Nitrogen Deficiency Limited the Improvement of Photosynthesis in Maize by Elevated CO2 Under Drought

Global environmental change affects plant physiological and ecosystem processes. The interaction of elevated CO₂, drought and nitrogen (N) deficiency result in complex responses of C₄ species photosynthetic process that challenge our current understanding. An experiment of maize (Zea mays L.) involving CO₂ concentrations (380 or 750 µmol mol⁻¹, climate chamber), osmotic stresses (10% PEG-6000, −0.32 MPa) and nitrogen constraints (N deficiency treated since the 144th drought hour) was carried out to investigate its photosynthesis capacity and leaf nitrogen use efficiency. Elevated CO₂ could alleviate drought-induced photosynthetic limitation through increasing capacity of PEPC carboxylation (V_pmax) and decreasing stomatal limitations (SL). The N deficiency exacerbated drought-induced photosynthesis limitations in ambient CO₂. Elevated CO₂ partially alleviated the limitation induced by drought and N deficiency through improving the capacity of Rubisco carboxylation (V_max) and decreasing SL. Plants with N deficiency transported more N to their leaves at elevated CO₂, leading to a high photosynthetic nitrogen-use efficiency but low whole-plant nitrogen-use efficiency. The stress mitigation by elevated CO₂ under N deficiency conditions was not enough to improving plant N use efficiency and biomass accumulation. The study demonstrated that elevated CO₂ could alleviate drought-induced photosynthesis limitation, but the alleviation varied with N supplies.     

不同CO2浓度下闽楠幼苗光合作用及氮素分配的响应机制

为进一步探讨CO₂浓度升高对闽楠幼苗光响应、CO₂响应以及叶片氮素营养、氮素分配的影响,采用开顶式气室结构进行不同CO₂浓度的闽楠幼苗栽培试验。结果表明：500 μmol/mol CO₂处理对闽楠幼苗光合特征参数以及叶片氮含量、叶片氮素分配、光合氮利用效率无显著影响;700 μmol/mol CO₂处理闽楠幼苗叶片核酮糖−1,5−二磷酸最大羧化速率、叶片氮素含量、核酮糖−1,5−二磷酸羧化部分的氮素分配以及光合氮利用效率均显著降低,其中核酮糖−1,5−二磷酸最大羧化速率、核酮糖−1,5−二磷酸羧化部分的氮素分配 、光合氮利用效率较对照自然浓度分别降低21.65%、12.73%、14.78%。适当的CO₂浓度增加不会影响闽楠幼苗的光合作用及氮素利用,CO₂浓度显著增加导致幼苗氮素含量及利用效率降低,可能是高CO₂浓度下闽楠幼苗光合效率降低的原因。     

栓皮栎对CO2增长的生理生态响应

通过对50年生栓皮栎天然次生林叶片的活体测定,研究了CO₂浓度增长对栓皮栎林光合生理生态特性的影响.结果如下:CO₂浓度为800μmolCO₂·mol^-1时栓皮栎叶片的净光合速率比在正常大气CO₂条件下提高42.53%,同时光补偿点降低,光饱和点提高,光量子效率提高;CO₂浓度为800μmolCO₂·mol^-1时,栓皮栎净光合速率的日变化为单峰曲线,而CO₂浓度为400μmolCO₂ mol^-1时,净光合作用的日变化为双峰曲线;CO₂浓度倍增,栓皮栎叶片的气孔导度,蒸腾速率和暗呼吸速率降低,水分利用效率显著提高.栓皮栎叶片对CO₂增长的反应,对其生长是有利的,对全球CO₂浓度增长起到反馈调节作用。     

大气CO2摩尔分数升高对宁夏枸杞植株与土壤C、N分配的影响

采用开顶气室控制试验环境,将1年生宁夏枸杞苗木置于大气环境CO2摩尔分数(360μmol.mol-1)或倍增CO2摩尔分数(720μmol.mol-1)下生长,试验处理2个生长季节后,测定植株C、N质量分数,研究大气CO2摩尔分数升高对木本经济植物C、N营养的影响,结果表明:枸杞叶、根中有机碳质量分数大于枝的,叶的全氮质量分数大于枝、根的;大气CO2摩尔分数升高下枸杞植株根茎叶及栽培表层土壤中有机碳、全氮质量分数与对照没有显著差异,而根系分布层(40 cm≤H<60 cm)有机碳、全氮质量分数高于对照的。     

大气CO2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响

甲烷氧化细菌是目前已知的稻田甲烷氧化唯一生物,在减少稻田甲烷排放、降低大气甲烷浓度方面发挥着重要作用.利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,采用实时荧光定量PCR技术,研究了大气CO2浓度升高下,典型水稻生长期根际土壤甲烷氧化细菌数量的变化规律,及其对不同施肥处理(高氮HN和常氮LN)的响应.2009和2010连续2a的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长;并可能对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著(P＜0.1)抑制;进一步针对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度.     

