水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO_(2)浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO_(2)的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,未来大气CO_(2)浓度升高情景下(elevatedCO_(2),eCO_(2)),水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。依托中国FACE(FreeAir CO_(2) Enrichment)水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)和高通量测序技术,研究未来大气CO_(2)浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。结果表明:与常规大气CO_(2)浓度(ambient CO_(2),aCO_(2))相比,eCO_(2)条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1)增加至302 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1),增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1倍~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO_(2)升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%~11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。综上所述:未来大气CO_(2)升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。

大气CO_(2)浓度升高背景下优化施氮对淹水稻田CH4排放的影响

为探讨未来气候变化条件下,合理管理氮肥以充分协调水稻产量与温室气体排放量之间的矛盾,实现低碳排放并保持水稻产量,本研究探讨了大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)与氮肥减施40%对淹水稻田水稻生产及CH4排放的影响及机理。利用开顶式气室(OTC)组成的CO_(2)浓度自动调控平台设置4个处理,即环境CO_(2)浓度+施氮250 kg·hm^(-2)(CK)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮250 kg·hm^(-2)(C+)、环境CO_(2)浓度+施氮150 kg·hm^(-2)(N-)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮150 kg·hm^(-2)(C+N-),分析了稻田CH4累积排放量(CAC)、水稻生物量及产量、土壤理化性质及酶活性等指标。结果表明:与CK处理相比,C+处理使CAC/产量显著提高了16.93%,N-处理使CAC/产量显著降低了13.33%,C+N-处理使CAC/产量降低了7.89%,但不显著;N-处理在一定程度上削弱了C+处理对CAC、CAC/产量、水稻生物量、土壤可溶性有机碳含量的促进作用;逐步回归分析表明,基于可溶性有机碳和硝态氮含量及土壤脲酶活性的线性模型,可解释稻田CH4累积排放64%的变异。综上,在大气CO_(2)浓度升高条件下,氮肥减施可通过影响土壤碳、氮基质及土壤脲酶活性来调节稻田CH4排放。

模拟CO_(2)浓度和温度升高对宁夏枸杞果实品质形成的影响

【目的】探究CO_(2)浓度和温度升高对3个宁夏枸杞品种形态特征和营养组分积累的影响,为未来气候变化背景下培育高抗性优良枸杞品种以及经济林应对气候变化的适应性管理提供依据。【方法】采用开顶气室(OTC)模拟控制系统,对3个宁夏枸杞品种(‘宁杞1号’、‘宁杞7号’、‘宁杞10号’)分别进行CO_(2)浓度(e CO_(2))和温度(e T)升高处理。在果实发育的幼果期(YF,处理60天)、青果期(GF,处理70天)、转色期(CF,处理80天)和红果期(RF,处理90天)采集果实,测定其形态特征和营养组分含量。【结果】1)形态特征分析表明,在CO_(2)浓度升高处理下,‘宁杞1号’果实转色期纵、横径及红果期横径和单果质量显著增加,‘宁杞7号’青果期纵径和转色期横径显著增加,‘宁杞10号’幼果期横径和转色期单果质量显著增加。在温度升高处理下,‘宁杞1号’果实转色期和红果期纵径以及红果期单果质量显著增加,‘宁杞7号’青果期和转色期纵径、转色期和红果期横径和单果质量也显著增加,‘宁杞10号’单果质量显著增加(P<0.05)。2)营养组分分析表明,CO_(2)浓度升高处理显著增加‘宁杞1号’果实4个发育阶段的半乳糖、蔗糖、甜菜碱和黄酮含量,‘宁杞7号’果实红果期果糖、总糖、蔗糖、多糖、类胡萝卜素及甜菜碱含量显著增加,‘宁杞10号’果实红果期半乳糖、果糖、葡萄糖、多糖含量显著增加(P<0.05)。温度升高处理显著增加‘宁杞1号’红果期半乳糖、果糖、总糖、多糖、甜菜碱及黄酮含量,‘宁杞7号’4个发育阶段半乳糖、葡萄糖、蔗糖及红果期果糖、总糖、多糖、类胡萝卜素及甜菜碱含量显著增加,‘宁杞10号’4个发育阶段蔗糖、类胡萝卜素和黄酮含量及红果期半乳糖、总糖、甜菜碱含量显著增加(P<0.05)。【结论】CO_(2)浓度和温度升高对宁夏枸杞果实形态发育和营养组分积累均产生影响。‘宁杞10号’表现出更强的适应性,该品种在发育期,果实大小、单果质量和百粒质量增长最大,果实半乳糖、果糖、总糖、多糖、类胡萝卜素、甜菜碱含量增加显著。

