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大气CO_2浓度升高对水稻生育生理及产量品质影响的研究

吴健  
【摘要】: 水稻总产量占我国粮食总产量的40%以上,其总产量能否稳定提高对我国粮食安全有着举足轻重的影响。随着全球大气CO_2浓度的日益升高,水稻单产将会发生一定变化,其生长发育、产量形成以及养分的吸收利用也会发生相应的变化。 通过开顶式气室控制大气CO_2浓度,对水稻生长发育、生理特性及产量品质等进行实验测定,研究了大气CO_2浓度升高对水稻株高、穗长、净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、产量及产量构成因素、叶绿素含量、蛋白质及氨基酸含量的影响,并探讨了大气CO_2浓度升高状况下水稻生长发育、生理特性和产量品质的变化趋势。结果表明,与对照CO_2浓度(350μmol·mol~(-1))相比,大气CO_2浓度为550gmol·mol~(-1)和750μmol·mol~(-1)时,成熟期水稻株高分别提高5.82%和11.76%,穗长分别增加7.02%和12.40%。 水稻拔节期净光合速率日变化呈单峰型,上午9:00最高,最低值出现在13:00左右,光合午休现象较为明显,但随着大气CO_2浓度的升高,光合午休现象得到缓解,当CO_2升高到750μmol·mol~(-1)时,水稻光合午休现象消失。水稻叶片气孔导度日变化明显呈单峰型,上午10:00最高,气孔导度的降低在14:00前后最为显著。在每一个生育阶段,随着CO_2浓度的升高,气孔导度呈下降趋势,拔节期降幅最大,分蘖期最小。 两种高CO_2处理和背景浓度均呈现出抽穗期蒸腾速率最大,拔节期次之,分蘖期相对较小的趋势。通过对各个生育期蒸腾速率的方差分析和多重比较可知,不同CO_2浓度的处理下,水稻各个生育时期蒸腾速率的整体差异均达到显著水平。在同一CO_2浓度下,水稻的水分利用率随着生育期的延后而大体上呈上升趋势。当大气CO_2浓度从350μmol·mol~(-1)加到750μmol·mol~(-1),在水稻不同发育期水分利用效率提高幅度不等,在成熟期水分利用效率提高幅度最大,分别提高35.24%和77.05%。 在大气CO_2浓度升高情景下,叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总量均有增加,促进水稻光合作用的加强。在CO_2浓度为550μmol·mol~(-1)和750μmol·mol~(-1)时,拔节期叶绿素a比目前正常水平(350μmol·mol~(-1))分别提高4.65%和7.94%,叶绿素b分别增加16.03%和20.75%,叶绿素总量分别提高7.22%和10.83%:在大气CO_2浓度升高的情况下,水稻叶片的类胡萝卜素含量也呈上升趋势,分别提高17.81%和35.61%。 随着大气CO_2浓度的上升,水稻单株产量呈上升趋势,与背景CO_2浓度相比,两种高CO_2浓度处理下,单株产量分别提高了19.34%和31.55%。CO_2浓度增加对水稻产量构成因子的贡献,最显著的是每穗实粒数的提高,千粒重其次,每穗总粒数最小。 随着大气CO_2浓度的升高,水稻中的营养元素,如磷、钾和铜的含量有随大气CO_2浓度升高而呈逐步降低的趋势,其中,磷和钾含量的降低最为明显,而铜的含量则是下降幅度最大,达到了13.79%和26.09%;另一方面,大气CO_2浓度增加情况下,水稻籽粒中钠、锌、硒和锰含量呈增长趋势,其中含量上升较多的元素为钠和锰,锰的含量上升幅度也最大,达到了4.55%和7.09%;而水稻籽粒中的钙、镁和铁元素则无明显的趋势变化。 与大气CO_2背景含量相比,CO_2增加到550和750μmol·mol~(-1),蛋白质含量呈下降趋势,分别下降3.10%和5.49%,蛋白质含量的总体差异也达到了极显著水平;这是由于生长环境中CO_2含量的增加,使水稻对碳素利用增多,造成其籽粒中的碳与氮之间的平衡发生变化,作物需要从土壤中吸收更多的氮来满足其生长需求,在生产实践中,必须适当增施氮肥。随大气CO_2浓度的升高,水稻籽粒的氨基酸组分变化大体上呈下降趋势,其中色氨酸和组氨酸下降幅度最大,异亮氨酸和亮氨酸的下降幅度最小。随着大气CO_2含量的增加,氨基酸总量和必需氨基酸总量均呈下降的趋势,大气CO_2含量为550和750μmol·mol~(-1)时,与对照相比,供试水稻籽粒氨基酸总量分别下降了5.99%和14.26%,必需氨基酸总量分别下降了5.33%和12.53%。大气CO_2浓度上升,对水稻蛋氨酸和苏氨酸含量起到适当增加的作用。因此,高大气CO_2浓度虽然会引起水稻蛋白质含量有所降低,但某些氨基酸的增加,从而进一步改善了水稻蛋白质的组成结构。


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