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。

Effect of free-air CO_2 enrichment on nematode communities in a Chinese farmland ecosystem

At a rice wheat rotational free air CO 2 enrichment(FACE) platform, the effect of elevated atmospheric CO 2 on soil nematode communities in a farmland ecosystem was studied. Wheat plots were exposed to elevated atmospheric CO 2(ambient 370 μl/L + 200 μl/L). 32 families and 40 genera of nematode were observed in soil suspensions during the study period. Under FACE treatment, the numbers of total nematodes, bacterivores and fungivores exhibited an increasing trend. Because of the seasonal variation of soil temperature and moisture, the effect of elevated atmospheric CO 2 on soil nematodes was only observed under favorable conditions. The response of nematode communities to elevated atmospheric CO 2 may indicate the change of soil food web.

Effects of free-air CO_2 enrichment on adventitious root development of rice under low and normal soil nitrogen levels

Free air CO2 enrichment(FACE) and nitrogen(N) have marked effects on rice root growth,and numerical simulation can explain these effects. To further define the effects of FACE on root growth of rice, an experiment was performed, using the hybrid indica cultivar Xianyou63. The effects of increasing atmospheric CO2 concentration [CO2], 200 μmol mol-1higher than ambient, on the growth of rice adventitious roots were evaluated, with two levels of N: low(LN, 125 kg ha-1) and normal(NN, 250 kg ha-1). The results showed a significant increase in both adventitious root number(ARN) and adventitious root length(ARL) under FACE treatment. The application of nitrogen also increased ARN and ARL, but these increases were smaller than that under FACE treatment. On the basis of the FACE experiment, numerical models for rice adventitious root number and length were constructed with time as the driving factor. The models illustrated the dynamic development of rice adventitious root number and length after transplanting, regulated either by atmospheric [CO2] or by N application.The simulation result was supported by statistical tests comparing experimental data from different years, and the model yields realistic predictions of root growth. These results suggest that the models have strong predictive potential under conditions of atmospheric [CO2] rises in the future.

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.

Effects of CO_2 enrichment and spikelet removal on rice quality under open-air field conditions

The increase of atmospheric carbon dioxide（CO_2） concentration adversely affect several quality traits of rice grains, but the biochemical mechanism remains unclear. The objectives of this study were to determine how changes in the source-sink relationship affected rice quality. Source-sink manipulation was achieved by free-air CO_2 enrichment from tillering to maturity and partial removal of spikelet at anthesis using a japonica rice cultivar Wuyunjing 23. Enrichment with CO_2 decreased the head rice percentage and protein concentration of milled rice, but increased the grain chalkiness. In contrast, spikelet removal resulted in a dramatic increase in the head rice percentage and protein concentration, and much less grain chalkiness. Neither CO_2 enrichment nor spikelet removal affected the starch content, but the distribution of starch granule size showed distinct treatment effects. O n average, spikelet removal decreased the percentage of starch granules of diameter 〉10 and 5–10 μm by 23.6 and 5.6%, respectively, and increased those with a diameter of 2–5 and 〈2 μm by 4.6 and 3.3%, respectively. In contrast, CO_2 elevation showed an opposite response： increasing the proportion of large starch granules（〉5 μm） and decreasing that of 〈5 μm. The starch pasting properties were affected by spikelet removal much more than by CO_2 elevation. These results indicated that the protein concentration and starch granule size played a role in chalkiness formation under these experimental conditions.

