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浓度增高对中国稻田生态系统线虫营养类群产生的影响(英)

土壤动物在农田生态系统腐屑食物网中占有重要地位 ,它们参与土壤有机质分解、植物营养矿化及养分循环作用 .国内外许多研究表明 ,土壤动物对全球变化 ,尤其是大气CO2 浓度升高能够产生正向、中性和负向的影响 .土壤线虫是这类土壤动物的典型代表 ,因为它们在大多数土壤中分布是丰富的 ,而且营养类群是多样的 .应用自由空气CO2 浓度增高 (FACE)技术设计 3个处理水稻圈暴露在大气CO2 增高(浓度为 5 70 μmol·mol-1)条件下 ,3个对照水稻圈为环境中的CO2 浓度 (370 μmol·mol-1) .在中国无锡稻田生态系统水稻生长期内 ,本项研究监测了 0～ 5cm和 5～ 10cm土层中线虫营养类群 .研究结果显示 ,线虫总数、食细菌线虫、植物寄生线虫、杂食 捕食类线虫在取样深度和取样日期上存在显著差异 ;在整个取样日期中 ,FACE处理 5～ 10cm深度中线虫总数、食细菌线虫数量比对照中的高 ;在 0～ 5cm深度中 ,FACE处理食细菌线虫数量比对照中的高 ,而杂食 捕食类线虫数量则表现出相反的趋势 .食真菌线虫在FACE处理与对照之间也存在极显著差异 .

开放式空气CO_2浓度增高试验中的NO和NO_2地气交换观测研究

介绍了农田FACE(free airCO2 enrichment)试验中的NO和NO2 地 气交换观测方法 ,即静态暗箱采样—NO和NO2 化学发光分析法 ,并对观测结果进行了分析讨论 .此观测方法简单、易于操作 ,并可获得可靠的NO和NO2 净交换通量观测结果 .在稻麦轮作农田的旱地阶段 ,无论FACE还是对照处理 ,NO主要表现为地面净排放 ,NO2 主要表现为地面净吸收 .逐日的NO净排放不依赖于土壤温度 ,但却与土壤含水量呈线性负相关 (R2 =0 .82 ,P <0 .0 0 1) .NO2 净吸收具有明显的季节变化特征 ,逐日的净吸收通量随土壤温度和土壤含水量的变化可分别用抛物线方程拟合 (温度 :R2 =0 .74 ,P <0 .0 0 1;含水量 :R2 =0 .6 9,P <0 .0 0 1) .大气CO2 浓度升高 2 0 0± 4 0 μmol·mol-1使NO净排放减弱 19% (t 检验P =0 .0 96 ) ,NO2 净吸收减弱 10 % (t 检验P =0 .2 6 ) ,这主要是植物生长受到促进的缘故 .

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CO_2浓度增高条件下旱地土壤气体CO_2浓度廓线测定

设计了一套适合于FACE(free airCO2 enrichment)平台的旱地土壤气体CO2 浓度廓线测定方法 ,并将其应用于田间实验 .在江苏省无锡市郊区具有太湖地区典型水稻土的稻麦轮作农田 ,对FACE和对照麦田以及裸土 0～ 30cm土层的土壤气体CO2 浓度廓线进行了观测研究 .结果表明 ,所采用的方法满足进行旱地农田土壤气体CO2 浓度廓线研究的要求 ;在 0～ 30cm土层中 ,上层土壤气体中的CO2 向上垂直扩散要比下层土壤快 ;在作物旺盛生长期 ,大气CO2 浓度升高 2 0 0± 4 0 μmol·mol-1使 0～ 30cm土层的土壤气体CO2 浓度显著提高 14 %± 5 % (t 检验P <0 .0 0 1) .

开放式空气CO_2浓度增高(FACE)对稻田土壤微生物的影响

1 引言公元1750年前,大气CO@浓度基钱保持280μmol·mol-1左右.

开放式空气CO_2浓度增高对水稻颖花分化和退化的影响

在大田栽培条件下 ,研究开放式空气CO2 浓度增加 (FACE) 2 0 0 μmol·mol-1的处理对水稻每穗 1、2次枝梗及其颖花的分化数、退化数、现存数及退化率的影响 .结果表明 ,FACE处理对每穗 1、2次枝梗的分化数及 1次枝梗的退化数、退化率均无显著影响 ,但使 2次枝梗的退化数、退化率显著提高 ,使 2次枝梗现存数明显减少 ;FACE处理对每穗 1、2次颖花的分化数和 1次颖花的退化数、现存数、退化率均无显著影响 ,但使每穗 2次颖花的退化数和退化率显著提高 ;FACE处理使每穗颖花现存数显著减少主要是因为FACE处理使现存 1次枝梗上 2次枝梗大量退化引起 2次颖花退化所致 ;FACE处理使 1次颖花现存数占全穗的比率显著增加 ,使 2次颖花现存数占全穗的比率显著降低 .

