Effects of Free-air CO2 Enrichment on Root Characteristics and C:N Ratio of Rice at the Heading Stage

A hydroponics experiment was conducted to investigate the rice root growth in FACE （free-air carbon dioxide enrichment）. The root biomass, root volume, ratio of root/shoot, number of adventitious roots and root diameter significantly increased under FACE conditions, while the CO2 enrichment decreased the N concentration in rice roots without any change in the C content, leading to an increase in root C：N ratio. Moreover, the elevated CO2 resulted in a remarkable decrease of root activity, expressed as per unit root dry weight, which might be responsible for decreased N concentration in roots.

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。

大气CO2浓度升高对矿质元素在水稻中分配及其根际有效性的影响

在开放式空气CO2浓度升高(free-air CO2 enrichment, FACE)条件下,研究了籼稻IIY084与粳稻WYJ23根际土壤矿质元素(Fe、Mn、Cu、Zn、Ca和Mg)有效态含量及其在水稻各组织中的吸收与分配,结合前期稻米矿质元素含量下降的研究结果,探讨了其下降的机制。结果表明:大气CO2浓度升高,显著增加水稻穗、茎、根和整株生物量,两个品种平均增加19.4%、9.3%、23.4%、16.0%;根际土壤中矿质元素的有效态含量大体呈增加趋势;除Ca吸收量增加外,水稻其他矿质元素总吸收量未发生显著变化;显著促进大部分矿质元素在穗中的吸收与分配,而降低其在茎中的分配比;在穗内有增加大部分矿质元素在壳梗中滞留的趋势,相应地减少其在糙米中的分配比。品种效应分析显示,IIY084的茎和整株生物量,以及穗中Fe、Mn、Cu,叶中Zn、Mg,茎中Cu的吸收量与分配百分数均显著高于WYJ23,而叶中Mn、茎中Fe和根中Cu、Zn则呈相反趋势。可见,大气CO2浓度升高条件下,碳水化合物与矿质元素从植株营养器官到籽粒的不平衡转运以及在壳梗中的滞留可能是导致两水稻品种糙米中矿质元素含量降低的重要原因。

剪叶疏花条件下高浓度CO2对汕优63生长和产量的影响

利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)系统平台,以杂交稻汕优63为供试材料,二氧化碳设环境CO_2浓度(Ambient)和高CO_2浓度(Ambient+200μmol/mol),抽穗期源库改变设剪叶(剪除剑叶)和疏花处理(相间剪除1次枝梗),以不处理为对照(CK),研究大气CO_2浓度升高对不同源库处理水稻产量形成及物质生产的影响。结果表明:CK条件下,大气CO_2浓度升高使汕优63籽粒产量显著增加32%,这主要与单位面积总颖花量大幅增加(+26%)有关,结实能力亦呈增加趋势但未达显著水平。大气CO_2浓度升高使抽穗期剪叶处理水稻的籽粒产量平均增加55%,明显大于对照水稻,这主要与受精率(+28%)、饱粒率(+23%)和所有籽粒平均粒重(+19%)大幅增加有关。相反,对抽穗期疏花处理水稻而言,高CO_2浓度环境下籽粒产量的增幅(+25%,P=0.07)明显小于对照水稻,这主要与结实能力的响应略有下调有关。与产量响应类似,大气CO_2浓度升高使对照、剪叶和疏花条件下最终生物量分别增加39%、43%和28%,除疏花处理外均达显著水平。抽穗期剪叶和疏花处理本身使水稻籽粒产量分别降低40%和45%,前者主要是结实能力大幅下降所致,而后者与总颖花量减半相关。以上结果表明,大气CO_2浓度升高使杂交水稻生产力大幅增加,人为减小源库比(如剪叶)可增强CO_2肥料效应,而增加源库比(如疏花)则可使这种肥料效应减弱。