大气CO_(2)浓度升高背景下冬小麦冠层光谱特征和地上生物量估算

本研究旨在探究大气CO_(2)浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响,并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此,在2021—2022年的冬小麦生长季,利用开放式CO_(2)富集系统(Mini-FACE),设定大气CO_(2)浓度(ACO_(2),(420±20)μL L^(–1))和高CO_(2)浓度(ECO_(2),(550±20)μL L^(–1))两个处理水平,分析了高CO_(2)浓度下光谱特征变化,基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明:CO_(2)浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加,在开花期和灌浆期降低,蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动;AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域,CO_(2)浓度升高缩小了AGB敏感波段范围,但不影响AGB的估算;AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R^(2)>0.8),其中SMLR模型中的R_(799′)、D_(y)、SD_(y)和PRI等特征参数与AGB显著相关,R^(2)为0.866。PLSR模型(R^(2)>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO_(2)浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。

大气CO_(2)浓度升高和温升对水稻纹枯病侵染后的相关蛋白和防御酶的影响

纹枯病(sheath blight)作为一种土传病害,其发生和发展严重威胁到水稻(Oryza sativa L.)的生产。目前,大气CO_(2)浓度([CO_(2)])和温度升高如何影响感病植株内病程相关蛋白(pathogenesis related proteins,PR蛋白)和防御酶尚不清楚。本研究以纹枯病易感品种(Lemont)和抗性品种(YSBR1)为实验材料,利用田间开放式自由大气[CO_(2)]和温度升高(T-FACE)平台设置四个处理:对照、[CO_(2)]升高([CO_(2)]升高至590μmol·mol^(-1))、温升(冠层温度升高2℃)及[CO_(2)]升高和温升交互,通过人工接种Rhizoctonia.solani,探究不同抗性品种叶片和茎鞘PR蛋白与防御酶活性,以及土壤基本理化性状的响应。研究结果表明:高[CO_(2)]和温升下耕作土制成的土壤浸提液培养基中R.solani生长速率无显著差异,接种R.solani后病斑发展速率与土壤基本理化性状无关。水稻植株感病后,两个品种叶片和茎鞘中PR蛋白和相关防御酶表现出明显差异,且在高[CO_(2)]和温升条件下,该差异进一步增大。对于茎鞘中的PR蛋白和防御酶,高[CO_(2)]和温升交互处理明显增加Lemont和YSBR1茎鞘中过氧化氢酶(CAT)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、β-1,3-葡聚糖酶(GLU)和超氧化物歧化酶(SOD)活性。对于两个水稻品种,当R.solani入侵后,在各处理下,YSBR1叶片中PR蛋白和相关防御酶以及茎鞘中SOD和CAT活性均显著高于Lemont,且YSBR1病斑发展速率显著低于Lemont。在整个发病过程中,温升处理及其与高[CO_(2)]互作处理均显著增加易感品种Lemont的病斑发展速率(增加了21%~45%),而对抗性品种YSBR1的病斑发展速率无显著影响。相关性分析结果表明,各处理下Lemont和YSBR1植株纹枯病病斑的发展速率均与其茎鞘中GLU活性存在显著正相关。因而,在R.solani侵染后,抗病品种中较高的PR蛋白和防御酶活性形成的防卫反应,能够有效减轻未来高[CO_(2)]和温升条件对纹枯病病斑发展速度的影响。研究结果对选育纹枯病抗性品种来适应未来气候变化背景下的水稻生产提供重要的借鉴意义。

