農田開放式空氣co

1氣室和空氣氣室的研究不可否認，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃部政府間氣候變化委員會估計，未考慮的co2濃度可達到650720l-1。由于co是自然界的底物，上升的co濃度將不可避免地對植物生態(tài)系統(tǒng)產生重大影響。因此，增加太空氣體濃度一直是國內外生態(tài)和農業(yè)領域的研究熱點。為了研究co2的增加對作物生長發(fā)育的影響，在20世紀90年代之前，主要研究將植物放置在co2濃度高的控制環(huán)境（ce）或開放氣室（oct）中。上述封閉或半封閉設備（被稱為氣室）的最高co濃度提供，并且箱壁的影響也顯著不同室內作物地上和地下兩側的其他環(huán)境因素在自然狀態(tài)下是相同的。因此，在這些設備中觀察到的數據不一定是co2的增加，也不符合自然生態(tài)條件下co2的增加。因此，這些設備中觀察到的數據不僅是co2的增加，而且可能與自然生態(tài)條件下co2的增加完全一致。開放空氣coe2的濃度增加（免耕自然生態(tài)環(huán)境，光譜系統(tǒng)）系統(tǒng)避免了這些限制，以模擬未來co2濃度的微區(qū)域生態(tài)環(huán)境。根據植物冠層co濃度的測定結果，通過系統(tǒng)管理實時調整co3環(huán)中的co濃度，以保持co3環(huán)的濃度值。由于相機環(huán)沒有絕緣設施，氣體可以自由流動，因此非常接近自然生態(tài)環(huán)境。國際上廣泛認為，這是在研究co2濃度增加對生態(tài)系統(tǒng)反應的理想方法。小麥(TriticumaestivumL.)是世界上最重要的作物之一,近十幾年來,有關CO2濃度增加對小麥生長發(fā)育、產量形成影響的研究較多,但在開放式條件下研究較少.目前,只有美國在高緯度地區(qū)進行了這方面的研究,在稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)條件下尚未見相關報道.中國于2001年在江蘇無錫建立了世界上第1個稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)FACE研究平臺,主要用于研究稻麥生長發(fā)育、產量和品質等對大氣CO2濃度增高的響應.本文就2001—2002和2002—2003年度不同施氮量條件下FACE對優(yōu)質弱筋小麥寧麥9號生育期、株高、產量和產量構成因子的影響進行研究,以期為評價大氣CO2濃度增高對中國小麥生產的可能影響及制訂減緩CO2濃度增高不良影響的對策與措施提供依據.2材料和方法2.1調度場及裝置設計試驗于2001—2003年在中國稻麥輪作FACE研究技術平臺上進行.該平臺于2001年在江蘇省無錫市安鎮(zhèn)鎮(zhèn)年余農場實驗田中(31°37′N,120°28′E)建立.該區(qū)年降水量1100～1200mm,年平均溫度約16℃,年日照時間多于2000h,年無霜天數230d以上.耕作方式為水稻、冬小麥輪作,6月中旬—10月中下旬為水稻生長季,11月初至次年5月底或6月初為小麥生長季,兩茬作物之間,旱田裸露閑置.實驗田土壤類型為黃泥土,耕作層厚度(13.0±1.6)cm,土壤容重(1.2±0.7)g·cm-3,總孔隙度(54±2)%,砂粒(1～0.05mm)9.2%,粉砂粒(0.05～0.001mm)65.7%,粘粒(<0.001mm)25.1%,有機質含量(25.8±0.4)g·kg-1,全氮(1.59±0.25)g·kg-1,全磷(以P2O5計)(1.23±0.32)g·kg-1,速效磷10.4mg·kg-1,pH6.8.平臺共有3個FACE實驗圈和5個對照圈,對照圈與FACE圈、FACE圈與FACE圈間的距離均大于90m.FACE圈設計為正八角形,對邊距為12m,通過FACE圈周圍的管道向FACE圈中心噴射純CO2氣體,放氣管的高度調節(jié)在作物冠層上方50～60cm,以保證作物冠層上方有足夠高的CO2濃度及氣體擴散空間.FACE圈的有效試驗面積為80m2,對照圈的面積與FACE圈相同,沒有進行加氣處理.利用計算機網絡系統(tǒng)對FACE平臺的CO2濃度進行監(jiān)測控制,根據大氣中的CO2濃度,風向、風速,作物冠層CO2濃度及晝夜等因素的變化調節(jié)CO2氣體的釋放速度及方向,以實現FACE圈的CO2濃度高于周圍大氣CO2濃度200μl·L-1.2.2施磷量、施苗肥及正常施肥2001—2002和2002—2003年試驗供試材料均為弱筋小麥品種寧麥9號.