4.3%～6.5%。     

豫西旱区优化施肥小麦增产及水分利用率的影响

通过三年多点田间试验，研究了有机，无机肥料配施对豫西旱区小麦的增产效果，建立了该区高中低三个地力水平下的施肥模型，提出了小麦丰产的适宜肥料用量。同时对不同投肥结构和投肥水平麦的水分利用效率进行了探讨，并讨论了不同降雨年份不麦在降雨利用方面的差异。     

封丘地区土壤水分平衡研究 Ⅳ.雨养条件下三个不同湿度麦季的小麦耗水量与水分利用率

根据水量平衡方程式计算,雨养麦田三个试验麦季的耗水量分别为435.5、326和293.8mm,它们可代表该区过湿、一般和干旱年分的小麦耗水量.小麦地上部分生物量(茎杆+籽实)与其耗水量成正比,以第一麦季为100,第二、第三麦季分别为85和70;但籽实产量的反应与地上部生物量的反应并不一致,它们分别为100、102、70,以第二麦季最高.由于该麦季的耗水量相对较少,故有很高的水分利用率(1.73×10^-3kg/1)为华北地区所罕见.在耗水量中,土嚷储水的贡献约占50%.在降雨少而土壤储水丰足的年份,其贡献高达60%,是小麦水分的重要来源.在充分施肥条件下,小麦的水分利用率≥1.26×10^-3kg/1,它是建立预测小麦产量的经验模型的重要参数.     

冠层—气温差监测和诊断冬小麦农田水分

以农田生态系统为研究单元，以ＳＰＡＣ的理论为基本原则，深入探讨了冠层－气温差与冬小麦农田土壤和作物水分状况的关系。在比较精确和连续的大田试验基础上，得出了冠层－气温差监测０￣５０ｃｍ土层相对含水量的模型及诊断冬小麦水分状况的指标，该模型和指标可直接用于指导灌溉。     

旱作春玉米冠层及叶片瞬态气体交换及水分利用效率日变化特征

旱作作物不同尺度瞬态气体交换和水分利用效率同步观测的研究,对于节水高效农业理论研究和生产实践均具有及其重要的意义。该文采用涡度相关技术和LI-COR6400便携式光合作用测定仪测定旱作春玉米灌浆期冠层、叶片瞬时CO₂和H₂O汽交换速率,并分析其瞬态水分利用效率日变化特征。结果表明,旱作春玉米灌浆期0～100 cm根层土壤相对湿度为40%时,日变化过程中晴日中上部位叶片的光合速率高峰值为1.3 mg·m^-2·s^-1(29.82 μmol·m^-2·s^-1),与同纬度地区灌溉玉米的光合速率高峰值相近;而群体下光合速率高峰值为0.9 mg·m^-2·s^-1(20.65 μmol·m^-2·s^-1),只及同纬度地区灌溉玉米灌浆期光合速率高峰值的54.5%;群体和叶片水分利用效率高峰值分别为0.16 g(CO₂)/g(H₂O)和0.06 g(CO₂)/g(H₂O),正午前后分别维持在0.0055～0.0123 g(CO₂)/g(H₂O)和0.0113～0.0197 g(CO₂)/g(H₂O),叶片尺度的光合速率和水分利用效率在10∶00以后的时段内明显高于群体水平。     

减量施肥下小麦产量、肥料利用率和土壤养分平衡

【目的】我国化肥过量施用现象普遍,不利于生态环境保护和农业可持续生产。研究化肥减量施用对小麦产量、籽粒灌浆和肥料利用率的影响,可以为我国化肥高效施用和零增长目标提供理论依据。【方法】在四川盆地进行了两个大田试验,以习惯施肥 (N、P₂O₅、K₂O 分别为 180、120、45 kg/hm2) 为对照,设置减量施肥 (N、P₂O₅、K₂O 分别为 96、60、45 kg/hm2) 处理,测定了小麦产量及构成、籽粒灌浆、花后干物质转运、旗叶叶绿素含量、养分平衡和肥料利用率。【结果】与习惯施肥相比,减量施肥下小麦产量、穗数、穗粒数没有显著变化,小麦–玉米轮作田块小麦千粒重显著提高 5.8%。根据 Logistics 方程拟合结果,减量施肥显著提高了小麦–玉米轮作田块小麦理论最大千粒重,渐增期、缓增期籽粒净增重,对其他灌浆参数影响不显著。减量施肥下小麦干物质转运量、转运率及其对籽粒灌浆的贡献率增加 28.5%、17.5% 和 20.7%,但花后旗叶叶绿素含量下降速度加快。习惯施肥和减量施肥土壤氮素盈余分别为 22.6 和 –30.2 kg/hm2,土壤磷盈余分别为 80.4 和 22.8 kg/hm2。减量施肥后氮肥偏生产力、农学效率和表观回收率比习惯施肥提高 79.2%、69.1% 和 27.9%,磷肥偏生产力、农学效率和表观回收率提高 91.1%、72.7% 和 68.5%。【结论】本试验的两年时间内,减量施肥可以维持小麦产量,促进小麦干物质转运及其对籽粒灌浆的贡献,但花后功能叶衰退加速。减量施肥下肥料利用率提高,土壤磷素盈余降低,土壤氮素亏缺,需要在确保维持小麦产量、土壤肥力和养分平衡的基础上,继续优化减氮量。     