作物-内生微生物响应CO_(2)浓度升高与干旱胁迫的作用机制研究进展

全球变暖、二氧化碳(CO_(2))浓度升高和局部地区干旱加剧等环境变化对作物生长发育及产量造成的影响日趋明显。内生微生物是一类与宿主植物形成互利共生机制的微生物,由于其长期生活在植物体的特殊环境中,对作物的生长发育和抗逆性具有重要作用,两者的共生关系会直接影响作物对环境变化的响应。本文主要综述作物-内生微生物共生系统及其在CO_(2)和干旱胁迫下对作物生理过程的调控,探讨了作物内生微生物群落的多样性以及促生效果、抑菌作用、抗逆能力,并重点关注了作物-内生微生物系统如何提高环境的耐受特性。具体而言,内生微生物可以通过提高宿主的气孔调节能力、增加根系吸收水分和养分的能力等方式,帮助作物适应CO_(2)浓度升高和干旱胁迫,从而减小环境变化对作物生长的负面影响,提高作物产量。此外,内生微生物还可以激活宿主的防御系统,提高其对病原体的抵抗能力,从而减轻病害对作物的影响。未来的研究应关注作物-内生微生物共生系统在不断升高的CO_(2)浓度和干旱复合胁迫下的响应机制,以提高作物对极端环境变化的抗性,为作物抗逆性育种提供新的思路和策略。

CO_(2)浓度升高对宁夏枸杞不同器官中生物活性物质含量的影响

以两年生‘宁杞1号’‘宁杞7号’‘宁杞10号’扦插苗木为试验材料,探究大气CO_(2)浓度升高对宁夏枸杞根、茎、叶、果中生物活性成分的影响,为气候变化背景下经济林品质形成及适应性栽培提供理论依据。结果表明:(1)大气CO_(2)浓度升高处理下,‘宁杞1号’各器官总糖含量显著降低,枸杞多糖含量显著增加,秋果中总糖同比下降11.58%为229.75 mg·g-1,根中枸杞多糖较对照提高46.8 mg·g-1。(2)‘宁杞7号’与‘宁杞10号’根中各糖组分均显著下降,秋果中还原糖与总糖均显著升高,二者秋果中总糖分别升高43.72%、39.36%,达到260.76、297.65 mg·g-1。(3)‘宁杞7号’茎和叶中类胡萝卜素含量显著下降,秋果中枸杞多糖含量显著上升24.66%,为28.72 mg·g-1;‘宁杞10号’叶中枸杞多糖和类胡萝卜素含量显著降低18.88%、15.72%,根和秋果中与之相反,根系中分别提高48.81%和34.12%,秋果中分别显著增加8.00%、14.80%。研究发现,大气CO_(2)浓度升高对不同宁夏枸杞品种不同器官中生物活性成分的影响不同,大气CO_(2)浓度升高抑制‘宁杞1号’糖分的积累,促进其枸杞多糖的合成,也促进‘宁杞7号’秋果中生物活性物质的积累,提高‘宁杞10号’秋果的糖含量,‘宁杞10号’受大气CO_(2)浓度升高的负面影响较小,‘宁杞7号’次之,在气候变化背景下可根据收获利用的目标器官筛选不同宁夏枸杞品种,进行定向培育与生产,从而促进枸杞产品开发及产业发展。

CO_(2)浓度升高对农田生态系统水分利用效率的影响效应——基于气候箱控制性试验的Meta分析

选取1985—2020年21篇与气候箱控制性试验有关的文献,利用Meta分析法研究CO_(2)浓度升高对农田生态系统水分利用效率(WUE)的影响。结果显示,在气候箱的控制下CO_(2)浓度升高对水分利用效率有正面影响,增加的比例为20%,对碳积累和蒸散发分别有正面和负面的效应,影响的效应分别为34%和-4%,但都存在显著的异质性(P<0.05)。研究还发现,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应与对碳积累的影响效应有显著的正相关关系(P<0.05),而与对蒸散发的影响效应没有显著的相关关系(P>0.05)。异质性分析结果显示,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应在不同物种间具有显著的差异,其中对大豆和番茄的影响效应显著高于对小麦的影响效应(P<0.05)。此外,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应与光照强度、温度和土壤相对含水量都有显著的相关关系(P<0.05),其中与光照强度有负相关关系,与温度和土壤含水量有正相关关系;而与CO_(2)富集程度没有显著的相关关系。

