CO2浓度升高对农作物品质影响的研究进展

农作物品质受农作物遗传发育特征和环境因素的双重影响。在相似的遗传背景条件下,CO2浓度持续升高影响农作物中碳水化合物合成、有益和有害元素吸收的权重逐渐加大,从而引发所谓的“隐形饥饿”和农产品卫生品质下降。本文在回顾国内外有关CO2浓度升高影响农作物中碳水化和物合成、有益和有害成分吸收研究的基础上,结合本团队近年的研究结果,提出：随着产地环境污染由局部向整体扩延,CO2浓度持续升高对农作物卫生品质的潜在影响不断加剧,包括增加或减少农作物对有毒有害物质的吸收;强化农作物对土壤中有益或有害物质的非均衡吸收等。本文还对比了目前国内外CO2浓度升高对农作物品质影响研究的常用手段与方法,并对相关研究结果的差异进行了分析,着重指出这一研究方向今后工作的重点。     

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。     

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.     

CO2浓度升高对不同水稻品种幼苗养分吸收和根系形态的影响

本文利用水培试验研究了CO2浓度升高对水稻幼苗生物量、养分含量和根形态的影响,探讨了CO2浓度升高下粤杂889(YZ)和荣优398 (RY)幼苗养分吸收和根系形态的差异性.结果表明,与CO2浓度正常水平(对照)相比,CO2浓度升高显著增加了2个水稻品种幼苗根系、茎叶和总生物量,YZ分别增加58.33％、27.96％、33.16％;RY分别增加45.87％、34.17％、36.07％.同时,CO2浓度升高增加了2个水稻品种的根冠比.CO2浓度升高显著降低了2个水稻品种茎叶中的N、P、K、Ca、Mg和Fe含量,这是“稀释效应”的结果;但YZ幼苗中S含量显著增加,2个品种幼苗Mn含量均显著增加.CO2浓度升高显著增加了2个水稻品种的幼苗根系根毛数、总根长、表面积,降低幼苗粗根比例,增加了细根比例.CO2浓度升高增加了细根在总根长中的比例,有利于水稻对养分的吸收,导致部分营养元素含量增加;但CO2浓度升高条件下水稻生物量的增加使大部分营养元素含量降低.同时,CO2浓度升高对水稻幼苗生物量、养分吸收和根形态的影响存在显著的品种差异.     

CO2浓度升高对湿地松针叶蒸腾特性和水分利用效率的影响

在不同CO2浓度下，测定了湿地松上年生针叶和当年生针叶净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Cs）和叶面饱和水汽压亏缺（Vpdl）随光照强度的变化。结果表明；Ci和Vpdl随光照强度增强而减小；G5，Pn和Tr均随光照强度增强而增大．在达到光饱和点后G5和Pn随光照强度增强而逐渐减小；WUE随光照强度增强呈先增大，达到最大值后又逐渐减小。Ci，vpdl随CO2浓度升高而增大；Gs和Tr随CO2浓度升高而减小；Pn和WUE在CO2浓度为400～1200μmol／mol时随CO2浓度升高而增大，当CO2浓度升高至1600μmol／mol时．Pn和WUE减小；同时．随着CO2浓度升高，上年生针叶光饱和点提高。     

铜镉污染土壤上CO2升高对水稻光合特性的影响

采用盆栽试验,在开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)中种植水稻,研究了南北方10个水稻品种(5种籼稻、5种粳稻)在CO2浓度升高下不同污染土壤上不同生育期的光合特性影响.研究结果表明:高CO2浓度和正常CO2浓度条件下,大部分的水稻品种最大光合速率在分蘖期,在成熟期最小;CO2浓度升高使水稻在不同生育期光合速率都增加,且在不同污染土壤上的水稻品种光合速率变化一致,5种粳稻光合速率增加幅度均在抽穗期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:64.14％～ 143.19％、73.58％ ～132.3％,5种籼稻光合速率增加幅度均在成熟期最大,其增加幅度在高污染土壤和低污染土壤上分别为:104.33％ ～ 256.00％、100.99％～254.81％.CO2浓度的升高对光合速率、胞间CO2浓度的影响表现出趋势一致性变化,且都达到了显著水平,气孔导度与蒸腾速率在CO2浓度升高的情况下在各个生育期的变化趋势不一致,且都没有达到显著水平.     

大气CO2浓度升高对绿豆生长发育与产量的影响

研究大气CO2浓度升高对绿豆影响,有助于人们了解未来气候变化后绿豆生产的变化,以提前采取必要的应对措施趋利避害.本研究利用FACE(Free Air CO2 Enrichment)系统在大田条件进行了绿豆生长发育及产量受CO2浓度升高影响的试验.结果表明:大气CO,浓度升高后,绿豆叶面积、株高、节数、茎粗增加;倒数第一...     