不同基因型冬小麦冠层温度与产量和水分利用效率的关系

通过研究水分利用效率和产量之间的相关性,证明冠层温度在筛选小麦品种(系)时也是一个重要的指标。利用红外测温仪,于2006-2007年在甘肃陇东旱原研究了来自中国北方和美国的40个小麦品种(系)不同生育时期冠层温度的差异及其与产量、水分利用效率的关系。结果表明,不同基因型小麦在籽粒灌浆结实期存在着冠层温度高度分异现象,其分异程度随生育期的推后明显加大,到灌浆中后期达到最大。无论拔节期、灌浆初期还是中后期,旱地冬小麦产量、水分利用效率与冠层温度均呈极显著的负相关,并且随着生育期推移,相关性增大。灌浆中期以后不同基因型小麦冠层温度保持较高的一致性,冠层温度偏低的品种具有较高的产量和水分利用效率。灌浆中后期的冠层温度在评价小麦产量和水分利用效率上具有较高的可靠性,可作为田间选择的一个指标应用。     

大气CO2增加对水稻光合、蒸腾及水分利用率的影响

本研究采用开顶式培养室对两个水稻品种矮香糯(O.sativa var.aixiangnuo)和安农S(O.satica var. anong-S) 在模拟大气CO₂浓度升高环境中叶片光合速率、蒸腾速率及水分利用率的变化作了初步研究。结果表明 ，生长在650±30mg.kg^-1CO₂浓度下的水稻其光合速率、水分利用率提高，蒸腾速率降低 ，气孔阻力增加，且品种间差异极显著。     

在FACE条件下作物轮作过程中碳的流通

Mostly based on assumptions derived from controlled-environment studies, predicted future atmospheric CO2 concentrations [CO2] are expected to have considerable impacts on carbon （C） turnover in agro-ecosystems. In order to allow the in situ examination of C-transformations in the plant-soil system of arable crop rotations under future [002], a free air carbon dioxide enrichment （FACE） experiment （550 μmol mol^-1 CO2） was started at Braunschweig, Germany in 1999. The crop rotation under investigation comprised winter barley, a cover crop （ryegrass）, sugar beets and winter wheat. Assessments of CO2 effects included the determination of above- and belowground biomass production, measurements of canopy CO2- and H2O- fluxes, soil microbial biomass and in situ soil respiration. The results obtained during the 1st crop rotation cycle （3 years） showed that for the selected crops elevated [CO2] entailed significant positive effects （P 〈 0.05） on aboveground （6%-14% stimulation） and belowground biomass production （up to 90% stimulation）, while canopy evapotranspiration was reduced. This resulted in increased soil water content. Also, depending on crop type and season, high CO2 stimulated in situ soil respiration （up to 30%）, while soil microbial biomass did not show significant respouses to elevated [CO2] during the first rotation cycle.     

Promise and pitfalls of modeling grassland soil moisture in a free-air CO2 enrichment experiment (BioCON) using the SHAW model

Free-air carbon dioxide (CO₂) enrichment (FACE) experiments provide an opportunity to test models of heat and water flow under novel, controlled situations and eventually allow use of these models for hypothesis evaluation. This study assesses whether the United States Department of Agriculture SHAW (Simultaneous Heat and Water) numerical model of vertical one-dimensional soil water flow across the soil-plant-atmosphere continuum is able to adequately represent and explain the effects of increasing atmospheric CO₂ on soil moisture dynamics in temperate grasslands. Observations in a FACE experiment, the BioCON (Biodiversity, CO₂, and Nitrogen) experiment, in Minnesota, USA, were compared with results of vertical soil moisture distribution. Three scenarios represented by different plots were assessed: bare, vegetated with ambient CO₂, and similarly vegetated with high CO₂. From the simulations, the bare plot soil was generally the wettest, followed by a drier high-CO₂ vegetated plot, and the ambient CO₂ plot was the driest. The SHAW simulations adequately reproduced the expected behavior and showed that vegetation and atmospheric CO₂ concentration significantly affected soil moisture dynamics. The differences in modeled soil moisture amongst the plots were largely due to transpiration, which was low with high CO₂. However, the modeled soil moisture only modestly reproduced the observations. Thus, while SHAW is able to replicate and help broadly explain soil moisture dynamics in a FACE experiment, its application for point- and time-specific simulations of soil moisture needs further scrutiny. The typical design of a FACE experiment makes the experimental observations challenging to model with a one-dimensional distributed model. In addition, FACE instrumentation and monitoring will need improvement in order to be a useful platform for robust model testing. Only after this can we recommend that models such as SHAW are adequate for process interpretation of datasets from FACE experiments or for hypothesis testing.     

