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不同CO_2浓度和不同施氮水平下根系性状对水稻光合适应的影响

陶文辉  
【摘要】:大气中的CO_2浓度正以前所未有的速度上升,2015年,全球CO_2浓度突破了400μmol mol~(-1)的里程碑水平,并且增长速度越来越快。二氧化碳和其他温室气体浓度的增加正引起全球环境的变化,例如温度升高,预计会对主要粮食作物生产造成影响。相反,CO_2浓度增加将对作物的光合作用产生直接的积极影响,从而增加谷物产量。然而,二氧化碳施肥效应的大小是全球作物产量预测中不确定性的主要来源之一。氮是调节植物对高CO_2浓度适应的重要营养元素,氮通常限制了高CO_2浓度对植物光合作用、生物量生产和产量的增强作用。事实上,先前的水稻FACE(Free-Air CO_2Enrichment)实验表明,当氮素施用量低于80 kg/ha时,生长在高CO_2浓度中的谷物产量会降低。谷物的营养价值和外观质量也容易在高CO_2浓度条件下发生变化。因此,很可能需要修改或重新设计氮浓度添加管理措施,以在气候变化下实现最佳的生产率和质量结果。本研究采用OTC(开顶式气室)培养和室外盆栽培养的方式,选用两个水稻品种分别为低应答水稻品种武运粳30和高应答水稻品种扬稻6号,研究不同CO_2浓度水平(大气环境CO_2浓度和在大气环境CO_2浓度基础上升高200μmol mol~(-1))和不同供氮水平(低氮和高氮)对在不同生长时期(分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期)的水稻,通过试验研究两水稻品种的生长和光合上的差异,再联系根系指标,试图发现在CO_2浓度升高和不同氮处理下根系性状对水稻光合适应影响。主要结果如下:1.高CO_2浓度条件下,高氮处理对生长在OTC室内的两水稻品种的叶绿素含量、比叶面积无显著影响;同样高氮处理对生长在OTC室外的两水稻品种的叶绿素含量无显著影响。生长在OTC室外两水稻品种高氮处理对其比叶面积有一定的促进作用。高CO_2浓度和高氮处理对千粒重均有促进作用,但促进作用对高应答水稻品种扬稻6号更为明显;对生长在OTC室外的两水稻品种其千粒重对高氮处理有积极响应,同时室外千粒重也要明显低于室内千粒重。2.高CO_2浓度对生长在OTC室内的两水稻品种的光合作用速率(A_(net))有明显的促进作用,高氮处理仅对生长在OTC室内和室外的高应答水稻品种扬稻6号A_(net)有促进作用;高CO_2浓度和高氮处理下,OTC室内两种水稻品种气孔导度、蒸腾速率(T_r)、光合电子传输速率(ETR)和光化学淬灭系数(q P)均下降趋势;高氮处理对OTC室外的高应答水稻品种扬稻6号T_r、ETR和q P均有促进作用;高CO_2浓度处理对两水稻品种WUE都具有积极影响,高氮处理对高应答水稻品种扬稻6号WUE在大部分生育期有明显的促进作用。3.抽穗期,生长在OTC室内低应答水稻品种武运粳30V_(cmax)对高CO_2浓度处理有积极响应;拔节期,高应答水稻品种扬稻6号V_(cmax)对高CO_2浓度处理有积极响应;生长在OTC室外的高应答水稻品种V_(cmax)对高氮处理有积极响应。J_(max)对高CO_2浓度处理的响应来看,生长于OTC室内在两水稻品种的大部分生命期里都是消极的,生长在OTC室外的高应答水稻品种J_(max)对高氮处理有积极响应。生长在OTC室内的两水稻品种气孔导度斜率值对不同CO_2浓度处理的响应并不显著,并未发现高CO_2浓度和高氮处理对其气孔导度斜率值(g1和m)具有规律性的影响,而生长在OTC室外的两水稻品种其g1和m仅在生育前期对高氮处理有积极响应。4.从水稻的五个时期的光合日进程图可以发现,高CO_2浓度对两水稻品种的光合速率均有促进作用。从分蘖期到收获期,随着高CO_2浓度的处理时间越来越久,两个水稻品种都出现了光合适应现象,低应答水稻品种武运粳30在高CO_2浓度下光合适应现象更快更明显。5.生长在OTC室内两水稻品种叶片和根系在高CO_2浓度处理下氮含量下降,高氮处理下OTC室内和室外两水稻品种叶片和根系氮含量在大多数时间均有促进作用。6.高浓度CO_2条件下一定程度上可以增加水稻根干重。高CO_2浓度条件下,高应答水稻品种扬稻6号根系较低应答水稻品种武运粳30响应更为明显;高氮处理下对生长在OTC室内的两水稻品种根长、根系宽度和根体积均无显著影响,但高氮处理对OTC室外高应答水稻品种扬稻6号根长根体积有促进作用。高CO_2浓度条件下,高氮处理对高应答水稻品种扬稻6根尖数总体为积极作用;生长在OTC室外的水稻品种其根尖数对高氮处理的响应与OTC室内相似。7.低氮处理下,低应答水稻品种武运粳30根系干重均与其光合适应现象有正相关联系,高应答水稻品种扬稻6号根系投影面积、根系表面积、根尖数、根系体积、根系平均宽度和根系干重与其光合适应现象有正相关联系。高氮处理下,低应答水稻品种武运粳30根系比表面积和根系平均宽度与其光适应现象有正相关联系,高应答水稻品种扬稻6号的根系平均宽度与其光适应现象有正相关联系。则研究发现在高CO_2浓度条件下,低氮处理对高应答水稻品种根系缓解光合适应现象的作用更为明显,高氮处理对两水稻品种根系平均宽度缓解光合适应现象的积极作用。综上,在本试验条件下,高CO_2浓度处理下水稻出现光合适应现象,氮处理会弥补碳氮代谢失调带来的根库和穗库的损失,根库为规避光合适应提高产量做出重要贡献。


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