开放式空气CO_2浓度增高对水稻冠层微气候的影响

利用位于江苏省无锡市安镇的我国唯一的农田开放式空气CO2 浓度增高 (FACE)系统平台 ,于2 0 0 1年 8月 2 6日至 10月 13日 (水稻抽穗至成熟期 )进行水稻作物冠层微气候连续观测 ,以研究FACE对水稻冠层微气候特征的影响 .结果表明 ,FACE降低了水稻叶片的气孔导度 ,FACE与对照水稻叶片气孔导度的差异上层叶片大于下层叶片 ,生长前期大于生长后期 .FACE使白天水稻冠层和叶片温度升高 ,这种差异生长前期大于生长后期 ;但FACE对夜间水稻冠层温度的影响不明显 .在水稻旺盛生长的抽穗开花期 ,晴天正午前后FACE水稻冠层温度比对照高 1.2℃ ;从开花至成熟期 ,FACE水稻冠层白天平均温度比对照高 0 .4 3℃ .FACE对冠层空气温度也有影响 ,白天水稻冠层空气温度FACE高于对照 ,这种差异随太阳辐射增强而增大且冠层中部大于冠层顶部 ;冠层中部空气温度FACE与对照的差异 (Tface-Tambient)日最大值在 0 .4 7～ 1.2℃之间 ,而冠层顶部的Tface-Tambient日最大值在 0 .37～ 0 .8℃之间 .夜间水稻冠层空气温度FACE与对照差别不大 ,变化在± 0 .3℃之内 .而FACE对水稻冠层空气湿度无显著影响 ,表明FACE使水稻叶片气孔导度降低 ,从而削弱了植株的蒸腾降温作用 ,导致水稻冠层温度和冠层空气温度升高 。

开放式空气CO_2浓度增高对水稻N素吸收利用的影响

在大田栽培条件下 ,研究空气中CO2 浓度增高 (FACE) 2 0 0 μmol·mol-1对水稻N素吸收及其利用效率的影响 .结果表明 ,FACE处理使水稻不同生育时期的植株含N率显著下降 ;由于干物质生产量显著增大 ,FACE处理使水稻不同生育时期的N素累积量有所提高 ,但无显著影响 ;FACE处理能够显著提高移栽后 2 8d、抽穗期以及成熟期单位N素的干物质生产效率、单位N素的籽粒生产效率和显著提高水稻的N素收获指数 .高N处理的植株含N率、N素累积量均有所增加 ,但使N素生产效率呈现下降趋势 .

开放式空气CO_2浓度增高对水稻产量形成的影响

在大田栽培条件下 ,研究开放式空气CO2 浓度增加 (FACE) 2 0 0 μmol·mol-1的处理对水稻产量及产量构成因素的影响 .结果表明 ,FACE处理对水稻株高和主茎叶片数没有明显影响 ,但使水稻生育进程加快 ,全生育期显著缩短 ,增加施N量可减缓FACE处理对水稻全生育期缩短的程度 ;FACE处理能显著增加分蘖数 ,极显著增加穗数 ,提高结实率 ,但使每穗颖花数显著减少 ;FACE处理能显著提高水稻产量 ,在高N条件下增产幅度更大 ;提高FACE处理的每穗颖花数和单位面积颖花数能极显著提高水稻产量 ,增加施N量是提高FACE处理每穗颖花数和单位面积颖花数的重要措施 .

开放式空气CO_2浓度增高影响稻田大气CO_2净交换的静态暗箱法观测研究

首先介绍静态暗箱法 气相色谱法观测确定陆地生态系统地 气CO2 净交换通量的基本原理和方法 ,然后讨论在开放式空气CO2 增加 (FACE)试验中应用该原理和方法观测研究大气CO2 浓度升高对稻田生态系统 大气CO2 净交换通量的影响 .因缺乏必要参数的实际观测值 ,本文只能根据暗箱观测值计算CO2 净交换通量的最小取值NEEmin.NEEmin计算结果表明 ,在插秧 1个月之后的水稻生长期内 ,大气CO2浓度升高 2 0 0± 4 0 μmol·mol-1使稻田生态系统对大气CO2 的净吸收约为对照的 3倍 .为根据暗箱观测准确确定NEE ,还必须在FACE和对照条件下观测水稻植株的暗维持呼吸系数、地上生物量及根冠比动态 .