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。

开放式空气中CO_2浓度增高(FACE)对常规粳稻蛋白质和氨基酸含量的影响

为了明确未来大气CO2浓度升高对水稻蛋白质营养品质的影响,2009年利用稻田开放式空气CO2浓度增高(FACE,FreeAirCO2 Enrichment)系统,以武运粳21、扬辐粳8号和武粳15为供试品种,研究大田生长期CO2浓度升高200μmol.mol-1对常规粳稻蛋白质营养品质的影响。结果表明:大气CO2浓度增加使所有供试品种精米蛋白质含量平均下降5.6%,使氨基酸、必需和非必需氨基酸总量平均分别下降7.6%、6.7%和7.9%,均达极显著水平。大气CO2浓度增加使供试品种精米必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著增加,使非必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著下降,但对精米中必需和非必需氨基酸的相对含量无显著影响。从氨基酸组分看,大气CO2浓度增加使供试品种精米中7种必需氨基酸和8种非必需氨基酸的含量均显著或极显著下降。CO2处理与品种对精米蛋白质含量、氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量以及部分氨基酸组分有一定的互作效应,武运粳21上述参数对高浓度CO2的响应大于扬辐粳8号或武粳15对应参数的响应。以上结果说明本世纪中叶大气中的CO2浓度将使粳稻蛋白质营养品质下降,不同品种下降幅度存在一定差异。

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。

植物对开放式CO_2浓度增高(FACE)的响应与适应研究进展

开放式CO2 浓度增高 (FACE)系统是近年研究植物对高CO2 浓度响应和适应的新手段 ,它比以往密闭和半密闭系统对实验植物生长环境的干扰少。利用FACE系统进行研究更有助于正确地预测未来大气CO2 浓度增高对植物的影响。该文结合作者的研究工作简要评介了FACE系统与以往密闭和半密闭式CO2 浓度增高实验系统的不同之处以及近年来利用FACE系统所作的最新研究进展。

大气CO_2浓度升高对水稻和稗草根系生长的影响

在两种N水平下(低N 10 mg.L-1和常N 30 mg.L-1),采用水培方法比较了分蘖盛期C3植物水稻(O ryzasativa)和C4植物稗草(Echinochloa crusgalli)在CO2浓度升高(550μmol.mol-1)和CO2浓度未升高(350μmol.mol-1)条件下的根系生长变化。结果表明,常N水平下高浓度CO2显著增加水稻和稗草的根干重、根体积、根总长和根直径,水稻对CO2浓度升高的响应强于稗草;低N胁迫时,高浓度CO2显著增加稗草的根干重、根体积和根总长,而对水稻生长无明显促进作用。在两种N水平下,高浓度CO2均显著降低水稻和稗草根系N含量,而C含量上升不明显,导致C/N比值显著增加。高浓度CO2显著降低水稻和稗草单位根重根毛数,这可能是CO2浓度升高条件下根系活力显著降低的形态学原因之一。

大气CO_2浓度升高对水稻伤流液中矿质元素的影响

利用中国的稻/麦轮作FACE平台技术,用伤流液的方法研究了在低氮和常氮两种水平下,大气CO2浓度升高对水稻在分蘖期、抽穗期和乳熟期的伤流量及其伤流液中矿质元素的影响,并阐述在FACE条件下,植物对矿质元素吸收的差异。结果表明,在分蘖期和乳熟期,FACE和N肥处理对伤流量没有显著性的影响;在抽穗期,FACE处理明显高于对照。FACE处理降低了伤流液中Ca、Mg、Si的浓度,但却增加了P的浓度,对K、Mn、Zn没有显著性的影响。在抽穗期,FACE处理显著增加了Ca、Mg、P、K和Mn在单位时间段内的吸收量;在分蘖期和乳熟期,FACE处理对Ca、Mg和Si的吸收量却有降低的趋势。

