不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻生长和产量的影响

发布时间：2017-03-27 23:04

  本文关键词：不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻生长和产量的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大气中的CO2浓度已从工业革命前的280 μmol·mol-1上升到目前的约400 μmol·mol-1,预计到本世纪中叶将升至550 μmol·mol-1,持续增高的大气CO2浓度促进水稻生长发育,增加籽粒产量,但这种影响是否因不同栽培和环境条件而异尚不甚清楚。FACE (Free Air CO2 Enrichment)试验平台的空间优势为开展这方面的探索提供了契机。依托中国稻田生态系统FACE平台,模拟本世纪中叶的大气CO2浓度(约550 μmol·mol-1,熏蒸期为分蘖至成熟期),本研究设置五个试验(1)CO2与品种互作试验：选用常规粳稻、常规籼稻和杂交稻各4个品种,主要用于敏感材料的筛选；(2)CO2与移栽密度互作试验：以敏感品种Ⅱ优084为材料,密度设低、中和高密度(16、24、32 hill m-2)三个水平；(3)CO2与施氮量、移栽密度三因子互作试验：以敏感品种汕优63为材料,施氮量(15、25 g·m-2)和移栽密度(16、24 hill·m-2)各设两个水平；(4)CO2与温度互作试验：以Ⅱ优084为材料,温度设大气背景温度和高温(增1℃)两个水平；(5)CO2与源库改变互作试验：以汕优63和Ⅱ优084为材料,抽穗期源库处理设对照、剪叶和疏花三个水平。通过多年大田试验,系统研究了不同条件下(包括品种、密肥、气温以及源库水平)高CO2浓度对水稻生长发育和产量形成的影响,旨在探索CO2肥料效应的影响因子及其可能原因,为假定情形下稻作生产适应策略的制订提供理论依据。主要结果如下：1、试验1：所有12个供试品种平均,大气CO2增加200μmol·mol-1使水稻单位面积籽粒产量从832增至958 g·m-2,增幅达15%。不同品种对高浓度CO2的响应存在显著差异,产量响应最大的品种是响应最小品种的4倍。从不同类型看,常规粳稻、常规籼稻和杂交稻单位面积籽粒产量分别增加64、124和190 g·m-2,增幅分别为9%、15%和20%,以杂交稻响应最大。CO2×品种和CO2×类型的互作对水稻籽粒产量的影响均达显著水平。以上结果说明,不同水稻品种对高浓度CO2肥料效应的敏感性存在显著差异,杂交稻响应远大于常规稻品种。2、试验2：高浓度C02对Ⅱ优084生育进程没有影响,但使最终株高显著增加(+6%)。高浓度C02使Ⅱ优084各期叶片净光合速率、胞间C02浓度均显著增加,气孔导度显著下降而蒸腾速率因时期而异。高浓度C02促进水稻各器官生长,从而使分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期地上部干重分别增加42%、22%、39%和33%。高浓度C02使各期茎鞘和稻穗占地上部干重比例呈增加趋势,而叶片则呈相反趋势。高浓度COz使水稻各期单穴不定根数、不定根总长、根体积和根干重均大幅增加(+18%～50%)。由于分蘖期和拔节期根干重增幅均大于地上部干重,故根冠比显著增加。高浓度CO2使籽粒产量平均增加304 g·m-2,增幅达31%,这主要与穗数(+20%)、每穗颖花数(+7%)增加引起的总颖花量(+29%)增加有关。高浓度CO2条件下穗数增多主要与分蘖能力增强有关,而穗型增大主要由单茎干重所致。从不同密度看,高浓度CO2使低、中和高密度条件下II优084分别增产183、440和287g·m-2,增幅分别为19%、45%和30%；与籽粒产量一致,最终生物产量分别增加23%、45%和30%。从生长和产量因子看,CO2-密度处理对分蘖期和成熟期地上部干重、成熟期稻穗干重、每平方米穗数、每穗颖花数、单位面积颖花数有明显的互作效应。本试验结果表明,适当增加移栽密度有利于增加CO2的肥料效应,但密度过大则呈相反趋势。3、试验3：高浓度CO2对汕优63生育进程没有影响但使最终株高显著增加(+7%)。高浓度CO2使汕优63灌浆前期叶片Pn、C盼别增加26%、54%,Gs降低22%,但对n没有影响。高浓度CO2促进汕优63地上部各器官生长,从而使拔节期、抽穗期和成熟期地上部干重分别增加33%、46%、33%。高浓度CO2使水稻茎鞘和稻穗占地上部干重比例呈增加趋势,而叶片则相反。高浓度C02使汕优63拔节期和抽穗期单穴根系性状和根冠比均呈增加趋势,且多达显著水平。高浓度CO2使汕优63籽粒产量平均增加297 g.m-2,增幅达36%,这主要源于穗数(+8%)和每穗颖花数(+19%)明显增多引起的总颖花量大幅增加(+29%)。其中穗数增多主要与分蘖能力增强有关,穗型增大主要由单茎干重增加所致。