开放式空气CO_2浓度增高(FACE)对水稻灌浆动态的影响

【目的】揭示大气CO2浓度升高对水稻籽粒灌浆动态的影响。【方法】利用农田开放式空气CO2浓度增高(FACE,free-air carbon dioxide enrichment)系统,以武香粳14为供试材料,CO2浓度设正常CO2(Ambient)和高CO2(FACE,Ambient+200μmol·mol-1)2个水平,施N量设低氮、中氮和高氮(150、250、350kg·ha-1)3个水平,测定各处理稻穗不同部位籽粒的灌浆进程,利用Richards方程拟合。【结果】(1)FACE处理明显提高了低氮水平实测最终米粒重,稻穗上、中、下部米粒增重分别为11.1%、10.9%和9.4%,全穗平均增重10.6%,而对中、高氮水平下粒重的影响较小;(2)FACE处理普遍提高了稻穗各部位籽粒灌浆的相对起始势;(3)FACE处理明显提高籽粒最大灌浆速率,低、中、高3种施氮条件下,全穗平均增幅分别为32.9%、36.9%和40.4%,稻穗上部籽粒增幅高于中、下部籽粒;同时明显提高了籽粒平均灌浆速率,低、中、高3种施氮条件下增幅分别为20.3%、25.8%和31.0%;(4)FACE处理总体上延迟了灌浆速率峰值出现的时间,最大灌浆速率时间的粒重增加,实灌时间缩短;从水稻籽粒灌浆阶段划分特征来看,FACE明显延长了灌浆前期持续时间,缩短了灌浆中期及后期持续时间。【结论】FACE处理提高了灌浆相对起始势、最大及平均灌浆速率,灌浆前期时间延长而灌浆中、后期时间缩短,总灌浆时间明显缩短,各粒位米粒重在低氮条件下明显增加而中、高氮条件下无明显变化。

开放式空气CO_2浓度增高条件下C_3作物(水稻)与C_4杂草(稗草)的竞争关系

通过田间试验 ,研究了FACE(开放式空气CO2 浓度升高 )条件下C3 作物水稻 (Oryzasativa)和C4杂草稗草 (Echinochloacrusgalli)的生长和竞争关系 .结果表明 ,FACE条件下C3 植物水稻生物量和产量增加 ,叶片数增加 ,分蘖数增加 ,叶面积系数 (LAI)增大 ;而C4植物稗草相反 .FACE条件下水稻和稗草叶面积均减少 ,而净同化率 (NAR)均增加 .FACE条件下水稻 稗草比例为 1∶1时 ,水稻与稗草的生物量比率、产量比率、LAI比率、茎蘖比率和NAR比率均增加 ,水稻 稗草的竞争关系发生变化 ,水稻 (C3 植物 )竞争能力增加 ,稗草 (C4植物 )竞争能力下降 .

开放式空气CO_2浓度增高对水稻茎蘖动态影响的模拟研究

为了明确开放式空气CO2浓度增高(FACE)对水稻茎蘖消长的影响,借助目前我国惟一的FACE技术平台,通过不同的N肥处理,对FACE条件下水稻茎蘖消长的动态进行了模拟研究并建立了相应的模型。该模型由茎蘖增长动态和茎蘖消亡动态两部分组成,以时间为驱动因子,描述了水稻茎蘖数随移栽后天数的动态变化过程,对常规及CO2浓度增加条件下水稻茎蘖的变化均有很好的拟合性。通过相关试验数据对模型的检验,结果表明模型的拟合程度高,具有很好的适用性。

水稻田稗草叶片光合作用对开放式空气CO_2浓度增高(FACE)的适应

于分蘖、拔节和抽穗 3个时期在空气CO2 浓度 (380 μmol·mol-1)下测定稻田中稗草叶片的净光合速率 (Pn) ,发现在开放式CO2 浓度增高 (FACE)条件下生长的稗草叶片后 2个时期的Pn显著低于普通空气中生长的对照 ,比对照下降约 2 0 % ,说明FACE条件下稗草叶片光合作用对高CO2 浓度发生了明显的适应 .同时 ,叶片的气孔导度 (Gs)和胞间CO2 浓度 (Ci)的下降更为明显 .与对照相比 ,叶片可溶性蛋白含量明显降低 ,拔节期只有对照的 6 2 .4 % ;高CO2 浓度下生长的稗草叶片Rubisco含量也降低 ,分蘖期和拔节期分别为对照的 87%和 84 % ,但其差异未达到显著水平 .可以认为 ,长期生长在高CO2 浓度下的C4植物稗草叶片光合作用的适应是叶片气孔部分关闭和可溶性蛋白含量下降的结果 .