循环气提法处理二氧化碳驱采出水试验研究

二氧化碳驱是高效、绿色、低碳的原油开采技术,但存在采出水游离CO_(2)含量高、pH值低、水处理药剂消耗量大、污泥产生量大、腐蚀速率高等难题。为解决以上难题,建立氮气循环气提工艺,以中原油田某二氧化碳驱采出水为研究对象,通过一体化“循环气提”脱除CO_(2)试验装置,以游离CO_(2)、pH值、腐蚀速率、含油量等为考察指标,在现场条件下评价低气液比的处理效果。结果表明,循环气提法对二氧化碳驱采出水游离CO_(2)去除效果明显。在气液比2.4∶1条件下,处理后采出水游离CO_(2)平均质量浓度为63.7 mg/L,游离CO_(2)去除率可达80%以上,pH值从5.6增加到6.7左右,将pH调至7.5,石灰乳消耗量减少82.3%,污泥产生量下降78.3%,碳钢挂片腐蚀速率小于0.076 mm/a,达到SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》要求。该试验研究为高效处理二氧化碳驱采出水提供了创新思路和基础积淀。

高CO2浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响--FACE研究

大气二氧化碳(CO_2)浓度增高导致全球变暖,但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响,2014年利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)平台,以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料,设置环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)两个水平,测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明,高CO_2浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌浆中期的平均增幅减半,其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO_2浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降,导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加,Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO_2的响应上午大于下午,而甬优2640表现相反。尽管大气CO_2浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO_2浓度均大幅增加,但对气孔限制值特别是胞间CO_2与空气CO_2浓度之比多无显著影响,两品种趋势一致。大气CO_2浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号,CO_2与品种间多存在互作效应。以上结果表明,与甬优2640相比,Y两优2号最终生产力从高CO_2浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关,但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。

升温和大气CO2浓度升高对不同品种小麦养分吸收的影响

研究升温和大气CO2浓度升高对不同品种小麦养分吸收的影响,为未来气候变化下农田土壤养分管理与作物施肥提供科学参考。在田间开放条件下模拟升温和大气CO2浓度升高,设置对照(CT)、大气CO2浓度升高(C+T)、升温(CT+)以及两者同时升高(C+T+)4个处理。每个处理种植扬麦16、苏麦188、鑫农518和镇麦9号4个品种。收获时测定小麦籽粒和秸秆中N、P、K、Ca和Mg的浓度,并计算各养分在籽粒和秸秆间的分配比例。结果表明:大气CO2浓度升高增加了N、K、Ca和Mg在小麦地上部分的总吸收量,其中N、K和Mg的总吸收量受到大气CO2浓度升高和小麦品种的共同影响,但是大气CO2浓度升高没有改变养分在小麦籽粒和秸秆间的分配。升温显著降低了各养分在地上部分的总吸收量,此外升温还提高了K、降低了Ca在籽粒中的分配比例。升温和大气CO2浓度升高下,小麦养分吸收总量变化一方面与生物量有关,另一方面与各养分含量(浓度)相关。大气CO2浓度升高显著降低了小麦籽粒和秸秆中P的含量,但是对籽粒N、Mg和秸秆N、P、K含量的影响都与品种有关。升温降低了小麦秸秆K和籽粒P、K、Ca、Mg的含量,其中只有P的吸收对升温的响应受品种的影响。升温和大气CO2浓度升高改变了小麦养分吸收过程,而且大气CO2浓度升高对小麦养分吸收过程的改变与养分类型和作物品种密切相关。因此,未来气候变化下有必要根据小麦品种选择合理的培肥和管理方式。

C.I.分散棕19在超临界CO2及水中溶解性的分子动力学模拟

为探究分散染料在超临界CO2和水中各自染色条件下的溶解性,基于分子动力学模拟,采用热力学积分方法分别计算了C.I.分散棕19在2种溶剂中的溶解自由能和结合自由能,并采用平均非键相互作用方法分析了C.I.分散棕19染料分子与2种溶剂分子间的弱相互作用类型及稳定性。模拟结果表明:C.I.分散棕19染料分子在超临界CO2(24 MPa,130℃)和水(0.25 MPa,130℃)中的自由能绝对值均较小且相差不大,但其在超临界CO2中的溶解自由能绝对值稍小,结合自由能绝对值稍大;C.I.分散棕19染料分子与2种溶剂分子间均只存在较弱且不稳定的范德华色散作用,但其与超临界CO2分子间的弱相互作用相对于水更不稳定。