室内CO_(2)浓度垂直分布状况及其增速延迟方法研究

本文通过实测实验方法,研究了密闭空间中CO_(2)扩散浓度的分布规律。测试分别选择办公室、教室、宿舍3种不同的密闭空间为对象,并在办公室内设计了一个简单的通风系统,以测试上送下回通风方式对CO_(2)浓度分布的影响。结果表明:人活动行为区域的CO_(2)浓度最高,当CO_(2)释放扩散后,在空间中的浓度呈现由高到低递减的变化;开启上送下回的内循环通风后,室内CO_(2)浓度上升的速率明显得到延迟。

不同CO_(2)浓度和氮肥水平对稻田呼吸速率的影响

为研究不同CO_(2)浓度和氮肥水平对稻田呼吸速率的影响,利用12个开顶式气室开展田间试验,CO_(2)浓度设置对照(CK,自由大气CO_(2)浓度)、CO_(2)浓度比CK增加120μmol·mol-1(C1)和200μmol·mol-1(C2)3个水平,氮肥设置低氮(N1,15 g·m^(-2))和常规氮肥(N2,25 g·m^(-2))2个水平,试验共6种处理。结果表明:在相同施氮水平下,在灌浆期和蜡熟期,C1N1比CKN1处理的呼吸速率分别下降了23.4%(P=0.045)和49.1%(P=0.010);在抽穗期和灌浆期,C2N2比CKN2处理的呼吸速率分别升高了12.3%(P=0.009)和16.8%(P=0.047)。同一CO_(2)浓度下,不同施氮水平处理的呼吸速率表现为N2>N1,且在拔节期和抽穗期达到显著水平,在灌浆期达到极显著水平;其中在灌浆期和蜡熟期,C1N1比C1N2处理的呼吸速率分别下降了31.1%(P=0.004)和42.7%(P=0.010)。研究表明,大气CO_(2)浓度升高对稻田呼吸速率的影响因生育时期而异,氮肥减施可以降低稻田呼吸速率及CO_(2)累积释放量。

大气CO_(2)浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田CH4排放的影响

为探究大气CO_(2)浓度缓增、骤增和不同施氮水平对稻田CH_(4)排放的影响,基于CO_(2)浓度自动调控平台开展水稻试验,以“南粳9108”为试验品种,采用静态箱-气相色谱法测定CH_(4)通量。在背景大气CO_(2)浓度(CK)的基础上,设置CO_(2)浓度缓增(C_(1)处理,从2016年开始逐年增加40μmol·mol^(-1),至2018年增加120μmol·mol^(-1))和骤增(C_(2)处理,CO_(2)浓度每年均增加200μmol·mol^(-1))处理;在常规施氮量(N 1处理,25 g·m^(-2))的基础上设置氮肥减施处理(N_(2)处理,15 g·m^(-2))。结果表明,CO_(2)浓度缓增、骤增和不同施氮量均没有改变稻田CH_(4)通量的季节变化规律,总体上呈现先增加后减小的趋势。在整个生育期,CO_(2)浓度缓增、骤增对稻田单位产量CH_(4)排放量无显著影响。在C_(2)条件下,与N 1处理相比,N_(2)处理水稻产量显著降低45.2%(P=0.037),同时稻田单位产量CH_(4)排放量显著增加63.3%(P=0.008)。综上所述,随着CO_(2)浓度升高,氮肥减施至15 g·m^(-2)会减少水稻产量,同时增加稻田单位产量CH_(4)排放。

CO_(2)浓度缓增对冬小麦田N_(2)O排放的影响

为研究CO_(2)浓度缓增对冬小麦田N_(2)O排放的影响,利用由开顶式气室(OTC)组成的CO_(2)浓度自动调控平台,扬麦22号为供试材料开展田间试验。将大气CO_(2)浓度作为对照(CK),设置CO_(2)浓度缓增处理C_(80)(CO_(2)浓度缓慢增加80μmol/mol)和C_(120)(CO_(2)浓度缓慢增加120μmol/mol)。结果表明,CO_(2)浓度缓增处理没有改变小麦田N_(2)O排放通量的季节性变化特征。在2017-2018年冬小麦生长季,CK、C_(80)处理土壤N_(2)O累积排放量分别为(25.49±3.33) mg/m^(2)、(26.83±3.21) mg/m^(2);2018-2019年冬小麦生长季,CK、C_(120)处理土壤N_(2)O累积排放量分别为(113.06±2.66) mg/m^(2)、(121.20±9.28) mg/m^(2)。在2017-2018年冬小麦生长季,CK、C_(80)处理土壤-冬小麦系统N_(2)O累积排放量分别为(25.99±1.39) mg/m^(2)、(29.83±4.20) mg/m^(2)。各生育期土壤N_(2)O累积排放量与冬小麦地上部分生物量呈极显著正相关(P<0.01),土壤-冬小麦系统N_(2)O累积排放量与冬小麦地上部分生物量呈极显著正相关(P<0.01)。