开放式空气CO_2浓度增高对水稻磷吸收利用的影响

在大田栽培条件下,研究自由空气中CO2浓度增高(FACE)200μL·L-1时对水稻磷吸收利用的影响。结果表明:FACE处理后,水稻不同生育时期植株的含磷率(除移栽后28d外)和磷累积量显著提高;增加施氮量,抽穗期磷累积量显著提高。FACE处理后,磷干物质生产效率、磷籽粒生产效率略有下降,磷收获指数显著下降;施氮量对FACE处理与对照植株含磷率、磷干物质生产效率、磷籽粒生产效率、磷收获指数无显著影响。

开放式空气CO_2浓度增高对水稻冠层能量平衡的影响

大气CO2 浓度升高对植物冠层能量平衡的影响是导致植物生长发育和水分利用率发生变化的环境物理原因 .利用位于江苏省无锡市安镇的农田自由开放式空气CO2 浓度增高 (FACE)系统平台 ,进行水稻冠层微气候和土壤热通量的连续观测 ,并结合能量平衡分析 ,研究了FACE对水稻冠层能量平衡的影响 .结果表明 ,水稻冠层显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值出现在 14∶0 0左右 ,与空气相对湿度日最低值出现时间一致 ;潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在 - 15～ - 65J·m-2 ·s-1之间 ,显热通量FACE与对照的差异最低值变化在 12～ 5 5J·m-2 ·s-1之间 ;显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值随冠层上方辐射平衡增加而增大 .水稻冠层白天总显热通量FACE均高于对照 ,而总潜热通量FACE均低于对照 .白天总显热和潜热通量FACE与对照的差异在同一生育期内随冠层上方净辐射增强而增大 ,在不同生育期随生育期推进而减少 .开花期至蜡熟期 ,水稻冠层白天总潜热通量FACE比对照平均低 6.7% .FACE使水稻冠层白天总显热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例减少 ,而使总潜热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例增大 ,但对土壤热通量及夜间显热和潜热通量的影响不大 .开花期至蜡熟期水稻冠层白天总显热。

冬小麦光合作用对开放式空气CO_2浓度增高(FACE)的非气孔适应

在同样CO2 浓度下测定时 ,开放式空气CO2 浓度增高 (FACE ,5 80 μmolCO2 /mol)条件下生长的冬小麦叶片的净光合速率、气孔导度和羧化效率都显著低于普通空气 ( 3 80 μmolCO2 /mol)中生长的对照叶片。与此相一致 ,FACE叶片的可溶性蛋白、二磷酸核酮糖羧化酶 /加氧酶 (Rubisco)和Rubisco活化酶含量也都显著低于对照叶片。这些结果表明 ,在根系生长不受限制的田间条件下 ,冬小麦叶片的光合作用对高浓度CO2 产生了适应现象 ,其主要原因可能是碳同化的关键酶Rubisco等含量的降低。

水稻磷素对开放式空气CO_2浓度增高响应的研究

2001～2003年利用农田开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,研究FACE对武香粳14号不同生育时期磷素含量、吸收、分配及其效率的影响。结果表明:1FACE处理使水稻不同生育时期植株磷素含量增加,增幅为2.48%～18.84%;2FACE处理使水稻不同生育时期磷素积累量显著或极显著增加,增幅为28.74%～59.11%,生育前期的增幅明显大于生育中、后期;3FACE处理对水稻抽穗前磷素在叶片、茎鞘中的分配比例无显著影响,但使抽穗后磷素在稻穗中的分配比例明显减少,在叶片和茎鞘中的分配比例明显增加;4FACE处理使水稻不同生育时期磷素物质生产效率增加,增幅为2.53%～16.58%;5FACE处理使水稻磷素籽粒生产效率和收获指数下降,降幅分别为6.53%～15.51%和1.48%～9.04%。

开放式空气CO_2浓度增高对土壤线虫影响的研究现状与展望

大气CO2 浓度增高会对生态系统产生一系列的影响 ,这些影响在某种程度上受到土壤动物区系的调节 .本文通过论述大气CO2 浓度增高对不同类型土壤中和不同生态系统中土壤线虫产生的影响 ,阐明了用土壤线虫作为指示生物来研究生态系统变化的意义 .并提出了今后针对大气CO2 浓度增高这一现象应着重围绕土壤线虫及土壤动物区系优先开展的几方面研究 ,从而更好地指示整个生态系统的变化情况 ,为有效地管理农田生态系统提供依据 .