从不同氮肥和密度看,低氮低密度、低氮中密度、高氮低密度和高氮中密度条件下汕优63分别增产346、369、269和207 g·m-2,增幅分别为43%、46%、34%和23%；与籽粒产量一致,生物产量分别增加28%、30%(p=0.18)、41%和33%。从生长和产量因子看,C02xN对单位面积籽粒产量(p=0.17)以及C02xD对单株产量(p=0.13)和单穴根干重(p=0.06)均有微弱的互作效应。本试验结果表明,高浓度C02环境下杂交汕优63因库容量增大导致产量大幅增加,调整施氮水平和移栽密度可在一定程度上改变这种肥料效应。4、试验4：高浓度CO2使Ⅱ优084成熟期延长约3 d,最终株高和单茎干重分别增加6%、49%,高浓度CO2对Ⅱ优084物质分配没有影响,但使成熟期地上部干重大幅增加(+48%)。高浓度CO2使水稻抽穗期和抽穗后20 d单穴根系性状和根冠比明显增加,但对单条根系’性状影响较小。高浓度CO2环境下水稻单穴根量明显增加主要与不定根发生明显增强有关,而非单条不定根的生长。高浓度CO2使Ⅱ优084籽粒产量从810增加到1204 g·m-2,增幅为49%,这主要与穗数(+13%)、总颖花数(+13%)、饱粒率(+36%)、饱粒重(+5%)和所有籽粒平均粒重(+26%)明显增加有关。C02熏蒸水稻结实能力增强主要与成熟期每朵颖花所占有的茎鞘干重(+57%)和非结构性碳水化合物含量(+304%)增加有关。从不同温度看,环境温度(AT)和高温(ET)条件下高浓度C02使Ⅱ优084分别增产373、413 g·m-2,增幅为39%和64%。与籽粒产量一致,AT和ET条件下生物产量分别增加39%、60%。从生长和产量因子看,C02x温度处理对水稻最终株高、饱粒率、秕粒率、空粒率和所有籽粒平均粒重的影响均达到或接近0.1显著水平。高温处理使水稻籽粒产量平均下降为24%,这主要与穗数(-7%)、总颖花数(-14%)、饱粒重(-3%)、所有籽粒平均粒重(-18%)和最终生物量(-20%)明显下降有关。本试验结果表明,在环境温度较高年份增加温度使杂交稻Ⅱ优084生长受抑产量下降,但升高C02浓度可在一定程度上缓解高温胁迫对水稻的伤害。5、试验5：高浓度C02使汕优63和Ⅱ优084各器官干重均显著增加,从而使成熟期地上部干重分别增加36%和41%。与生物量不同,高浓度C02对两品种物质分配均无显著影响。高浓度C02使汕优63和Ⅱ优084籽粒产量分别增加234和281 g·m-2,增幅分别为36%和38‰增产主要源于穗数和每穗颖花数共同增加,同时亦与结实能力的提升有关。高浓度C02使汕优63总颖花量、受精率、饱粒率、饱粒重和所有籽粒平均粒重分别增加25%、6.5%、6.5%、1.3%和6.6%,Ⅱ优084对应参数分别增加14%、5.9%、10.9%、6.6%和13.3%。从不同源库处理看,对照、剪叶和疏花条件下汕优63籽粒产量分别增加32%、55%和25%,对照和剪叶条件下I1优084籽粒产量分别增加40%、62%,但疏花条件下无显著变化。与籽粒产量一致,对照、剪叶和疏花条件下汕优63生物产量分别增加39%、43%和28%,对应条件下Ⅱ优084分别增加41%、56%和27%；均表现为剪叶处理对照疏花处理；受精率、饱粒率、饱粒重和所有籽粒平均粒重亦有类似趋势。从生长和产量因子看,C02×剪叶处理对汕优63受精率饱粒率和所有籽粒平均粒重均有显著互作效应,而C02x疏花处理对Ⅱ优084对应参数均有显著互作效应。以上结果说明,大气C02浓度升高环境下杂交稻因库容量增大导致产量增加,人为扩大库源比(如剪叶)有利于增加C02肥料效应,而减小源库比(如疏花)则有相反趋势。综上所述,本世纪中叶大气C02浓度(大约比目前高200μmol·mol-1)使杂交稻(超级稻)生产力明显增强。品种、密度、氮肥、温度以及源库比例对杂交稻的C02响应均有一定的调节作用。未来气候变化情形下,选育抗高温和高库容的杂交稻(超级稻)品种配合适宜的施氮量和移栽密度将有利于最大化C02对水稻产量的肥料效应和保障粮食安全。
【关键词】：FACE(Free Air CO_2 Enrichment) 水稻 CO_2 施氮量 密度 剪叶疏花 温度 生长 产量
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 文献综述16-28
• 1 引言16-17
• 2 熏蒸技术的发展历史17-19
• 3 CO_2浓度和品种互作对水稻生长和产量的影响19-21
• 4 CO_2浓度和移栽密度互作对水稻生长和产量的影响21
• 5 CO_2浓度和肥料互作对水稻生长和产量的影响21-22
• 6 CO_2和臭氧浓度互作对水稻生长和产量的影响22-23
• 7 CO_2浓度和温度互作对水稻生长和产量的影响23-26
• 7.1 生育进程与分蘖发生23-24
• 7.2 物质生产与分配24-25
• 7.3 籽粒产量及其构成25-26
• 8 本研究的目的、意义及技术路线26-28
• 8.1 本研究的目的和意义26-27
• 8.2 本研究的技术路线27-28