[CO2]升高对粮食作物影响的研究进展

自工业革命以来,由人类活动引起的大气CO2浓度([CO2])不断攀升,正驱动着全球气候变化,对全球农业产生重大影响。本文归纳总结了目前作物对高[CO2]响应的主要研究技术手段,以及作物对高[CO2]响应的机理研究,并进一步梳理了当前全球关于[CO2]升高对作物产量和营养品质影响的研究。结果表明:相比封闭式或半封闭式环境控制试验系统,开放式试验系统(如开放式CO2控制系统FACE)由于其能更加真实地模拟自然条件下作物对未来高[CO2]的响应和适应情况,被公认为是目前研究作物对高[CO2]响应的最理想手段。[CO2]增高会增加C3作物光合速率、生物量和产量,在一定程度上缓解气候变化对农作物产生的负面影响,但是作物对大气[CO2]的升高存在光合适应现象,当作物长期暴露在高[CO2]条件下时,高[CO2]对作物的促进作用会逐渐减缓。近10年的FACE试验发现,对高[CO2]出现高应答的水稻品种,其光合速率和产量在高[CO2]下的增加幅度比早期的主要粮食作物FACE试验结果平均高出两倍。此外,高[CO2]会明显降低大部分非豆科C3作物中蛋白质和矿物质(如锌、铁)以及部分维生素的含量,加剧目前全球约2亿人由于维生素和矿物质元素等营养缺乏导致的健康问题。如何充分利用未来高[CO2]实现高增产的同时,减缓粮食养分下降的负面影响,是迫切需要解决的科学问题。

Four years of free-air CO_2 enrichment enhance soil C concentrations in a Chinese wheat field

Elevated atmospheric CO2 can influence soil C dynamics in agroecosystems. The effects of free-air CO2 enrichment （FACE） and N fertilization on soil organic C （Corg）, dissolved organic C （DOC）, microbial biomass C （Cmic） and soil basal respiration （SBR） were investigated in a Chinese wheat field after expose to elevated CO2 for four full years. The results indicated that elevated CO2 has stimulative effects on soil C concentrations regardless of N fertilization. Following the elevated CO2, the concentrations of Corg and SBR were increased at wheat jointing stage, and those of DOC and Cmic were enhanced obviously across the wheat jointing stage and the fallow period after wheat harvest. On the other hand, N fertilization did not significantly affect the content of soil C. Significant correlations were found among DOC, Cmic, and SBR in this study.

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C4F7N-CO2混合气体有可能替代SF6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO2、体积分数40%C4F7N-60%CO2以及SF6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF6电弧且多次剧烈波动,加入C4F7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C4F7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO2、40%C4F7N-60%CO2以及SF6几种气体电弧弧芯温度分别为20000、18900、14900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C4F7N对降低CO2电弧弧芯温度有明显作用。

Rational design of carbon-based metal-free catalysts for electrochemical carbon dioxide reduction: A review

Electrochemical CO2 reduction to chemicals or fuels presents one of the most promising strategies for managing the global carbon balance, which yet poses a significant challenge due to lack of efficient and durable electrocatalyst as well as the understanding of the CO2 reduction reaction(CO2RR) mechanism.Benefiting from the large surface area, high electrical conductivity, and tunable structure, carbon-based metal-free materials(CMs) have been extensively studied as cost-effective electrocatalysts for CO2RR.The development of CMs with low cost, high activity and durability for CO2RR has been considered as one of the most active and competitive directions in electrochemistry and material science.In this review article,some up-to-date strategies in improving the CO2RR performance on CMs are summarized.Specifically, the approaches to optimize the adsorption of CO2RR intermediates, such as tuning the physical and electronic structure are introduced, which can enhance the electrocatalytic activity of CMs effectively.Finally, some design strategies are proposed to prepare CMs with high activity and selectivity for CO2RR.

