稻麦轮作FACE系统平台Ⅰ.系统结构与控制

在稻麦轮作水稻田建立FACE系统 (Free AirCO2 Enrichment) ,即CO2 浓度的控制和监测系统平台 .利用计算机网络系统对平台的CO2 浓度进行监测控制 ,根据大气中的CO2 浓度、风向、风速 ,作物冠层高度的CO2 浓度及昼夜等因素的变化调节CO2 气体的释放速度及方向 ,实现FACE圈的CO2 浓度高于周围大气CO2 浓度 2 0 0 μmol·mol-1.试验表明 ,影响控制精度的主要因素有风速、作物和土壤呼吸作用和扩散层高度 .经过控制方程参数调整 ,在白天 ,控制精度达到 80 %的时间占总时间的白天达到 83% ,夜晚为6 8% .FACE圈内的CO2 分布基本均匀 .平均CO2 设置浓度白天为 5 5 7mol·mol-1,晚上为 6 0 8mol·mol-1.圈内CO2 浓度分布基本上沿放气管对称分布 ,由边沿向中心逐步降低 .2 0 0 1年水稻生长季节平均控制精度 (TAR)达到白天 1.0 3和晚间 1.0 9.

稻麦轮作FACE系统平台Ⅱ.系统控制和数据分析软件

稻麦轮作水稻田建立开放式空气CO2 增加即FACE系统 (FreeAirCO2Enrichment)的管理、系统所测定及系统控制过程中每天都产生大量数据 .用汇编语言和VisualBASIC语言编写的FACE数据采集控制和分析处理软件包能够自动操作任务并利用OLE技术开发Office应用程序的功能 ,具有系统平台控制、数据采集、原始数据存储备份、日数据处理、月数据处理和任意时间段的FACE系统控制状态分析等功能 ,FACE系统控制人员可以及时了解FACE系统的控制状态和改善控制精度 ,研究人员借助软件包可以随时便利地获取所需数据 .

二氧化碳浓度增高对作物影响研究方法(FACE)的问题与讨论

综述了全球范围内CO2浓度增高对作物影响的主要研究方法,讨论了开放式CO2富集系统(Free-airCO2Enrichment,FACE)的原理结构特点、先进性和不足。文章认为,FACE系统是当前研究CO2肥效作用最接近自然状况的模拟系统,对研究作物生理生态、品质与环境关系等问题具有重要的适用性和先进性。但该系统也存在着CO2浓度与自然变幅不吻合、与温度等环境因子不匹配等人为调控的局限性。作者结合近年来对FACE系统和半开放式梯度实验系统(CO2-Temperature Gradient Chambers,CTGC)的使用和调试,对2个系统做了比较。建议FACE系统与CTGC系统配合使用,更利于解决模拟环境真实性,提高实验精度;在FACE系统中,建议把CO2的目标浓度改为幅度值以解决与自然变幅相符合的问题。在研究对象方面,建议开展作物世代研究和环境综合研究,以求精确阐明CO2浓度增高对作物影响机理与影响程度,为准确判断气候变化背景下粮食生产和粮食安全提供科学依据。

CO_2浓度升高与水分互作对冬小麦生长发育的影响

利用开放式大气CO2浓度富集系统(FACE)试验平台,研究了CO2肥效作用与水分条件互作关系,以期明确水分条件对CO2肥效的影响。试验设高CO2浓度(550μmol·mol-1)和正常大气CO2浓度(400μmol·mol-1)、高水分条件(75%田间持水量)和低水分条件(55%田间持水量)的交互处理,观测冬小麦叶片光合参数、蒸腾作用、干物质积累以及产量构成的变化。结果表明,CO2浓度升高显著降低了冬小麦气孔导度和蒸腾速率,但同时又提高了叶片净光合速率、水分利用效率和植株生物学产量,对冬小麦的生长发育和产量形成具有明显的促进作用。在低水分条件下,高浓度CO2对气孔导度和蒸腾速率降幅高于高水分条件处理,对净光合速率、水分利用效率、干物质积累以及植株产量的提高幅度也强于高水分条件处理。研究结果表明CO2浓度升高可能在一定程度上缓解水分不足对冬小麦的胁迫程度,CO2肥效作用在低水分条件下表现更明显。