短期根际不同CO_2处理对番茄叶片光合日变化及植株生物量的影响

采用气雾法栽培方式,在第1花序第1花开放时,对雾培番茄植株根际进行连续2周不同体积分数[370(CK)、2 500、5 000和10 000μL.L-1]的CO2处理,研究根际不同CO2处理对番茄叶片光合日变化及植株生物量的影响。结果表明,一天中,8:00-11:00,各处理和CK番茄叶片的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)均呈上升趋势,且8:00-10:00各处理和CK的Pn和Gs均无显著性差异。随着温度和光照强度的增加,11:00-13:00,各处理和CK叶片的Pn、Gs和PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)显著下降,13:00降至最低值,但此时各处理叶片的Pn和Fv/Fm均显著大于CK,Gs显著低于CK,且5 000μL.L-1和10 000μL.L-1处理的午间叶片相对含水量(RWC)显著高于CK,其中10 000μL.L-1处理的叶片Pn、Gs和RWC分别是CK的1.39、0.81和1.27倍。5 000和10 000μL.L-1处理的茎叶和根系的鲜、干质量均显著大于CK。2 500μL.L-1处理的生物量指标与CK差异不显著。由此可见,在高温、高光强条件下,提高根际CO2体积分数可以缓解雾培番茄叶片光合作用的"午休"现象,使植株的生物量显著增加。     

大气CO2和O3浓度升高对淡水环境水化学条件的影响

在开顶式气室OTC(Opentopchamber)平台下,构建微宇宙水环境模拟系统,初步研究了当大气CO2浓度升高200μL·L-1、O3浓度升高50 nL·L-1及其复合作用下,水体理化参数(pH、Eh、可溶态Zn、Mg、Fe以及可溶态总氮、总磷)、沉积物理化性质(pH、Eh、Zn、Mg和Fe的形态)的变化。经5个月的持续观察发现,与正常大气条件相比,CO2升高(600±10)μL·L-1,水体pH下降,可溶态Zn、Mg浓度升高,可溶态总磷浓度无明显变化;O3升高(125±20)nL·L-1,水体pH无明显变化,可溶态Zn、Mg、总磷浓度无明显变化;CO2和O3复合升高[(600±10)μL·L-1CO2,(125±20)nL·L-1O3],水体pH下降,可溶态Zn浓度无明显变化,可溶态Mg、总磷浓度升高。结果表明:CO2单独升高可降低水体pH,促进沉积物对金属元素的释放;O3单独升高对水体pH、沉积物释放元素无明显影响;而CO2+O3复合升高可降低水体pH,促进沉积物对Mg和磷的释放。     

外源一氧化氮对干旱胁迫下玉米幼苗光合作用的影响

【目的】探明干旱胁迫下一氧化氮（NO）对玉米幼苗光合作用的调节作用。【方法】以驻玉309为试验材料,在光照培养箱内采用水培的方法,研究了外源NO供体SNP预处理3 d后,进行20% PEG-6000（-0.8 MPa）模拟干旱胁迫3 d后玉米幼苗的生长参数、叶绿体超微结构、叶片气体交换参数、叶绿素荧光参数和D1蛋白表达的变化。【结果】干旱胁迫条件下玉米幼苗的光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）及光系统II（PSII）最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII潜在活性（Fv/Fo）分别比对照下降了68.4%、87.2%、15.8%、31.3%;而J点的相对可变荧光（Vj）和单位反中心耗散能量（DIo /RC）则分别上升了20.9%和21.2%;此外,叶片的叶绿体结构明显遭到破坏,D1蛋白的含量显著降低。但是,与干旱胁迫处理相比,经过SNP预处理后进行干旱胁迫处理的玉米幼苗Pn、Gs、Fv/Fm、Fv/Fo明显增加56.6%、202.5%、15.8%、30.7%,而Vj、DIo/RC下降了22.7%和25.4%;叶绿体的类囊体片层恢复整齐,基粒片层变清晰;D1蛋白的相对含量明显增加了94.7%;以上这些变化与干旱条件下SNP预处理后NO含量的增加有关。【结论】在干旱条件下,NO可能参与调节了PSII反应中心D1蛋白的表达并稳定PSII反应中心的结构和功能,以改善玉米幼苗的光合作用和生长发育,从而提高玉米幼苗对干旱胁迫的适应性。     