综放工作面临空巷道CO2致裂切顶卸压技术应用

5111巷邻近8101工作面采空区,巷道出现顶板下沉、底鼓、帮鼓、巷道断面变形等问题。针对这一问题,采用CO2致裂切顶卸压技术,分析了致裂切至直接顶钻孔和致裂切至老顶钻孔两种方案,并确定了切至老顶钻孔的设计。通过方案的实施和监测,证明卸压后围岩动压得到了有效降低,巷道断面变形也得到了有效的控制。

超临界CO2中CPVC树脂的生产

介绍了超临界CO2中CPVC树脂的生产方法:PVC粉末在超临界CO2中分散溶胀,通人氯气,用紫外线照射,进行氯化反应。反应完成后,冷却降温,将超临界CO2转变为液相,初步分离液相CO2后,减压膨化制得疏松型CPVC。

Experimental Investigation of the Cooling Capacity of Gaseous Carbon Dioxide in Free Jet Expansion for Use in Portable Air-Cooling Systems

This paper investigates the possibility of using the free expansion of gaseous CO2 in portable air-cooling systems. The cooling capacity of the gaseous CO2 free jet expansion was calculated using three different approaches and the results showed that the simplified calculations would give approximated cooling values with an 11.6% maximum error. The mass flow rate, upstream pressure and cooling capacity of the gaseous CO2 decreased with time. A maximum 48.5 watts of cooling was recorded at minute 4 and a minimum value of 10.4 watts at the end of the test. The drop in cooling capacity is due to the evaporation of the liquid CO2 inside the small cylinder which cools the two-phase CO2 mixture and causes a pressure drop (from 6 MPa to 2.97 MPa), which also affects the mass flow rate of gaseous CO2 exiting the orifice (from 0.56 g/s to 0.24 g/s). If this cooling technique is to be considered in portable compact-cooling systems, the mass, pressure and cooling capacity drop with time must be solved. One of the solutions could be to cover the cylinder with a heating coat to compensate for the heat absorbed by the evaporation of the liquid CO2.

开放式空气中CO_2浓度增高(FACE)对水稻生长和发育的影响

人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物的生长环境,其中最大的一个变化就是大气二氧化碳(CO2)浓度的迅速上升:从工业革命前的平均270μmol/mol上升到目前的381μmol/mol,到2050年至少超过550μmol/mol。FACE(Free-air CO2 enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)试验是目前评估未来高浓度CO2对作物生长和产量实际影响的最佳方法。水稻无疑是人类最重要的食物来源,迄今为止人类利用FACE技术开展水稻响应和适应的研究已有10a(19982008年)的历史。以生长发育为主线,首次系统综述了10a水稻FACE试验在该领域的研究成果,总结了FACE情形下高浓度CO2(模拟本世纪中叶大气CO2浓度)对主要供试水稻品种(小区面积大于4m2)光合作用、生育进程、地上部生长、地下部生长、物质分配、籽粒灌浆、产量构成以及倒伏性状等影响的研究进展,比较了FACE与非FACE研究之间以及中国和日本FACE研究(世界上唯一的两个大型水稻FACE研究)之间的异同点。根据研究进展以及当前的技术水平,文章最后提出了该领域的3个优先课题:(1)FACE情形下杂交稻生产力响应高于预期的生物学机制;(2)FACE情形下CO2与主要栽培措施的互作效应;(3)FACE情形下CO2与主要空气污染物臭氧的互作效应。这些响应的机理性解析将有助于从根本上减少人类预测未来粮食安全的不确定性,进而更加有效地制订出应对全球变化的适应策略。