铜污染胁迫条件下农田土壤酶活性及微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应

在开放式大气CO2浓度升高平台上（Free-Air CO2 Enrichment,简称FACE）,采用盆栽实验,研究了不同浓度Cu污染胁迫条件下,稻麦轮作土壤中土壤酶活性及土壤微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应。结果表明,大气CO2浓度升高显著诱导了清洁土壤中蛋白酶、脲酶、尿酸酶活性以及微生物多样性;正常大气和大气CO2浓度升高条件下,3种酶活性都随着土壤Cu污染胁迫的增加而逐渐降低;低浓度Cu污染胁迫条件下（50 mg.kg^-1）,FACE圈中的土壤脲酶和蛋白酶活性显著高于正常大气（Ambience）圈,尿酸酶活性无显著变化;高浓度Cu污染胁迫条件下（400 mg.kg^-1）,土壤脲酶与蛋白酶活性无显著变化,尿酸酶活性则显著降低,其原因可能与不同酶系对铜污染胁迫的敏感差异性以及大气CO2浓度升高对土壤中铜的活化作用有关。与清洁土壤相比,低浓度Cu污染（50 mg.kg^-1）对微生物生长具有一定的刺激作用,Ambience圈和FACE圈土壤微生物多样性都有所增加,FACE圈中这种现象更为明显;高浓度Cu污染胁迫（400 mg.kg^-1）对土壤微生物表现出了明显的毒害作用,微生物多样性有所降低,但在FACE圈中土壤微生物多样性的降低程度要低于Ambience圈,其影响机制有待进一步研究。     

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浓度升高对小麦蒸腾耗水与根系吸水的影响

为了探索大气CO2浓度升高对作物蒸腾耗水与根系吸水的影响,该文布置了春小麦室内水培试验,试验共设置3个CO2浓度梯度(400±50、625±50、850±50μmol/mol),期间对各处理条件下小麦生长与蒸腾耗水的动态变化过程进行监测,包括水气交换、干物重、叶面积、根长、蒸腾速率等。试验结果表明:当CO2浓度从400μmol/mol升高至625、850μmol/mol时,短期(约3 d)内叶片气孔导度迅速降低,蒸腾耗水减弱,光合作用增强,导致水分利用效率升高;随着小麦被置于高CO2浓度条件下时间的延长,叶片气孔导度与蒸腾速率的降低幅度以及光合速率的增大幅度都逐渐缩小,即发生了CO2驯化现象。此时小麦生长仍然很旺盛,但蒸腾耗水并未发生显著变化,因此水分利用效率升高。CO2浓度升高可显著促进根系生长发育,导致单位根长潜在吸水系数显著降低(P<0.05),但其与单位根长氮含量之间仍呈线性正相关关系(R^2=0.83)。研究结果可为改进根系吸水模型与作物生长模型提供参考依据,并有助于系统理解土壤-作物-大气连续体。     

不同改良剂降低矿区土壤水溶态重金属的效果及其长效性

为了解施用不同种类改良剂对降低矿区土壤重金属移动性的长期效果,进行为期6年的模拟试验,用化学提取方法评价磷灰石、农用石灰、坡缕石、钙镁磷肥、沸石、猪粪和水稻秸秆7种常用改良剂对降低土壤重金属溶解性的影响。结果表明,农用石灰、钙镁磷肥、磷灰石、坡缕石和沸石对降低矿区土壤水溶态重金属均有良好的效果,但猪粪和水稻秸秆有机物改良剂的效果较差。降低土壤水溶态Cd的效果以钙镁磷肥为最佳(平均可降至29%),降低土壤水溶态Cu的效果以坡缕石为最佳(平均可降至65%),降低土壤水溶态Pb的效果以磷灰石、石灰和钙镁磷肥3种改良剂为佳(平均可降至27%左右);降低土壤水溶态Zn的效果以钙镁磷肥为最佳(平均可降至48%)。磷灰石和沸石对土壤重金属的稳定性有较长的作用效果,坡缕石、石灰和钙镁磷肥对土壤重金属稳定性随试验时间增加有明显的下降;有机物类改良剂对土壤重金属的稳定效果较差,且随有机物质的降解,其稳定效果显著下降。     

