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《中国农业科学院》 2010年
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铜、镉胁迫下CO_2浓度升高对水稻生长及稻米品质的影响

李中阳  
【摘要】: 以大气中CO_2浓度升高及由此引起的气候变暖为主要特征的全球气候变化,势必对地球生态环境和世界农业生产产生深远影响,这方面的研究也一直受到科学工作者的广泛关注。关于CO_2浓度升高对农作物的影响,目前的研究主要集中在光合生理与生态、生长发育和产量、蒸腾和水分以及粮食的品质四个方面。重金属在土壤中具有隐蔽性、滞后性、积累性、不可逆转性、难降解性和危害性。土壤一旦受到重金属污染不仅会危害植物的生长和发育,而且会威胁到生态安全,影响农产品的品质,并通过食物链危及人类健康。随着重金属污染在我国乃至世界范围内的加剧,以及水稻生产在我国和亚洲的重要性,有必要开展重金属胁迫下CO_2浓度升高对水稻生长以及稻米卫生品质的影响,并在此基础上探讨CO_2浓度升高作为一种辅助手段提高重金属污染土壤植物修复效率的可行性。 本文采用土培和水培的试验方法,分别在开顶式气室(Open top chamber,OTC)和人工气候室(Artificial climate champer)中种植水稻,研究CO_2浓度升高对Cu、Cd胁迫下水稻生长及稻米品质的影响以及不同水稻品种的差异性。基于CO_2浓度升高对水稻生长的影响,讨论了CO_2浓度升高对用大田作物进行重金属污染土壤植物修复的影响。并对有关机理进行了探讨。论文取得了以下研究成果: (1)CO_2浓度升高缩短了水稻的生育期,显著增加了水稻的株高和生物量,且在高污染土壤上的增加比例要大于低污染土壤;对CO_2浓度升高增加稻米产量的主要贡献上,CO_2浓度升高主要是促进了水稻的出穗并增加了稻米的结实率,千粒重也有增加趋势,但CO_2浓度升高对水稻的颖花数影响不明显; (2)CO_2浓度升高下,稻米中的Cd含量在三个水稻品种中显著增加而在另外三个品种中显著降低,Cu含量则变化不大或显示出“稀释效应”而含量降低。通过对标靶危害系数(Target hazard quotients,THQ)的计算,发现CO_2浓度升高增加了居民通过稻米途径暴露接触重金属Cd的潜在风险。在对矿物元素的吸收上,除了N含量在六个水稻品种中普遍降低外,稻米中其它矿物元素的含量有升高有降低,表现出较大的品种差异; (3)由于CO_2浓度升高对六个水稻品种生物量的增加比例显著大于其对Cu或者Cd的稀释效应,所以六个水稻品种对Cu、Cd污染土壤的修复效率都是增加的。其中Cd含量增加的三个品种在CO_2浓度升高条件下对Cd的生物富集系数显著增加,提高了污染土壤的植物修复效率; (4)CO_2浓度升高降低了六个水稻品种根际土壤的pH,提高了土壤中可交换态的Cu、Cd的含量而降低了碳酸盐结合态的含量; (5)较低的Cd处理有利于水稻的分蘖和根系的生长,高浓度的Cd处理显著抑制水稻根的生长。CO_2浓度升高对水稻根系生长起促进作用,总根长、根表面积、根体积、根毛数都显著增加,根平均直径变化不大。CO_2浓度升高对根系生长的影响存在较大的品种差异; (6)CO_2浓度升高降低了根中半胱氨酸(Cys)的含量,而增加了谷胱甘肽(GSH)和植物络合素(PCs)的含量;茎叶中的Cys、GSH、PCs的含量都随着CO_2浓度升高而降低,但变化上品种间存在较大差异。 在上述研究结果的基础上可以看出,CO_2浓度升高可作为一种很有效的辅助手段来缩短重金属污染农田的修复时间,提高植物修复的效率;同时发现,在未来全球气候变化下,CO_2浓度升高可能会影响到的农作物的食品安全。并对导致该结论的原因进行了相关的研究,指出在CO_2浓度升高下Cd对稻米卫生品质的影响要大于Cu,应该加强CO_2浓度升高对不同作物、同一作物不同品种的品质影响的基因型差异性研究。
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:S511

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