开放式空气CO_2浓度增加(FACE)对水稻产量形成的影响及其与氮的互作效应

2001～2003年,在大田条件下以武香粳14号为供试品种,设计高、中、低氮处理,研究开放式空气CO2浓度增加(FACE)200μmolmol-1对水稻产量形成的影响及其原因。结果表明,FACE处理使水稻产量平均比对照增加12.8%,其中2001、2002和2003年增幅分别为10.8、14.1和13.6%,高、中、低氮处理的增幅分别为17.6、12.4、10.9%,均达到显著或极显著水平;FACE和氮处理对水稻产量的互作效应,2001、2002年达到显著水平,产量最高的处理组合为FACE×NN;FACE处理使水稻穗数平均比对照增加18.8%,每穗颖花数平均比对照减少7.6%,均达极显著水平;FACE处理使水稻生物产量平均提高16.2%,达极显著水平,使经济系数下降但未达到显著水平。进一步研究表明,FACE处理使水稻穗数极显著多于对照是因其分蘖发生速度快,最高分蘖数多所致,而不是其分蘖成穗率高的缘故;FACE处理使水稻每穗颖花数极显著少于对照是因其分化颖花的大量退化所致,而不是分化颖花数少的缘故。

FACE下二氧化碳、施氮量、密度和锌肥对Ⅱ优084稻米锌浓度及有效性的影响

利用稻田FACE(FreeAirCO2Enrichment)平台,以Ⅱ优084为供试材料,主区CO2处理设置环境CO2浓度(AmbiGent)和高CO2浓度(比Ambient高50%)两个水平,裂区设置施氮量(15和25g/m2)、移栽密度(16和24株/m2,单本栽插)以及叶面施锌(0%和0.2%ZnSO4)处理,研究大气CO2浓度升高对超级稻精米和糙米锌浓度和有效性的影响.精米锌浓度、植酸含量以及植酸与锌的摩尔比均明显低于糙米.大气CO2浓度升高使精米和糙米锌浓度平均下降5%和7%,锌处理使对应部位锌浓度分别增加40%和63%,差异均达极显著水平,但施氮量或栽插密度处理对两部位锌浓度影响未达显著水平.CO2浓度和锌处理对精米和糙米的植酸含量均无显著影响,但增加施氮量和移栽密度使糙米植酸含量分别下降8%和6%,差异均达极显著水平.大气CO2浓度升高使精米和糙米中植酸与锌的摩尔比平均增加6%和7%,锌处理使对应部位植酸与锌的摩尔比分别下降28%和40%,增加施氮量和移栽密度使糙米中植酸与锌的摩尔比平均下降10%和7%.说明高浓度CO2环境下超级稻Ⅱ优084食用部位微量元素锌含量下降且生物有效性降低,但适当增加施氮量或移栽密度特别是结实期叶面喷施锌肥,可不同程度地改善该品种稻米的锌营养水平.

开放式空气CO_2浓度增高对水稻生长发育影响的研究进展

地球大气中CO2浓度不断升高已是不争的事实.CO2浓度升高势必对植物的生长发育过程产生深刻的影响.水稻是世界上最重要的作物之一,也是中国第一大作物.结合气室条件下的研究结果,从光合作用、水分关系、生育期、叶片和根系生长、物质生产与分配、化学组分以及产量和品质等方面,重点收集和整理了开放式空气中CO2浓度增高(FACE)对水稻生长发育影响的研究进展,并讨论了该领域有待深入研究的方向.

开放式空气二氧化碳浓度增高对小麦产量形成的影响

利用农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,以弱筋小麦宁麦9号为供试品种,研究大气CO2浓度增高和不同施氮水平对小麦生育期、株高、产量和产量构成因素的影响.结果表明:FACE处理的小麦播种至抽穗期、抽穗至成熟期及全生育期天数分别比对照缩短1.3、1.3和2.6d,但均未达到显著水平;FACE处理的小麦穗长、穗下第1和第2节间长度显著变长,成熟期株高显著增加,比对照增加4.0%;低、中、高氮条件下,FACE处理小麦的籽粒产量分别比对照提高15.2%、21.4%和35.4%,平均增产24.6%,均达极显著水平;FACE处理小麦的单位面积穗数极显著增加,比对照增加17.8%,使穗粒数和粒重显著增加,分别比对照增加了2.9%和4.8%.FACE处理使小麦显著增产主要是由于单位面积穗数显著增加,而单位面积穗数的增加主要是由于小麦的分蘖能力明显增强所致.