不同條件下大氣CO2濃度升高對水稻生長和產(chǎn)量的影響.pdf

1、大氣中的CO2濃度已從工業(yè)革命前的280μmol·mol-1上升到目前的約400μmol·mol-1，預計到本世紀中葉將升至550μmol·mol-1。持續(xù)增高的大氣CO2濃度促進水稻生長發(fā)育，增加籽粒產(chǎn)量，但這種影響是否因不同栽培和環(huán)境條件而異尚不甚清楚。FACE(Free Air CO2Enrichment)試驗平臺的空間優(yōu)勢為開展這方面的探索提供了契機。依托中國稻田生態(tài)系統(tǒng)FACE平臺，模擬本世紀中葉的大氣CO2濃度（約550μm

2、ol·mol-1，熏蒸期為分蘗至成熟期），本研究設置五個試驗：(1)CO2與品種互作試驗:選用常規(guī)粳稻、常規(guī)秈稻和雜交稻各4個品種，主要用于敏感材料的篩選;(2)CO2與移栽密度互作試驗:以敏感品種Ⅱ優(yōu)084為材料，密度設低、中和高密度（16、24、32 hill m-2）三個水平;(3)CO2與施氮量、移栽密度三因子互作試驗:以敏感品種汕優(yōu)63為材料，施氮量（15、25 g·m-2）和移栽密度(16、24 hill·m-2)各設兩個水

3、平;(4)CO2與溫度互作試驗:以Ⅱ優(yōu)084為材料，溫度設大氣背景溫度和高溫（增1℃）兩個水平;(5)CO2與源庫改變互作試驗:以汕優(yōu)63和Ⅱ優(yōu)084為材料，抽穗期源庫處理設對照、剪葉和疏花三個水平。通過多年大田試驗，系統(tǒng)研究了不同條件下（包括品種、密肥、氣溫以及源庫水平）高CO2濃度對水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，旨在探索CO2肥料效應的影響因子及其可能原因，為假定情形下稻作生產(chǎn)適應策略的制訂提供理論依據(jù)。主要結果如下:
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4、、試驗1:所有12個供試品種平均，大氣CO2增加200μmol·mol-1使水稻單位面積籽粒產(chǎn)量從832增至958 g·m-2，增幅達15％。不同品種對高濃度CO2的響應存在顯著差異，產(chǎn)量響應最大的品種是響應最小品種的4倍。從不同類型看，常規(guī)粳稻、常規(guī)秈稻和雜交稻單位面積籽粒產(chǎn)量分別增加64、124和190 g·m-2，增幅分別為9％、15％和20％，以雜交稻響應最大。CO2×品種和CO2×類型的互作對水稻籽粒產(chǎn)量的影響均達顯著水平。以

5、上結果說明，不同水稻品種對高濃度CO2肥料效應的敏感性存在顯著差異，雜交稻響應遠大于常規(guī)稻品種。
　　2、試驗2:高濃度CO2對Ⅱ優(yōu)084生育進程沒有影響，但使最終株高顯著增加(+6％)。高濃度CO2使Ⅱ優(yōu)084各期葉片凈光合速率、胞間CO2濃度均顯著增加，氣孔導度顯著下降而蒸騰速率因時期而異。高濃度CO2促進水稻各器官生長，從而使分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期地上部干重分別增加42％、22％、39％和33％。高濃度CO2使各期莖

6、鞘和稻穗占地上部干重比例呈增加趨勢，而葉片則呈相反趨勢。高濃度CO2使水稻各期單穴不定根數(shù)、不定根總長、根體積和根干重均大幅增加(+18％～50％)。由于分蘗期和拔節(jié)期根干重增幅均大于地上部干重，故根冠比顯著增加。高濃度CO2使籽粒產(chǎn)量平均增加304 g·m-2，增幅達31％，這主要與穗數(shù)(+20％)、每穗穎花數(shù)(+7％)增加引起的總穎花量(+29％)增加有關。高濃度CO2條件下穗數(shù)增多主要與分蘗能力增強有關，而穗型增大主要由單莖干重所

7、致。從不同密度看，高濃度CO2使低、中和高密度條件下Ⅱ優(yōu)084分別增產(chǎn)183、440和287 g·m-2，增幅分別為19％、45％和30％;與籽粒產(chǎn)量一致，最終生物產(chǎn)量分別增加23％、45％和30％。從生長和產(chǎn)量因子看，CO2×密度處理對分蘗期和成熟期地上部干重、成熟期稻穗干重、每平方米穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、單位面積穎花數(shù)有明顯的互作效應。本試驗結果表明，適當增加移栽密度有利于增加CO2的肥料效應，但密度過大則呈相反趨勢。
　　3、試

8、驗3:高濃度CO2對汕優(yōu)63生育進程沒有影響但使最終株高顯著增加(+7％)。高濃度CO2使汕優(yōu)63灌漿前期葉片Pn、Ci別增加26％、54％, Gs降低22％，但對Tr沒有影響。高濃度CO2促進汕優(yōu)63地上部各器官生長，從而使拔節(jié)期、抽穗期和成熟期地上部干重分別增加33％、46％、33％。高濃度CO2使水稻莖鞘和稻穗占地上部干重比例呈增加趨勢，而葉片則相反。高濃度CO2使汕優(yōu)63拔節(jié)期和抽穗期單穴根系性狀和根冠比均呈增加趨勢，且多達顯著