CO2浓度升高对重金属污染下稻米品质影响的研究进展

目前研究CO₂浓度升高对农作物的影响主要集中在光合作用、生理生态反应和产量形成等方面,对重金属污染胁迫下CO₂浓度升高对水稻生长发育和品质影响的研究甚少。本文通过详述Cu、Cd等重金属污染条件下,CO₂浓度升高对水稻生长发育及稻米品质的影响,揭示重金属污染条件下CO₂浓度升高影响Cu、Cd在土壤-水稻系统中的运移状况及其稻米营养品质方面的相关机制,为CO₂浓度持续升高背景下复合污染农田风险评估、农产品安全调控提供科学依据,也对于预测未来气候条件下人类稻米品质变化及水稻品种的选育意义重大。     

测定时间对黑土区CO2和N2O排放通量的影响（英文）

[目的]探讨测定时间对黑土区CO2和N2O排放通量的影响,确定排放通量的最佳测定时间,以期为黑土区农田温室气体减排提供科学依据。[方法]以黑土区长期肥料定位试验为平台,采用静态箱式法研究了小麦3个关键生育期(抽穗期、灌浆期和成熟期)CO2和N2O排放的日变化动态,揭示不同测定时段黑土区CO2和N2O排放通量的差异。[结果]土壤CO2和N2O排放通量日变化较大,变化范围分别为CO2206~552mg(/m·2h)和N2O51~295μg(/m2·h)。在不同生育期CO2呈单峰曲线变化,峰值出现在中午12:00,峰谷出现在凌晨3:00;N2O排放通量在抽穗期白天较小,而夜间排放量大。如果不考虑小麦生育期对CO2和N2O排放通量的影响,测定CO2排放代表性时间段在6:00~8:00或16:00~21:00;测定N2O时间段在8:00~10:00或16:00~21:00;若同时测定CO2和N2O排放通量,最佳测定时间在16:00~18:00。若在通常的观测时间9:00~12:00进行观测,CO2和N2O的较正系数分别为0.81和0.90。[结论]该研究结果为黑土区农田温室气体减排提供了科学依据。     

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CO2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.     

CO2浓度升高对稻纵卷叶螟生长发育、繁殖和食物利用效率的影响

【目的】揭示CO2浓度升高对稻纵卷叶螟个体生物学的影响,从而为预测气候变化下稻纵卷叶螟的发生趋势提供依据。【方法】利用CO2人工智能气候箱设置当前（390 μL•L-1）和升高CO2浓度（780 μL•L-1）处理,种植水稻苗饲养观察稻纵卷叶螟生长发育、繁殖和子代卵孵化,并测定4龄幼虫的取食和营养利用指数。【结果】CO2浓度加倍显著影响稻纵卷叶螟幼虫生长到5龄时的体重、蛹历期和蛹重,但对幼虫历期和化蛹率没有显著影响;加倍CO2浓度处理下的5龄幼虫体重比当前CO2浓度处理的轻16.1%、蛹历期缩短28.7%、蛹重降低9.9%。CO2浓度加倍对性比和生殖力没有显著影响,但对幼虫至成虫羽化的存活率和卵孵化率有显著影响,与当前CO2浓度处理相比,加倍CO2浓度处理下幼虫至成虫羽化的存活率降低约44.0%,卵孵化率降低26.8%。对4龄幼虫的测定结果表明,CO2浓度加倍对取食和食物利用效率具有显著影响,与当前CO2浓度处理相比,加倍CO2浓度处理下4龄幼虫取食量显著增大,但相对取食率没有变化,相对生长率显著提高21.2%,近似消化率提高15.7%,但摄食食物转化率降低24.8%、消化食物转化率降低37.1%。【结论】CO2浓度升高可能对稻纵卷叶螟重要的生活史特性造成不良影响,推测未来大气CO2浓度升高可能不利于稻纵卷叶螟的发生,但是种群动态变化需要考虑温度等其它环境条件的综合影响。     