CO2浓度升高对2个品种水稻Cu吸收、根形态和植物络合素合成的影响

为探讨CO2浓度升高条件下不同水稻品种粤杂889 (YZ)和荣优398(RY)对耐Cu胁迫性的变化特征,利用水培试验研究不同Cu浓度下CO2浓度升高对2种水稻幼苗生物量、Cu含量、根形态及植物络合素(GSH和PCs)的影响.结果表明,低铜处理对水稻生长具有促进作用,增加2种水稻生物量及根系根毛数、总根长、表面积和体积.随着Cu处理浓度升高,根系GSH和PCs含量分别呈现渐减和渐增趋势.CO2浓度升高条件下,2种水稻生物量显著增加,600 μmol/L Cu处理时增加比例最大,YZ和RY分别增加59.8％和49.0％;水稻根、茎叶Cu含量降低,但根系形态各个指标明显增加,且在高Cu处理下其增加比例较大.CO2浓度升高显著增加根系PCs合成,50 μmol/L Cu处理时增加比例最大,YZ和RY分别增加121.6％,78.7％.在CO2浓度正常与升高条件下,根系GSH、PCs含量与Cu浓度都具有显著相关性.CO2浓度升高通过增加根系形态和PCs含量以增强水稻对Cu的抗逆性,但存在着品种差异,YZ的增加比例大于RY.     

茶皂素对污染土壤中重金属的修复作用

采用振荡离心的方法研究了生物表面活性剂茶皂素在不同浓度、pH值和离子强度下对污染土壤中重金属去除效果的影响;并采用BCR法研究了茶皂素处理前后土样中各形态的重金属含量变化。试验结果表明:随着茶皂素浓度的增加,重金属的去除率随之增加,在茶皂素浓度为7%时,对供试土样中重金属的去除率达到最大值,去除率分别为Cd 96.36%,Zn 71.73%,Pb 43.71%,Cu 20.56%;随着土壤环境pH值的增加,重金属的去除率随之减少,适宜的pH范围在5.0左右;离子强度对Pb,Cu的去除效率影响不大,Zn,Cd的去除率随着离子强度的增加而减少。比较茶皂素处理前后土样中重金属各形态含量的变化,发现酸溶态的重金属更易被茶皂素去除,其次为可还原态、可氧化态和残渣态的重金属很难被去除。     

淹水条件下生物炭对污染土壤重金属有效性及养分含量的影响

以生物炭为改良剂,采用淹水培养方法研究不同添加量生物炭(BC)处理(1%,3%和5%)对污染土壤Zn、Cd、Pb、Cu有效性及养分含量的影响,并用毒性淋出试验(TCLP)法对其生态风险进行评价。结果表明:与对照相比,添加生物炭土壤中交换态Zn、Cd、Pb、Cu分别降低0.15%～24.11%,1.22%～16.09%,0.47%～21.51%,3.05%～77.30%,且表现为随生物炭施用量的增加其降低程度增大。TCLP态Zn、Cd、Pb、Cu含量分别降低0.74%～21.47%,6.67%～47.62%,2.02%～16.74%,0.29%～21.20%,且表现为随生物炭施用量的增加其降低程度增大。与对照相比,添加生物炭后土壤pH上升(-0.01)～0.35个单位,有机质、铵态氮和硝态氮分别增加0.09%～20.02%,1.59%～38.28%和2.74%～90.14%。土壤pH值与土壤交换态Cu含量呈显著负相关,有机质含量与交换态Zn含量呈显著负相关。淹水条件下污染土壤中施用生物炭可降低重金属Zn、Cd、Pb和Cu的有效性和生态风险,提高土壤养分含量,起到改良土壤作用。     

土壤碳转化对大气CO_2升高响应机制研究进展

土壤有机碳是地球表层最大的碳库,其微小的变化将影响大气CO_2浓度,而使土壤成为CO_2的源或汇。在大气CO_2浓度升高的大背景下,土壤碳库的转化与更新过程在时间和空间上发生改变。由于土壤本身及环境条件的差异性,土壤碳转化过程对CO_2浓度上升的响应差异较大,要阐明这些差异,理清土壤"碳汇(源)"功能,必须全面深入了解土壤碳转化对CO_2的响应机理。然而,长期以来,关于CO_2升高对土壤地上部碳输入的影响研究较多,而针对土壤有机碳对CO_2升高的响应,尤其是响应的内在机制研究不足。本文主要依据近10年相关研究报道,在论述CO_2浓度升高对土壤有机碳含量影响的基础上,从微生物学、土壤酶活性及与其他影响因素的耦合效应揭示CO_2浓度升高对土壤有机碳转化内在机制的研究进展,并展望了未来相关研究的主要方向,旨在为将来农田土壤管理决策提供科学的理论依据。     