Dynamics of labile and recalcitrant soil carbon pools in a sorghum free-air CO2 enrichment (FACE) agroecosystem

Experimentation with dynamics of soil carbon pools as affected by elevated CO₂ can better define the ability of terrestrial ecosystems to sequester global carbon. In the present study, 6 N HCl hydrolysis and stable-carbon isotopic analysis (δ¹³C) were used to investigate labile and recalcitrant soil carbon pools and the translocation among these pools of sorghum residues isotopically labeled in the 1998-1999 Arizona Maricopa free air CO₂ enrichment (FACE) experiment, in which elevated CO₂ (FACE: 560 μmol mol⁻¹) and ambient CO₂ (Control: 360 μmol mol⁻¹) interact with water-adequate (wet) and water-deficient (dry) treatments. We found that on average 53% of the final soil organic carbon (SOC) in the FACE plot was in the recalcitrant carbon pool and 47% in the labile pool, whereas in the Control plot 46% and 54% of carbon were in recalcitrant and labile pools, respectively, indicating that elevated CO₂ transferred more SOC into the slow-decay carbon pool. Also, isotopic mixing models revealed that increased new sorghum residue input to the recalcitrant pool mainly accounts for this change, especially for the upper soil horizon (0-30 cm) where new carbon in recalcitrant soil pools of FACE wet and dry treatments was 1.7 and 2.8 times as large as that in respective Control recalcitrant pools. Similarly, old C in the recalcitrant pool under elevated CO₂ was higher than that under ambient CO₂, indicating that elevated CO₂ reduces the decay of the old C in recalcitrant pool. Mean residence time (MRT) of bulk soil carbon at the depth of 0-30 cm was significantly longer in FACE plot than Control plot by the averages of 12 and 13 yr under the dry and wet conditions, respectively. The MRT was positively correlated to the ratio of carbon content in the recalcitrant pool to total SOC and negatively correlated to the ratio of carbon content in the labile pool to total SOC. Influence of water alone on the bulk SOC or the labile and recalcitrant pools was not significant. However, water stress interacting with CO₂ enhanced the shift of the carbon from labile pool to recalcitrant pool. Our results imply that terrestrial agroecosystems may play a critical role in sequestrating atmospheric CO₂ and mitigating harmful CO₂ under future atmospheric conditions.     

不同水分条件下CO2浓度升高对植物生长及水分利用效率的影响

研究分析了不同水分条件下CO_2浓度升高对植物生长、生理和水分利用效率等影响,指出水分亏缺下CO_2浓度升高有利于植物生长,植物叶面积增大,生物量增加,根/冠值增加,且改善植物气孔生理,减少水分蒸腾,提高叶水势,维持植物水分胁迫下正常光合作用,提高植物经济产量和水分利用效率。CO_2浓度升高一定程度补偿了水分亏缺对植物产生的负面影响,对农业节水增产有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

水分和CO2对玉米光合性能及水分利用率的影响

利用环境生长室探讨不同CO₂浓度和土壤水分亏缺处理下玉米植株生物量、气孔形态与分布特征、叶片气体交换参数、叶绿素荧光参数等生长及生理指标的变化规律。以‘郑单958’ 玉米品种为试材,利用环境生长室设置2个CO₂浓度和4个土壤水分梯度对玉米进行CO₂浓度和水分处理。结果表明：1）不同程度土壤水分亏缺均显著降低玉米地上生物量（P<0.05）,但CO₂浓度升高增加了轻度水分亏缺条件下玉米地上生物量（P<0.01）和总生物量（P<0.01）。2）大气CO₂浓度升高导致轻度和中度水分亏缺条件下玉米的净光合速率（P_n）分别提高15.8%（P<0.05）和25.7%（P=0.001）,而CO₂浓度升高却降低了玉米叶片蒸腾速率（P<0.001）和气孔导度（P<0.001）,最终导致玉米瞬时水分利用效率均显著提高（P<0.001）。3）不同水分处理对玉米叶片气孔密度和单个气孔形态特征均造成显著影响（P<0.01）。因此,大气CO₂浓度升高可以增加轻度水分亏缺条件下玉米叶片氮含量、叶片非结构性碳水化合物含量和光合电子传递速率,从而提高玉米植株的生物量累积以及叶片碳同化能力和水分利用效率。研究结果将为深入理解气候变化背景下玉米对大气CO₂浓度升高和土壤水分亏缺的生理生态响应机制提供科学依据。