基于激光吸收光谱的CO/CO_(2)/H_(2)S浓度同步在线测量研究

CO、CO_(2)、H_(2)S是燃煤锅炉炉内气氛重要组成部分,其浓度不仅能够反映燃烧工况,还可作为水冷壁高温腐蚀程度判断依据,因此实现CO、CO_(2)、H_(2)S浓度的准确测量意义重大。首先采用波长调制-直接吸收(WM-DAS)方法结合约40 m长光程Herriott池,在室温低压下,开展不同CO/CO_(2)浓度配比下三种气体吸收率同步测量实验,结果表明三种气体的吸收率测量值与理论计算值相近,相对误差在6.82%以内,测量结果可靠性较高;然后对不同浓度CO/CO_(2)(0~2000μL·L^(-1))、H_(2)S(0~20μL·L^(-1))进行动态测量,结果表明,测量系统对三种组分浓度变化的响应具有较好的线性度。

大气CO_(2)浓度对萝卜生长及氮磷钾养分吸收的影响

【目的】探明CO_(2)浓度升高是否改变土壤养分状况进而影响萝卜生长及养分吸收,为大气CO_(2)浓度升高条件下萝卜合理施肥方式提供理论依据。【方法】以糖晶萝卜为试验材料,设置4个CO_(2)浓度水平:C_(0)(大气CO_(2)浓度)、C_(1)(C_(0)+33%C_(0))、C_(2)(C_(0)+67%C_(0))和C_(3)(C_(0)+100%C_(0)),研究不同CO_(2)浓度对萝卜生长、氮磷钾养分吸收及土壤养分的影响。【结果】与C_(0)相比,C_(1)、C_(2)和C_(3)处理萝卜地上生物量增加0.52%~34.68%,地下生物量增加63.00%~100.46%,总生物量增加37.83%~67.61%,CO_(2)浓度升高促进萝卜生长和干物质积累,且C_(2)处理最适宜;CO_(2)浓度升高降低萝卜地下氮磷和地上钾含量,但植株氮磷钾积累量分别增加39.77%~43.30%、2.08%~17.27%和38.38%~72.26%。土壤硝态氮、有效磷和速效钾在CO_(2)浓度升高条件下分别降低29.62%~34.20%、10.03%~14.12%和1.92%~16.62%。植株氮和钾积累量与植株干重呈显著正相关,与土壤硝态氮、有效磷和速效钾呈显著负相关。【结论】CO_(2)浓度升高通过增加脲酶和磷酸酶活性改善土壤肥力,促进植株氮磷钾养分吸收,进而提高萝卜产量。在大气CO_(2)浓度升高条件下,应合理增施氮肥、磷肥、钾肥,且氮肥施用量应大于磷肥和钾肥。