低分子有机酸去除土壤中重金属条件的研究

采用化学萃取实验,以湖南郴州柿竹园和湖南衡阳水口山矿区的重金属污染农田土壤为研究对象,采用柠檬酸、草酸、酒石酸作为低分子有机酸萃取剂,在一定的条件下对污染土壤中重金属进行萃取实验,确定各个单因素的适宜条件。结果表明,对于湖南郴州和衡阳两个污染地区土壤运用化学萃取技术萃取重金属来进行土壤修复是实际可行的;柠檬酸、酒石酸、草酸对各种土壤中的重金属都表现出了良好的萃取能力,是高效的土壤重金属萃取剂;单因素的适宜萃取条件为100mmol·L^-1有机酸溶液,固液比1∶5,恒定温度35℃,pH为3,反应时间24h,且萃取率随着电解质浓度的增大而提高;土壤中重金属存在形态与萃取效果有一定的相关性,稳定态（残渣态、硫化物和有机结合态、铁-锰氧化物结合态）金属含量高,表现为较低的萃取率;反之,萃取率高;柠檬酸、草酸、酒石酸3种萃取剂均能有效地降低衡阳污染土壤中的重金属浓度,3种萃取剂的萃取效率依次为酒石酸〉草酸〉柠檬酸。     

高CO2浓度对不同氮素供给形态下水稻叶片光合作用的影响

为探究水稻叶片光合作用对高CO_2浓度([CO_2])的响应是否与氮素供给形态有关,利用人工气候生长箱,以粳稻(武运粳23号和淮稻5号)、籼稻(扬稻6号)和杂交稻(Y-两优6号)为试验材料,设置主处理:大气[CO_2]和高[CO_2]处理(+200μmol/mol),副处理:硝态氮和铵态氮处理,测定水稻新展开完全叶片的光合作用。试验结果表明:高[CO_2]会增加硝态氮处理下粳稻和杂交稻叶片的净光合速率(P_n)、铵态氮处理下粳稻武运粳23号叶片P_n以及各氮素供给形态下水稻叶片胞间[CO_2](C_i)和水分利用效率(WUE),其中在硝态氮处理下P_n和WUE的响应要高于铵态氮处理;高[CO_2]会降低水稻叶片的气孔导度(g_s)和蒸腾速率(T_r),其中在硝态氮处理下粳稻g_s和T_r的响应要高于籼稻,而在铵态氮处理下高[CO_2]对杂交稻g_s和T_r的影响要高于粳稻和籼稻。可见,不同的氮素供给形态会影响水稻叶片的光合作用对高[CO_2]的响应,且这种影响在水稻品种间存在很大差异。     

生物炭对不同酸化水平稻田土壤性质和重金属Cu、Cd有效性影响

针对南方稻田土壤酸化严重,导致养分流失有毒重金属活化,严重影响稻米质量安全的重大现实问题。以水稻秸秆和谷壳等农业废弃物为原料制备生物炭(分别记为RSC和RHC),研究不同原料生物炭对酸化土壤改良及其对重金属有效性的影响。设置3个生物炭用量(0,20,50 g/kg,分别记为CK、C1、C2),4种土壤酸化水平(pH 4.01,4.25,4.33,4.58,分别记为L1、L2、L3、L4),生物炭与重金属污染土壤共同培养60天后测定土壤pH、全氮、有机质、有效磷、速效钾和有效态Cu、Cd含量。结果表明:RSC对酸化土壤pH的改良效果明显优于RHC,且施炭量越高提高幅度越大,RSC的C2处理使4种酸度水平的土壤pH分别提高了0.68,0.97,1.29,1.71个单位。2种生物炭均能提高土壤的全氮、有效磷、速效钾和有机质含量,其中各施炭处理有机质显著提高,尤以速效钾的增幅最为显著,RSC对4种养分的提高均优于RHC。RHC对土壤有效态Cu含量无显著影响;RSC的C2较C1处理更能降低土壤中有效态Cu含量,使4种酸度水平的土壤分别降低了13.62%,6.57%,4.36%,7.88%。RHC处理的L3、L4土壤中有效态Cd含量显著降低,最大分别降低了13.79%,19.23%。RSC使4种酸度土壤有效态Cd含量最大分别降低了20.00%,25.81%,20.69%,19.23%。相关分析表明,土壤pH与有效态重金属含量呈显著负相关关系。水稻秸秆炭用于改良酸化土壤、降低重金属Cu和Cd有效性的效果更佳,且降低污染土壤中Cd的有效性较Cu好;生物炭对酸化程度越低的土壤pH和有效磷含量的提高以及有效态Cd含量的降低效果较好,而有效态Cu含量的降低效果则在酸化程度越高的土壤中表现更佳;土壤pH是生物炭调控重金属Cu、Cd有效性的主要影响因素。