大气CO_2浓度升高对粳稻稻米物性及食味品质的影响

在2009和2010年利用独特的稻/麦轮作系统FACE(Free Air CO2 Enrichment,开放式空气CO2浓度增高)平台,以武运粳21、扬辐粳8号、武香粳14和武粳15为供试材料,研究了高浓度CO(2比大气背景CO2浓度高200 μmol·mol-1)对粳稻蒸煮米的硬度、粘性、香气、光泽、完整性、味道和口感等的影响。物性分析仪测定结果表明,高浓度CO2环境下粳稻熟米的硬度和粘性总体呈增加趋势,其中扬辐粳8号两指标的增幅均达显著水平。食味计测定结果显示,高浓度CO2对蒸煮稻米香气、光泽度、完整性、味道和口感等食味品质指标均没有影响。相关分析表明,CO2与品种的互作对米饭硬度和粘性有显著影响,但对食味品质参数均没有影响。CO2与年度、CO2与年度和品种间的互作对所有测定参数均无显著影响。两年数据一致表明,未来高浓度CO2环境下粳稻蒸煮米的硬度和粘性将呈增加趋势,增幅因品种而异,但米饭食味品质无显著变化。

大气CO_2增加对土壤脲酶、磷酸酶活性的影响

1 引言自19世纪70年代工业化革命以来,由于化石燃料燃烧、林草地开垦农用等已引起CO2大气排放的不断增加,可能使未来的50-100年内,全球大气CO2将增加1倍左右.

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 .

稻-麦轮作系统土壤糖酶活性对开放式CO_2浓度增高的响应

研究了稻 麦轮作系统中空气CO2 浓度增高 (2 0 0 μmol·mol-1 )对土壤蔗糖酶、木聚糖酶、纤维素酶活性及土壤氮、磷、硫含量变化的影响 .结果表明 ,与对照相比 ,种植小麦和水稻条件下FACE处理的土壤蔗糖酶活性升高 ;木聚糖酶活性在小麦的拔节期、抽穗期和成熟期以及水稻的抽穗期和成熟期显著高于对照 ;纤维素酶活性略降 .相关分析表明 。

A possible mechanism of mineral responses to elevated atmospheric CO_2 in rice grains

Increasing attentions have been paid to mineral concentration decrease in milled rice grains caused by CO2 enrichment, but the mechanisms still remain unclear. Therefore, mineral （Ca, Mg, Fe, Zn and Mn） translocation in plant-soil system with a FACE （Free-air CO2 enrichment） experiment were investigated in Eastern China after 4-yr operation. Results mainly showed that： （1） elevated CO2 significantly increased the biomass of stem and panicle by 21.9 and 24.0%, respectively, but did not affect the leaf biomass. （2） Elevated CO2 significantly increased the contents of Ca, Mg, Fe, Zn, and Mn in panicle by 61.2, 28.9, 87.0, 36.7, and 66.0%, respectively, and in stem by 13.2, 21.3, 47.2, 91.8, and 25.2%, respectively, but did not affect them in leaf. （3） Elevated CO2 had positive effects on the weight ratio of mineral/biomass in stem and panicle. Our results suggest that elevated CO2 can favor the translocation of Ca, Mg, Fe, Zn, and Mn from soil to stem and panicle. The CO2-led mineral decline in milled rice grains may mainly attribute to the CO2-1ed unbalanced stimulations on the translocations of minerals and carbohydrates from vegetative parts （e.g., leaf, stem, branch and husk） to the grains.

稻-麦轮作系统土壤水解酶及氧化还原酶活性对开放式空气CO_2浓度增高的响应

研究了FACE条件下 (CO2 浓度增加 2 0 0 μmol·mol-1 )水稻、小麦不同生育期 0～ 1 0cm土层土壤脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶活性的变化 .结果表明 ,FACE条件下 ,土壤脲酶活性在冬小麦生育前期低于对照 ,在孕穗期高于对照 ;在水稻生育前期高于对照 ,在成熟期低于对照 .磷酸单酯酶活性在冬小麦生育期高于对照 ;在水稻分蘖期高于对照 ,在生育后期 (拔节期、抽穗期和成熟期 )低于对照 .芳基硫酸酯酶活性在小麦越冬期和孕穗期低于对照 ,在分蘖期和成熟期高于对照 ;在水稻生育期间均高于对照 .脱氢酶活性在小麦和水稻的生育前期低于对照 。