高CO_(2)浓度对草地贪夜蛾和斜纹夜蛾幼虫在小麦和人工饲料上种间竞争的影响

大气中CO_(2)浓度增加直接或间接影响昆虫的发生和为害,可能会影响入侵害虫的危害性及其与本地近缘种的互作关系。然而,CO_(2)浓度升高对入侵害虫草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda及其本地近缘种斜纹夜蛾Spodopteralitura种间竞争的影响尚不清楚。本研究模拟环境条件,设置了CO_(2)正常浓度(400μL/L)和倍增浓度(800μL/L),将草地贪夜蛾幼虫与斜纹夜蛾幼虫以25/5、20/10、15/15、10/20和5/25的比例混合,分别在寄主植物小麦和人工饲料上饲养,比较研究了CO_(2)浓度升高对其种间竞争关系的影响。结果表明:(1)在所有试验处理中,斜纹夜蛾幼虫的死亡率均会达100%,而且在高CO_(2)浓度环境下斜纹夜蛾幼虫全部死亡所需时间更短。而高CO_(2)浓度下,又以小麦为食的25/5和20/10混合比例中用时最短,仅需4.00 d;(2)各混合比例中,草地贪夜蛾幼虫的平均存活天数均显著高于斜纹夜蛾幼虫,其中在高CO_(2)浓度下以小麦为食时,各混合比例中草地贪夜蛾幼虫较斜纹夜蛾幼虫平均存活天数的差距最大,分别为5.99 d、6.96 d、6.22 d、6.15 d和5.21 d。而且高CO_(2)浓度下草地贪夜蛾幼虫与斜纹夜蛾幼虫的平均存活天数相对值均高于正常CO_(2)浓度对照组,其中在以小麦为食时,高CO_(2)浓度组的平均存活天数相对值分别达到正常CO_(2)浓度的1.08倍、1.22倍、1.26倍、1.31倍和1.13倍;(3)两种CO_(2)浓度下草地贪夜蛾幼虫的平均相对生长率均高于斜纹夜蛾幼虫,而且高CO_(2)浓度下草地贪夜蛾幼虫与斜纹夜蛾幼虫的平均相对生长率相对值高于对照,其中在以饲料为食时,在比例25/5、20/10、15/15中,分别达到正常CO_(2)浓度的168.03倍、3.38倍和2.91倍。由此说明,在两种CO_(2)浓度下,草地贪夜蛾幼虫与斜纹夜蛾幼虫在小麦和人工饲料上的种间竞争中,草地贪夜蛾幼虫均具有较强的竞争优势,尤其在高CO_(2)浓度下,更有利于其竞争力的发挥。研究结果为揭示未来CO_(2)浓度升高对入侵害虫草地贪夜蛾种群适应性的影响及其科学防控提供了基础数据。

大气CO_(2)浓度和气温升高对玉米灌浆期碳氮代谢的影响

为探讨C_(4)作物玉米对CO_(2)浓度升高、温度升高及其交互作用的响应,本研究以玉米品种‘先玉335’为材料,利用人工控制气室设置CK(CO_(2)浓度为400μmol·mol^(-1),环境温度)、EC(CO_(2)浓度为600μmol·mol^(-1),环境温度)、ET(CO_(2)浓度为400μmol·mol^(-1),气温为环境温度+2℃)、ECT(CO_(2)浓度为600μmol·mol^(-1),气温为环境温度+2℃)4个处理,测定玉米灌浆期叶片光合生理、糖代谢、氮代谢相关指标,并在成熟后测定玉米生物量。结果表明:1)CO_(2)浓度升高条件下,玉米叶片叶绿素含量、蔗糖含量、净光合速率及蔗糖合成酶、丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高(P<0.05),但谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),地上部生物量和穗重显著升高35.8%和170.2%(P<0.05)。2)气温升高条件下,叶片净光合速率、蔗糖合成酶和丙酮酸激酶活性显著升高(P<0.05),但α-酮戊二酸脱氢酶和谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),地上部生物量、叶重、茎重和穗重显著降低37.0%、28.7%、32.3%和62.2%(P<0.05)。3)CO_(2)浓度和气温均升高条件下,叶片净光合速率和丙酮酸激酶活性显著升高(P<0.05),但叶绿素含量、α-酮戊二酸脱氢酶和谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),叶重显著降低23.4%(P<0.05)。总之,CO_(2)浓度升高可通过促进玉米叶片光合速率,增加糖代谢相关酶活性和光合代谢产物等缓解温度升高对玉米生物量的负效应;CO_(2)浓度升高、气温升高以及二者互作下玉米氮代谢受到抑制,玉米叶片受到氮素胁迫,或对玉米品质产生不利影响。