• 第二章 大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084生长和产量的影响28-78
• 1 引言28-29
• 2 材料与方法29-33
• 2.1 试验平台29
• 2.2 试验处理29-30
• 2.3 材料培育30
• 2.4 测定内容与方法30-32
• 2.5 统计分析方法32-33
• 3 结果与分析33-68
• 3.1 大气CO_2浓度升高对不同类型水稻品种籽粒产量的影响33-36
• 3.2 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻生育期和株高的影响36-37
• 3.3 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻光合作用的影响37-44
• 3.4 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻叶面积指数(LAI)的影响44-46
• 3.5 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻物质生产与分配的影响46-54
• 3.6 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻根系形态性状的影响54-63
• 3.7 大气CO_2浓度和移栽密度对水稻产量及其构成因子的影响63-68
• 4 讨论68-76
• 4.1 关于大气CO_2浓度升高对不同类型水稻品种籽粒产量的影响68
• 4.2 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084生育期与株高的影响68-69
• 4.3 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084光合作用和叶面积指数的影响69-70
• 4.4 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084物质生产与分配的影响70-72
• 4.5 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084根系形态的影响72-73
• 4.6 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084产量构成因子的影响73-74
• 4.7 关于大气CO_2浓度和移栽密度对Ⅱ优084籽粒产量的影响74-75
• 4.8 关于不同移栽密度条件下大气CO_2浓度升高使水稻增产的原因75-76
• 5 小结76-78
• 第三章 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对汕优63生长和产量的影响78-116
• 1 引言78
• 2 材料与方法78-81
• 2.1 试验平台78
• 2.2 试验处理78-79
• 2.3 材料培育79
• 2.4 测定内容与方法79-80
• 2.5 统计分析方法80-81
• 3 结果与分析81-105
• 3.1 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对汕优63生育期和株高的影响81-82
• 3.2 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对汕优63灌浆前期光合参数的影响82-85
• 3.3 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对汕优63物质生产与分配的影响85-93
• 3.4 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对汕优63根系形态性状的影响93-98
• 3.5 大气CO_2浓度、施氮量和移栽密度对水稻产量及其构成因子的影响98-105
• 4 讨论105-114
• 4.1 关于大气CO_2浓度升高对水稻生育期与株高的影响105
• 4.2 关于大气CO_2浓度升高对水稻灌浆前期光合作用与LAI的影响105-107
• 4.3 关于大气CO_2浓度升高对水稻物质生产与分配的影响107-109
• 4.4 关于大气CO_2浓度升高对水稻根系形态的影响109
• 4.5 关于大气CO_2浓度升高对水稻产量及其构成因子的影响109-113
• 4.6 关于大气CO_2浓度升高使水稻增产的原因113-114
• 5 小结114-116
• 第四章 大气CO_2浓度和温度升高对水稻生长和产量的影响116-152
• 1 引言116-117
• 2 材料与方法117-121
• 2.1 试验平台117-118
• 2.2 试验处理118
• 2.3 材料培育118-119
• 2.4 测定内容与方法119-120
• 2.5 统计分析120-121
• 3 结果与分析121-141