9、水平。高濃度CO2使汕優(yōu)63籽粒產(chǎn)量平均增加297g·m-2，增幅達36％,這主要源于穗數(shù)(+8％)和每穗穎花數(shù)(+19％)明顯增多引起的總穎花量大幅增加(+29％)。其中穗數(shù)增多主要與分蘗能力增強有關，穗型增大主要由單莖干重增加所致。從不同氮肥和密度看，低氮低密度、低氮中密度、高氮低密度和高氮中密度條件下汕優(yōu)63分別增產(chǎn)346、369、269和207 g·m-2，增幅分別為43％、46％、34％和23％;與籽粒產(chǎn)量一致，生物產(chǎn)量分別增

10、加28％、30％(p=0.18)、41％和33％。從生長和產(chǎn)量因子看，CO2×N對單位面積籽粒產(chǎn)量(p=0.17)以及CO2×D對單株產(chǎn)量(p=0.13)和單穴根干重(p=0.06)均有微弱的互作效應。本試驗結果表明，高濃度CO2環(huán)境下雜交汕優(yōu)63因庫容量增大導致產(chǎn)量大幅增加，調(diào)整施氮水平和移栽密度可在一定程度上改變這種肥料效應。
　　4、試驗4:高濃度CO2使Ⅱ優(yōu)084成熟期延長約3d，最終株高和單莖干重分別增加6％、49％，高

11、濃度CO2對Ⅱ優(yōu)084物質(zhì)分配沒有影響，但使成熟期地上部干重大幅增加(+48％)。高濃度CO2使水稻抽穗期和抽穗后20 d單穴根系性狀和根冠比明顯增加，但對單條根系性狀影響較小。高濃度CO2環(huán)境下水稻單穴根量明顯增加主要與不定根發(fā)生明顯增強有關，而非單條不定根的生長。高濃度CO2使Ⅱ優(yōu)084籽粒產(chǎn)量從810增加到1204 g·m-2，增幅為49％，這主要與穗數(shù)(+13％)、總穎花數(shù)(+13％)、飽粒率(+36％)、飽粒重(+5％)和所有

12、籽粒平均粒重(+26％)明顯增加有關。CO2熏蒸水稻結實能力增強主要與成熟期每朵穎花所占有的莖鞘干重(+57％)和非結構性碳水化合物含量(+304％)增加有關。從不同溫度看，環(huán)境溫度(AT)和高溫(ET)條件下高濃度CO2使Ⅱ優(yōu)084分別增產(chǎn)373、413 g·m-2，增幅為39％和64％。與籽粒產(chǎn)量一致，AT和ET條件下生物產(chǎn)量分別增加39％、60％。從生長和產(chǎn)量因子看，CO2×溫度處理對水稻最終株高、飽粒率、秕粒率、空粒率和所有籽粒

13、平均粒重的影響均達到或接近0.1顯著水平。高溫處理使水稻籽粒產(chǎn)量平均下降為24％，這主要與穗數(shù)（-7％）、總穎花數(shù)(-14％)、飽粒重(-3％)、所有籽粒平均粒重(-18％)和最終生物量(-20％)明顯下降有關。本試驗結果表明，在環(huán)境溫度較高年份增加溫度使雜交稻Ⅱ優(yōu)084生長受抑產(chǎn)量下降，但升高CO2濃度可在一定程度上緩解高溫脅迫對水稻的傷害。
　　5、試驗5:高濃度CO2使汕優(yōu)63和Ⅱ優(yōu)084各器官干重均顯著增加，從而使成熟期地

14、上部干重分別增加36％和41％。與生物量不同，高濃度CO2對兩品種物質(zhì)分配均無顯著影響。高濃度CO2使汕優(yōu)63和Ⅱ優(yōu)084籽粒產(chǎn)量分別增加234和281 g·m-2，增幅分別為36％和38％;增產(chǎn)主要源于穗數(shù)和每穗穎花數(shù)共同增加，同時亦與結實能力的提升有關。高濃度CO2使汕優(yōu)63總穎花量、受精率、飽粒率、飽粒重和所有籽粒平均粒重分別增加25％、6.5％、6.5％、1.3％和6.6％，Ⅱ優(yōu)084對應參數(shù)分別增加14％、5.9％、10.9％

15、、6.6％和13.3％。從不同源庫處理看，對照、剪葉和疏花條件下汕優(yōu)63籽粒產(chǎn)量分別增加32％、55％和25％，對照和剪葉條件下Ⅱ優(yōu)084籽粒產(chǎn)量分別增加40％、62％，但疏花條件下無顯著變化。與籽粒產(chǎn)量一致，對照、剪葉和疏花條件下汕優(yōu)63生物產(chǎn)量分別增加39％、43％和28％，對應條件下Ⅱ優(yōu)084分別增加41％、56％和27％;均表現(xiàn)為剪葉處理＞對照＞疏花處理;受精率、飽粒率、飽粒重和所有籽粒平均粒重亦有類似趨勢。從生長和產(chǎn)量因子看，

16、CO2×剪葉處理對汕優(yōu)63受精率、飽粒率和所有籽粒平均粒重均有顯著互作效應，而CO2×疏花處理對Ⅱ優(yōu)084對應參數(shù)均有顯著互作效應。以上結果說明，大氣CO2濃度升高環(huán)境下雜交稻因庫容量增大導致產(chǎn)量增加，人為擴大庫源比（如剪葉）有利于增加CO2肥料效應，而減小源庫比（如疏花）則有相反趨勢。
　　綜上所述，本世紀中葉大氣CO2濃度（大約比目前高200μmol· mol-1）使雜交稻（超級稻）生產(chǎn)力明顯增強。品種、密度、氮肥、溫度以及源