水稻分蘖期干物质积累对大气CO_(2)浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制

【目的】探究不同类型水稻品种物质生产响应大气CO_(2)浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制。【方法】以产量和物质生产对CO_(2)浓度升高响应有明显差异的水稻品种两优培九(LY)和南粳9108(NJ)为材料,在人工气候室进行水培试验。分别设置对照CO_(2)浓度(A-CO_(2),400μmol·mol^(-1))和CO_(2)浓度升高(E-CO_(2),600μmol·mol^(-1))两个CO_(2)处理,高氮(HN,1.25 mmol·L^(-1) NH_(4)NO_(3))和低氮(LN,0.25 mmol·L^(-1) NH_(4)NO_(3))两个氮水平。分析CO_(2)浓度升高对不同水稻品种根系形态与生理活性、叶片和根系中细胞分裂素(CTKs)含量、氮素同化酶活性、叶片生理特性、光合参数以及干物质积累的影响差异。【结果】(1)E-CO_(2)显著增加了LY总冠根数、总根长(LN水平除外)、总根表面积和平均直径,提高其根系呼吸速率和维持较高的根系氧化力,而对NJ无显著影响或表现相反;(2)无论氮水平如何,E-CO_(2)显著提高了LY叶片和根系CTKs含量,但显著降低了HN水平下NJ根系中玉米素核苷(ZR)含量;(3)在LN水平下,E-CO_(2)显著提高了LY叶片GOGAT、GDH活性,显著降低了NJ叶片NR活性。在HN水平下,LY氮同化酶活性在E-CO_(2)条件下都表现为提高,NJ仅NR活性提高;(4)在LN水平下,E-CO_(2)使得LY和NJ净光合速率(P_(n))分别提高了28.0%和29.4%。在HN水平下,两品种分别提高了41.0%和28.1%。LY光合响应大幅度提高归因于叶片最大羧化效率(V_(c,max))、最大光合电子传递效率(J_(max))、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量、叶绿素含量、叶片氮含量等显著提高;(5)E-CO_(2)显著增加了不同氮水平下LY单株叶面积,对NJ无显著影响;(6)E-CO_(2)显著增加了LY各器官及总生物量,且HN水平增幅明显大于LN水平。E-CO_(2)并未显著影响不同氮水平下NJ的总生物量,显著降低了HN水平下NJ地下部生物量(-16.7%)。【结论】无论在HN还是LN水平下,LY物质生产和生理特征对E-CO_(2)的响应幅度与NJ相比更高。生育前期LY较优的根系形态性状和根系活力、较高的CTKs含量、较强的氮素同化能力、较大的绿叶面积以及光合响应能力是其干物质生产对E-CO_(2)响应幅度较高的重要原因。

CO_(2)浓度升高及增温下谷子土壤酶活性及其温度敏感性

研究作物重要生长阶段土壤酶活性及其温度敏感性对CO_(2)浓度升高及增温的响应,对于评价气候变化对作物生产的影响以及评估土壤生态系统的功能稳定性具有重要意义。利用人工气候室模拟不同水分(充分供水和轻度干旱)、CO_(2)浓度升高(由400μmol·mol^(-1)升高至700μmol·mol^(-1))和增温(由22℃升高至26℃)条件,以3个因素交互作用下盆栽谷子(Setaria italica)土壤为研究对象,分析了谷子灌浆期土壤中β-葡糖苷酶(βG)、β-N-乙酰葡糖苷酶(NAG)、纤维素酶(CBH)和β-木糖苷酶(βX)活性的温度敏感性。结果表明,对照(CK)在充分供水条件下土壤βG、NAG、CBH和βX的酶活性随着培养温度增加呈先升高后降低的趋势,在25℃时酶活性最高。在最适温度下(25℃),与CK相比,CO_(2)浓度升高使谷子灌浆期土壤βG酶活性显著降低,而对土壤NAG、CBH、βX酶活性的抑制作用较小;CO_(2)浓度升高和增温的交互作用在不同水分条件下表现不同,具体表现为轻度干旱条件下酶活性受到抑制,而充分供水时无显著差异。此外,CO_(2)浓度和温度显著影响谷子灌浆期土壤酶活性的温度敏感性(Q_(10))CO_(2)浓度升高使土壤胞外酶活性的Q_(10)显著增大,而增温使Q_(10)相对减小。在充分供水条件下,增温抵消了CO_(2)浓度升高对酶活性Q_(10)的影响,二者的交互作用对Q_(10)无显著影响。然而,在轻度干旱条件下,CO_(2)浓度升高和增温对Q_(10)影响显著,即CO_(2)浓度、温度及水分三者对Q_(10)的交互作用显著。同时,CO_(2)浓度与水分对Q_(10)有显著的交互作用,但与仅CO_(2)浓度升高以及3个因素交互作用的影响无明显差异。冗余分析显示,除CO_(2)浓度和温度外,Q_(10)还受到微生物量、土壤养分等环境因子的影响。本研究表明CO_(2)浓度、温度和水分以及三者之间的交互作用对土壤酶活性及其温度敏感性的影响复杂,特别是CO_(2)浓度升高抑制了土壤酶的温度敏感性,减弱了土壤碳氮循环相关酶的代谢功能及其稳定性,进而影响土壤生态系统的功能稳定性。