大气CO_2浓度升高与氮肥管理对麦田土壤有效氮的影响

为了探讨全球气候变化对农田土壤氮素动态的影响,采用中国稻麦轮作系统FACE(Free-Air CO2 Enrichment)平台,开展了大气CO2浓度升高和氮肥管理对麦田土壤有效氮含量影响的研究.结果表明:在低N和常规N处理下,大气CO2浓度升高使拔节期土壤C/N分别增加了5.6%和10.2%,土壤pH分别降低了 2.4%和6.4%(p＜O.05).在小麦生育期内.低N和常规N条件下.大气CO2浓度升高降低了土壤总有效氮和NO3--N含量,相对于低N处理.常规N处理下降的趋势更为明显.在低N条件下,大气CO2浓度使拔节期和成熟期土壤中NH4+-N含量分别增加了7.4%和9.9%,而常规N处理中则表现出相反的趋势.本研究显示,大气CO2浓度升高降低了土壤有效氮含量,而施用氮肥增加了土壤有效氰含量.     

大气CO2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。     

沼泽湿地生态系统CO2、CH4和N2O排放通量的相互关系研究

利用静态暗箱/气相色谱法连续两个生长季(2003 -2004年)对三江平原小叶章草甸和毛果苔草沼泽CO2、CH4和N2O的排放通量进行野外原位观测.结果表明:两种类型湿地的生长季均为温室气体的排放源,三种温室气体排放通量之间的关系是,CO2和CH4、CO2和N2O、CH4和N2O排放通量之间均为正相关,但显著性水平视不同湿地类型以及不同年份而异.表明它们之间的相互关系受湿地类型以及环境因素的影响,本研究结果迸一步证明了植物在沼泽湿地温室气体排放中的关键性作用.     

Advances on the Responses of Root Dynamics to Increased Atmospheric CO2 and Global Climate Change

Plant roots dynamics responses to elevated atmospheric CO2 concentration, increased temperature and changed precipitation can be a key link between plant growth and long-term changes in soil organic matter and ecosystem carbon balance. This paper reviews some experiments and hypotheses developed in this area, which mainly include plant fine roots growth, root turnover, root respiration and other root dynamics responses to elevated CO2 and global climate change. Some recent new methods of studying root systems were also discussed and summarized. It holds herein that the assemblage of information about root turnover patterns, root respiration and other dynamic responses to elevated atmospheric CO2 and global climatic change can help to better understand and explore some new research areas. In this paper, some research challenges in the plant root responses to the elevated CO2 and other environmental factors during global climate change were also demonstrated.     