• 3.1 大气CO_2浓度和温度升高对水稻生育期的影响121
• 3.2 大气CO_2浓度和温度升高对成熟期株高和单茎干重的影响121-122
• 3.3 大气CO_2浓度和温度升高对水稻茎鞘非结构性碳水化合物的影响122-125
• 3.4 大气CO_2浓度和温度升高对水稻物质生产与分配的影响125-129
• 3.5 大气CO_2浓度和温度升高对水稻根系形态的影响129-134
• 3.6 大气CO_2浓度和温度升高对水稻产量及其构成因子的影响134-141
• 4 讨论141-150
• 4.1 关于大气CO_2浓度和温度升高对生育期的影响141
• 4.2 关于大气CO_2浓度和温度升高对株高和单茎性状的影响141-142
• 4.3 关于大气CO_2浓度和温度升高对物质生产与分配的影响142-144
• 4.4 关于大气CO_2浓度升高对根系形态的影响144-145
• 4.5 关于大气CO_2浓度和温度升高对籽粒产量性状的影响145-150
• 5 小结150-152
• 第五章 抽穗期剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对杂交稻生长和产量的影响152-182
• 1 引言152-153
• 2 材料与方法153-155
• 2.1 试验平台153
• 2.2 试验处理153
• 2.3 材料培育153-154
• 2.4 测定内容与方法154
• 2.5 统计分析154-155
• 3 结果与分析155-174
• 3.1 抽穗期剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻物质生产的影响155-159
• 3.2 抽穗期剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻物质分配的影响159-161
• 3.3 抽穗期剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻产量构成因子的影响161-171
• 3.4 抽穗期剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻籽粒产量的影响171-174
• 4 讨论174-181
• 4.1 关于剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻物质生产的影响174-175
• 4.2 关于剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻物质分配的影响175-176
• 4.3 关于剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻产量构成因子的影响176-179
• 4.4 关于剪叶疏花条件下大气CO_2浓度升高对水稻籽粒产量的影响179-180
• 4.5 关于剪叶疏花条件下CO_2浓度升高使水稻产量增产的原因180-181
• 5 小结181-182
• 第六章 主要结论、创新点及研究展望182-186
• 1 本研究的主要结论182-184
• 1.1 大气CO_2浓度升高对水稻影响的基因型差异182
• 1.2 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻生育期和株高的影响182
• 1.3 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻光合作用的影响182-183
• 1.4 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻物质生产与分配的影响183
• 1.5 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻根系生长的影响183
• 1.6 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻产量构成因子的影响183
• 1.7 不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻籽粒产量的影响183-184
• 1.8 全文总结184
• 2 本研究的创新点184-185
• 2.1 明确CO_2与施氮量以及移栽密度互作对水稻生长和产量的影响184
• 2.2 利用FACE技术首次开展稻田增温与CO_2互作对水稻生长和产量的影响184-185
• 2.3 首次开展CO_2与源库改变互作对水稻生长和产量的影响185
• 3 本研究的不足和展望185-186
• 参考文献186-197
• 致谢197-199
• 攻读博士期间发表学术论文目录199-201

  本文关键词：不同条件下大气CO_2浓度升高对水稻生长和产量的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：271255