大气CO_(2)浓度和气温升高对藜麦生长及碳氮代谢的影响

为明确大气CO_(2)浓度升高和气温升高的交互作用对藜麦(Chenopodium quinoa Willd)生长及碳氮代谢的影响机制,在控制气室开展CO_(2)浓度和温度升高对藜麦的影响研究,设置对照CK(CO_(2)浓度和温度与室外相同)、EC(CO_(2)浓度为室外测定值+200μmol·mol-1,气温与室外测定值相同)、ET(CO_(2)浓度与室外测定值相同,气温为室外测定值+2℃)、ECT(CO_(2)浓度为室外测定值+200μmol·mol-1,气温为室外大气测定值+2℃)共4个处理,对藜麦灌浆期的光合作用、碳氮代谢以及成熟期的形态指标进行测定。结果表明,与对照相比,ET处理使藜麦的单株粒重降低75.73%,而EC处理使藜麦的地上部分生物量增加50.14%,单株粒重增加38.20%;ET处理使藜麦的水分利用效率下降,但EC、ECT处理均提高了藜麦叶片净光合速率和水分利用效率;ET处理使藜麦叶片光合色素含量显著降低,而EC处理使藜麦叶片的光合色素含量升高;在碳代谢中只有ET处理使可溶性糖含量显著降低48.78%,EC和ECT处理使蔗糖含量显著升高;ET和ECT处理均使蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性显著下降,而EC处理使蔗糖合成酶活性显著升高了73.27%,蔗糖磷酸合成酶活性则显著下降;EC和ECT处理均使藜麦丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高;ET处理使琥珀酸脱氢酶活性下降,ECT处理则使琥珀酸脱氢酶活性升高;在氮代谢中,EC、ET、ECT处理均使谷氨酸合成酶活性降低,使硝酸还原酶活性升高,其中ECT处理最高。综上,CO_(2)浓度升高可以缓解气温升高对藜麦生物量和产量的抑制,并促进碳代谢,有利于氮素同化。本研究结果将有助于了解气候变化对藜麦生长和生理生化的影响,为未来气候变化背景下藜麦栽培提供技术参考。

有刺枸骨和无刺枸骨在不同CO_(2)浓度下的光合能力分析

为研究有刺枸骨和无刺枸骨对不同二氧化碳(CO_(2))浓度的响应能力,本研究以有刺枸骨和无刺枸骨为材料,研究其净光合速率、胞间CO_(2)浓度、气孔导度、蒸腾速率和叶片饱和蒸气压亏缺随CO_(2)浓度变化的情况。结果表明,在相同的CO_(2)浓度下,无刺枸骨的净光合速率始终比有刺枸骨的大,即无刺枸骨的光合能力强于有刺枸骨。无刺枸骨和有刺枸骨的气孔导度、蒸腾速率和叶片饱和蒸气压亏缺随CO_(2)浓度升高而降低,说明无刺枸骨的净光合速率较高并不主要由气孔因素的差异引起。随着CO_(2)浓度的升高,胞间CO_(2)浓度与净光合速率呈现正相关,并且无刺枸骨的CO_(2)饱和点较有刺枸骨高,而CO_(2)补偿点较有刺枸骨低,说明无刺枸骨的CO_(2)同化能力强于有刺枸骨。因而,无刺枸骨高净光合速率可能是因为CO_(2)同化能力高。