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CO_2浓度增加与温度升高对冬小麦和水稻氮素吸收与分配的影响

佀传飞  
【摘要】:作物氮素的吸收与分配直接影响作物生长、产量及品质。以CO_2浓度与温度升高为主要特征的气候变化不仅直接影响作物的生长发育,而且通过影响作物氮素的吸收与分配进一步对作物生长发育及产量与品质形成产生影响。为了明确CO_2浓度与温度同时升高的交互作用对小麦和水稻氮素吸收与分配的影响,本研究以冬小麦(扬麦14号)和水稻(常优5号)为试验材料,于2013年11月-2014年10月,利用开放式空气 CO_2 浓度与温度升高试验平台(Free Air CO_2 Enrichment And Elevated Temperature,TFACE),模拟21世纪中叶的气候变化情景,开展田间试验。试验设置4个处理:对照、C02浓度增加至500ppm、1.5-2℃冠层增温、C02浓度增加至500ppm+1.5-2℃冠层增温。基于试验研究数据,定量分析了冬小麦和水稻氮素吸收与分配对CO_2浓度与温度升高的响应。主要结果如下:(1)CO_2浓度升高不能补偿温度升高对冬小麦和水稻地上部氮素积累量的负面影响,CO_2、浓度与温度同时升高使冬小麦和水稻成熟期地上部氮素积累量分别降低5.4%和12.0%。对于冬小麦,与对照相比,CO_2浓度升高增加各生育期的地上部氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量增加2.6%,C02浓度升高通过增加茎蘖数引起了氮素积累量的增加;温度升高降低各生育期的地上部氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量降低14.2%,温度升高通过降低茎蘖数引起了氮素积累量的降低;CO_2浓度与温度同时升高降低各生育期的地上部氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量降低5.4%,CO_2浓度与温度同时升高通过降低茎蘖数引起了氮素积累量的降低。对于水稻,与对照相比,CO_2浓度升高增加各生育期的地上部氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量增加0.9%,CO_2浓度升高通过增加茎蘖数引起了氮素积累量的增加;温度升高增加抽穗前各生育期的氮素积累量,降低抽穗后各生育期的氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量降低20.1%,温度升高通过对抽穗前后每单茎氮素积累量的影响引起了氮素积累量的变化;CO_2浓度与温度同时升高增加抽穗前各生育期的氮素积累量,降低抽穗后各生育期的氮素积累量,成熟期地上部氮素积累量降低12.0%,CO_2浓度与温度同时升高通过增加每单茎的氮素积累量和茎蘖数引起了抽穗前氮素积累量的增加,通过降低每单茎氮素积累量引起了抽穗后氮素积累量的降低。(2)CO_2浓度与温度同时升高显著增加冬小麦抽穗期的氮素利用效率,但对冬小麦成熟期的氮素利用效率无显著影响;CO_2浓度与温度同时升高显著降低水稻抽穗期的氮素利用效率,但显著增加水稻成熟期的氮素利用效率。对于冬小麦,与对照相比,C02浓度升高增加抽穗期和成熟期的氮素利用效率分别为3.6%和6.4%;温度升高降低抽穗期和成熟期的氮素利用效率分别为1.2%和5.4%;CO_2浓度与温度同时升高增加抽穗期的氮素利用效率为5.4%,但降低成熟期的氮素利用效率为3.4%。对于水稻,与对照相比,CO_2浓度升高增加抽穗期和成熟期的氮素利用效率分别为5.4%和7.6%;温度升高降低抽穗期的氮素利用效率为2.2%,但增加成熟期的氮素利用效率为3.7%;CO_2浓度与温度同时升高降低抽穗期的氮素利用效率为5.0%,但增加成熟期的氮素利用效率为3.7%;(3)CO_2浓度与温度同时升高降低了冬小麦和水稻各生育期的叶氮素分配指数和抽穗后的茎氮素分配指数,但增加了穗氮素分配指数。对于冬小麦,CO_2浓度升高降低叶氮素分配指数和穗氮素分配指数,但增加茎氮素分配指数;温度升高降低叶氮素分配指数和抽穗后的茎氮素分配指数,但增加穗氮素分配指数和抽穗前的茎氮素分配指数;C02浓度与温度同时升高降低叶氮素分配指数和抽穗后的茎氮素分配指数,但增加穗氮素分配指数和抽穗前的茎氮素分配指数。对于水稻,CO_2浓度升高降低叶氮素分配指数和抽穗后的茎氮素分配指数,但增加穗氮素分配指数和抽穗前的茎氮素分配指数;温度升高降低叶氮素分配指数和抽穗后的茎氮素分配指数,但增加穗氮素分配指数和抽穗前的茎氮素分配指数;CO_2浓度与温度同时升高降低叶氮素分配指数和茎氮素分配指数,但增加穗氮素分配指数。(4)CO_2浓度与温度同时升高对冬小麦抽穗-成熟期叶和茎的氮素转运量、转运率及氮素转运对籽粒氮素积累的贡献率无显著影响,但使水稻抽穗-成熟期叶和茎的氮素转运率及氮素转运对籽粒氮素积累的贡献率显著增加。对于冬小麦,CO_2浓度升高、温度升高及CO_2浓度与温度同时升高对叶和茎的氮素转运量、转运率及氮素转运对籽粒氮素的贡献率无显著影响。对于水稻,CO_2浓度升高使叶的氮素转运率和茎的氮素转运量、转运率及氮素转运对籽粒氮素的贡献率显著增加,但对叶的氮素转运量和氮素转运对籽粒氮素的贡献率无显著影响;温度升高使叶的氮素转运率和茎的氮素转运量、转运率及氮素转运对籽粒氮素的贡献率显著增加,但对叶的氮素转运量和氮素转运对籽粒氮素的贡献率无显著影响;CO_2浓度与温度同时升高使叶和茎的氮素转运率、氮素转运对籽粒氮素的贡献率和茎的氮素转运量显著增加,但对叶的氮素转运量无显著影响。本研究表明,CO_2浓度升高至500ppm不能补偿冠层温度升高1.5-2.0℃对冬小麦和水稻地上部氮素积累量的负面影响,使冬小麦和水稻地上部氮素积累量分别降低5.4%和12.0%。研究结果为今后进一步定量研究气候变化对小麦和水稻生产的影响提供实验依据和数据支撑,同时也为未来气候变化情景下栽培措施的调整和氮肥的施用管理提供一定的理论基础。


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