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。

高CO_2浓度和剪叶疏花对水稻‘Y两优2号’产量形成的影响

利用稻田FACE(Free Air CO_2 Enrichment)平台,以创造世界高产纪录的超级稻组合‘Y两优2号’为试验材料,CO_2处理设环境CO_2浓度[(382.5±2.0)μmol·mol-1]和高CO_2浓度(增200μmol·mol-1)两个水平,齐穗期源库改变设对照、剪除剑叶(剪1叶)、剪除所有功能叶(剪3叶)以及相间剪除一次枝梗(疏花),研究开放条件下高CO_2浓度对不同源库处理水稻产量及其构成因子的影响。结果表明,对没有进行剪叶疏花处理的水稻(即对照)而言,高CO_2浓度使‘Y两优2号’籽粒产量平均增加12%,这主要与每穗颖花数和结实能力均略有增加有关。高CO_2浓度使剪1叶、剪3叶处理水稻的产量分别增加26%和57%,这主要与饱粒率和所有籽粒平均粒重均大幅增加有关。对齐穗期疏花处理水稻而言,高CO_2浓度导致的产量增幅与对照水稻接近。与对照相比,齐穗期剪1叶、剪3叶处理使水稻籽粒产量分别降低17%和52%,均达极显著水平,这主要与饱粒率和所有籽粒平均粒重均显著下降有关;尽管齐穗期疏花处理使水稻结实能力显著增加,但因每穗颖花数减半,产量大幅下降(-29%)。籽粒最终产量对高CO_2浓度的响应与饱粒率和所有籽粒平均粒重的响应呈显著正相关。以上结果表明,水稻齐穗期人为改变源库比例(特别是剪叶)可以改变籽粒结实能力和最终产量对高CO_2浓度的响应。

开放式空气中CO_2浓度和温度增高对水稻叶片叶绿素含量和SPAD值的动态影响

【目的】针对不断增高的大气二氧化碳(CO_2)浓度和温度,研究这两个重要环境因子及其互作对大田生长水稻叶片叶绿素含量和SPAD值的动态影响。【方法】利用农田T-FACE(Temperature-Free Air CO_2 Enrichment)系统,以高产优质粳稻武运粳23为供试材料,设置两个CO_2浓度(环境CO_2浓度和高CO_2浓度)和两个温度处理(环境温度和高温),测定自然生长环境下水稻不同生育期叶片的叶绿素含量及SPAD值。【结果】550μmol/mol CO_2浓度使水稻移栽后41、77、94 d叶绿素a,b和a+b含量均增加(最大增幅为6.4%),但移栽110、119 d后均减少(最大降幅为5.4%)。由于叶绿素b含量对CO_2较叶绿素a含量更敏感,故高CO_2浓度使移栽后41、77和94 d叶绿素a/b值均下降,降幅分别为4.7%、2.3%和0.9%,但移栽110和119 d后分别增加1.9%和5.3%;以上对CO_2的响应多达显著水平。对叶片SPAD值而言,高CO_2浓度对水稻生长前、中期的影响较小,但移栽110和119 d后分别下降3.5%(P=0.1)和19.1%(P<0.01)。大田生长期增温1℃,各期叶绿素a、b以及a+b含量多呈增加趋势,叶绿素a/b值表现相反,但总体上变幅小于CO_2效应;高温对水稻前、中期叶片SPAD的影响较小,但移栽110和119d后SPAD值平均下降7.1%和14.8%,均达极显著水平。CO_2与温度处理对上述测定参数多无显著互作效应,但CO_2浓度、温度处理与生育期之间多存在明显的互作效应。【结论】大气CO_2浓度增高有利于水稻生长前中期叶片叶绿素的形成,但生长后期叶绿素含量和SPAD值均明显下降且伴随叶绿素a/b值的显著升高,这种早衰现象在不同生长温度下趋势一致。