CO_2浓度增高对水稻籽粒淀粉代谢相关酶活性的影响

以高产优质粳稻松粳9号和稻花香2号为材料,利用开放式空气CO_2浓度富集系统(FACE)实验平台,研究CO_2浓度增高对水稻籽粒淀粉代谢相关酶活性的影响。试验设正常大气CO_2浓度(400±40μmol·mol^(-1))和高CO_2浓度(600±60μmol·mol^(-1)),测定开花后两个水稻品种籽粒中ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶活性的变化。结果表明,CO_2浓度增高对不同灌浆进程中酶活性的影响程度有显著差异,对乳熟期之后ADPG焦磷酸化酶、可溶性和颗粒型淀粉合成酶活性的表达均有较明显的促进作用,仅阻碍了乳熟期籽粒中淀粉分支酶活性的表达;淀粉代谢相关酶活性对CO_2浓度增高的响应因品种而异,松粳9号籽粒中ADPG焦磷酸化酶活性受CO_2浓度增高的影响较大,而稻花香2号淀粉合成酶活性受其影响更大。说明随着灌浆进程的推进,CO_2浓度增高对淀粉生物合成途径中关键酶活性表达的影响程度存在明显的时段特征,且不同品种的响应程度有显著差异,总体来看,CO_2浓度增高可在一定程度上促进淀粉代谢相关酶活性的表达。

[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。

CO2浓度升高与硝化抑制剂对冬小麦田间N2O排放量的影响

以冬小麦中麦175为供试品种,利用农田开放式CO_2浓度增高(FACE)系统,研究未来大气高CO_2浓度对冬小麦田间N_2O排放的影响,以及施用硝化抑制剂(2-氯-6-三氯甲基吡啶)是否可以起到抑制冬小麦田间N_2O的排放量升高的潜能。试验结果表明:CO_2浓度升高显著提高冬小麦田间N2O的排放增幅达到67.6%,追肥灌溉后小麦田N_2O排放量较大,随着冬小麦生育进程的推进N_2O的排放量逐渐减少,硝化抑制剂对中麦175田间N_2O排放量的影响并不明显。因此,在未来高CO_2浓度环境条件下,可以通过采取相应的耕作制度和栽培技术措施等来降低冬小麦田N_2O的排放量。试验结果对冬小麦田间是否选择施用2-氯-6-三氯甲基吡啶来控制N_2O的排放起到一定的参考作用。

FACE条件下CO_2浓度和温度增高对北方水稻光合作用与产量的影响研究

大气中二氧化碳(CO2)浓度已由工业革命前的280μmol/mol增加到目前的400μmol/mol,并且仍将持续增加。作为光合作用的主要底物,CO2浓度增高对作物光合生理和产量形成将产生深刻的影响。利用开放式CO2浓度富集(FACE)系统,以北方水稻松粳9号和稻花香2号为供试材料,设置高CO2浓度(600μmol/mol)和正常大气CO2浓度(400μmol/mol),同时进行覆膜增温处理,研究CO2浓度与温度增高对水稻光合作用与产量的影响。结果表明,无论覆膜与否,大气CO2浓度增高均提高了水稻的叶片净光合速率、水分利用效率、地上部生物质量和产量,降低了气孔导度和蒸腾速率。覆膜处理增强了净光合速率、地上部生物质量和产量增高的趋势,同时减缓了气孔导度和蒸腾速率在高浓度CO2下降低的趋势。研究说明,覆膜处理下的增温会提高高CO2浓度下水稻的光合作用效率,促进增产潜力,增强水稻在高CO2浓度环境下的适应能力。