外源褪黑素对干旱胁迫下番茄叶片光合作用的影响

【目的】褪黑素是一种广泛存在于高等植物体内的小分子物质,被认为是一种新的植物生长调节剂和生物刺激剂,对于提高植物抗逆性具有重要作用。探索外源褪黑素对干旱胁迫下番茄叶片光合作用的影响,为揭示褪黑素调节植物抗逆性的机制打下基础。【方法】以番茄‘辽园多丽’为试材,首先采用叶片喷施和根施不同浓度褪黑素进行预处理:CK:叶片喷施清水、根施50 m L清水;R5、R50、R100、R150、R250:叶片喷清水,分别根施50m L 5、50、100、150和250μmol·L~(-1)褪黑素;L5、L50、L100、L150、L250:根施50 m L清水,叶片分别喷施5、50、100、150和250μmol·L~(-1)褪黑素;连续处理3 d后将植株移至温室中,以不浇水作为干旱处理(其中CK0:叶片喷施清水、根施50 m L清水预处理后正常浇水,CK1:叶片喷施清水、根施50 m L清水预处理后干旱处理)。干旱胁迫5 d后,通过比较暗适应下PSII最大光化学量子产量Fv/Fm和PSI最大氧化状态Pm,确定根施和叶片喷施的最佳浓度处理。然后利用光合荧光同步测量系统分析根施和叶片喷施褪黑素对干旱胁迫下番茄叶片气体交换参数,PSII和PSI的光能分配和电子传递速率,类囊体膜的完整性和ATP酶活性的调节。【结果】根施和叶片喷施不同浓度褪黑素均提高了干旱胁迫下番茄叶片的Fv/Fm和Pm,并且随浓度增加表现出先升高后降低的趋势,L100和R100处理下的Fv/Fm和Pm最大,显著高于对照。L100和R100显著缓解了干旱胁迫对气体交换参数的抑制,其中叶片净光合速率(Pn)分别为2.04和1.71μmol·m~(-2)·s~(-1),显著高于对照(CK1)(0.52μmol·m~(-2)·s~(-1));蒸腾速率(E)分别为0.66和0.54 mmol·m~(-2)·s~(-1),显著高于CK1(0.25 mmol·m~(-2)·s~(-1)),并且显著提高了番茄叶片气孔导度(GH2O)和最大水分利用效率(WUE),降低了气孔限制值(Ls),而L100优于R100处理。快速光响应曲线结果表明L100和R100处理提高了干旱胁迫下番茄幼苗PSII的光化学反应效率Fv'/Fm'及PSII光化学淬灭系数q P,表明褪黑素处理更利于干旱胁迫下番茄叶片PSII光化学反应的高效进行;干旱胁迫下番茄幼苗环式电子传递速率得到显著加强,而L100和R100处理降低了环式电子传递速率,但加强了线性电子传递速率,且L100处理下番茄叶片ETRI和ETRII均高于R100处理;L100、R100处理提高了干旱胁迫下番茄叶片的Y(I)、Y(II),表明褪黑素处理有利于干旱胁迫下番茄叶片吸收光能向光化学反应的方向分配;暗适应后,L100和R100处理番茄叶片P515诱导曲线均高于CK1,照光后,CK0处理番茄幼苗P515信号快速下降,其次是L100和R100处理,而CK1处理降低较慢,表明褪黑素具有保护叶绿体类囊体膜和ATP合成酶免受干旱胁迫伤害的作用。【结论】根施和叶片喷施外源褪黑素能缓解干旱胁迫对番茄幼苗光合性能的抑制,加强光合运转效率,而叶片喷施是一种更简单高效的处理方式;褪黑素能加强作物光合作用对环境胁迫的适应性,对于农作物的生长发育具有调节作用。     

超临界CO2萃取北五味子木脂素工艺参数的

采用超临界CO2萃取法对北五味子木脂素进行提取,优选最佳工艺参数.结果表明:萃取工艺参数为原料粒度0.18～0.25mm,投料量每罐300g,萃取压力30 MPa,萃取温度45℃,萃取时间120 min,CO2流量15 L/h.此条件下,北五味子木脂素的萃取得率达1.024％.     

CO2施肥对黄瓜幼苗根系发育及氮代谢酶活性的影响

以砂培黄瓜为试材,研究了不同CO2施肥处理对幼苗根系生育和氮代谢相关酶活性的影响。结果表明,增加环境CO2浓度和延长CO2施肥时间均明显促进了黄瓜幼苗根系的发育,CO2施肥黄瓜的主根长度、总根长度、根系鲜重、根系分枝、根系活力及其吸收面积均有不同程度的增加;根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性增强。除氮代谢酶活性外,每天上、下午各以950±50 mmol.L-1CO2施肥3 h的效果大于仅在上午施肥。     

大气CO2浓度和温度升高对水稻体内微量元素累积的影响

为明确水稻体内微量元素对未来气候变化的响应,应用T-FACE(Temperature and CO_2Free Air Controlled Enrichment)试验平台,以常规粳稻武运粳23为试材,研究大气CO_2浓度升高(对照+200μL·L~(-1))和增温(对照+1℃)对收获期水稻体内微量元素累积的影响。结果显示,高浓度CO_2促进了稻穗中微量元素的累积,2013年穗中Fe和2014年穗中Zn的累积量分别显著增加16.7%和30.8%;增温降低了水稻器官中元素的累积量,2013年穗中Fe以及叶中Mn和Zn的累积量显著下降,降幅分别为30.2%、40.2%和57.3%;CO_2+温度整体降低了营养器官中Fe、Mn和Zn的累积量,2013年叶中Zn累积量显著减少40.0%。另外,高浓度CO_2降低了籽粒中Fe的累积量,2013年Fe累积量显著下降47.5%,同时提高了Mn与Zn的累积量,2014年Zn累积量显著增加43.4%;增温明显降低了籽粒中Fe、Mn和Zn的累积量;CO_2+温度有降低籽粒中元素累积量的趋势,其中2013年降幅大于2014年。以上结果表明未来CO_2浓度升高可在一定程度上缓解增温导致的水稻体内微量元素累积下降的状况。