C_4作物FACE(free-air CO_2 enrichment)研究进展

持续迅速上升的大气二氧化碳浓度([CO2])是全球变暖最大的驱动因子,但其作为光合作用底物直接增加了作物的生产力。相比C3作物,人们对未来高浓度CO2情形下C4作物的响应规律认识较少。与封闭或半封闭气室研究相比,FACE(free-airCO2 enrichment)试验在空气自由流动的大田条件下对作物表现进行研究,它提供了对未来作物生长环境的真实模拟,因此提供了评估CO2肥料效应以及揭示植物响应机制的最好机会。作为人类重要的粮食和饲料来源,高粱和玉米是最重要的C4作物。在简介美国玉米和高粱FACE系统的基础上,综述了FACE情形下高浓度CO2(模拟本世纪中叶大气CO2浓度,即550μmol/mol)对两大作物生理、生长和产量以及土壤特性等方面的影响,同时比较了与气室研究结果的异同点。(1)FACE使干旱条件下两作物光合作用显著增强,但湿润条件下没有影响;FACE条件下高粱出现光合适应现象,而玉米没有;(2)FACE使两作物气孔导度大幅下降,导致叶温升高、蒸腾速率下降、蒸发蒸腾总量减少或没有变化、叶片总水势和水分利用效率增加或没有变化;(3)FACE对两作物物候期和化学组分影响很少;(4)FACE使干旱条件下两作物生长和产量略有增加,但湿润条件下没有影响;(5)FACE使高粱田土壤丛枝状菌根真菌的长度和易提取胶状物质浓度显著增加,导致水稳性土壤团聚体增加;FACE对高粱田N2O或含氮气体(N2O+N2)的排放没有影响;(6)高浓度CO2对两作物气孔导度的影响FACE试验明显大于气室试验,而对生长和产量的影响呈相反趋势。阐明CO2与基因型、土壤湿度和大气温度间的互作效应及其机制是下一轮C4作物FACE研究优先考虑的方向,技术的不断进步已为利用大型FACE系统来研究这些互作效应提供了可能。