二裂區(qū)試驗設計,大氣CO2濃度為主區(qū),施氮量為裂區(qū).CO2濃度處理設對照AMB(370μl·L-1)和FACE(570μl·L-1)2個水平,施氮量2001—2002年設125(LN)和250kg·hm-2(HN)2個水平,2002—2003年設90(LN)、180(MN)和250kg·hm-2(HN)3個水平,兩季施磷量均為75kg·hm-2.FACE圈重復3次,對照圈重復5次.2001—2002年,11月15日免耕條播,密度為165×104株·hm-2,行距20cm,6月2日收割.11月13日施基肥(施N肥總量的40%,P肥總量的67%),12月4日施苗肥(施N肥總量的20%),3月3日施拔節(jié)肥(施N肥總量的20%,P肥總量的33%),4月5日施穗肥(施N肥總量的20%).小麥生長發(fā)育正常.2002—2003年,11月8日免耕條播,密度為180×104株·hm-2,行距25cm,6月6日收割.12月4日施苗肥(施N肥總量的60%,P肥總量的60%),3月4日施拔節(jié)肥(施N肥總量的20%,P肥總量的20%),4月5日施穗肥(施N肥總量的20%,P肥總量的20%).小麥生長發(fā)育正常.2.3小麥植株檢測2002—2003年,在小麥成熟期各小區(qū)選取代表性植株20株測量株高、各節(jié)間長度和穗長.2001—2002和2002—2003年,各小區(qū)自出苗后定2點,每點標記45株,定期調查莖蘗數,根據莖蘗動態(tài)計算最高分蘗數和分蘗成穗率.成熟期每小區(qū)調查2m2的小麥植株,計算單位面積穗數,取其中代表性植株20株測定穗粒數和粒重.2.4處理數據數據均用SPSS10.0軟件進行統(tǒng)計分析,Excel進行圖表繪制.處理間比較采用最小顯著差法(LSD).3結果與分析3.1小麥播種—FACE處理對小麥生育期的影響由表1可知,寧麥9號全生育期平均為208d,變幅為205～211d.FACE處理的小麥播種—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期較對照平均分別縮短1.3、1.3和2.6d.增加施N量使小麥播種—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期延長.統(tǒng)計分析表明,CO2處理、N處理及兩者互作對小麥播種—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期的影響均未達顯著水平.3.2顯著水平:自變量測定由表2可知,FACE處理使小麥株高平均增加3cm,增幅4.0%.其中,LN、MN、HN條件下分別增加2.2、3.5和2.9cm,增幅分別為3.0%、4.9%和4.0%,均達顯著水平;N處理和CO2與N互作效應對成熟期小麥株高的影響均未達顯著水平.FACE小麥株高的增加與節(jié)間長度及穗長的變化有關.FACE小麥穗長、穗下第1、2節(jié)間的平均長度分別比對照增加0.2、1.2和1.0cm,均達到顯著或極顯著水平,對穗下第3、4、5節(jié)間長度的影響均未達顯著水平.除了N處理對穗下第5節(jié)間有顯著影響外,N處理和CO2與N互作效應對小麥穗長和其它節(jié)間長度的影響均未達顯著水平.說明大氣CO2濃度增高條件下,主要是由于穗長、穗下第1和第2節(jié)間明顯伸長使寧麥9號株高顯著增加.3.3車道處理對小麥產量和產量組成因素的影響3.3.11—FACE處理對小麥產量的影響2001—2002和2002—2003兩年試驗FACE處理的小麥產量比對照平均增加24.6%(圖1a);LN、MN、HN條件下,分別增加15.2%、21.4%和35.4%.其中,2001—2002年平均增加19.2%,在LN、HN條件下,分別增加11.6%和26.9%;2002—2003年平均增加27.5%,在LN、MN、HN條件下,分別增加8.4%、21.4%和42.1%.方差分析表明,CO2處理、N處理、CO2與N互作效應對小麥產量均有顯著或極顯著影響,不同年度間趨勢一致.說明隨著施氮量的增加,小麥產量對高CO2濃度的響應能力增強.3.3.2co對小麥穗粒數的影響FACE小麥單位面積穗數平均比對照提高17.8%,其中2001—2002和2002—2003年分別提高11.2%和22.8%(圖1b).在LN、MN、HN條件下,FACE小麥單位面積穗數分別比對照增加19.5%、5.9%和22.3%.方差分析表明,CO2處理和N處理對小麥單位面積穗數的影響均達極顯著水平,而CO2和N互作效應對單位面積穗數的影響未達到顯著水平.單位面積穗數由主莖穗數和分蘗穗數構成.分蘗穗數取決于最高分蘗數的多少與分蘗成穗率的高低.由表3可知,FACE處理的小麥單位面積最高分蘗數平均比對照增加14.5%,分蘗成穗率由對照的40.9%上升到44.4%,增加3.5%個百分點.方差分析表明,CO2處理和N處理對單位面積最高分蘗數的影響均達極顯著水平,對分蘗成穗率的影響均達顯著水平,但CO2和N互作效應對最高分蘗數和分蘗成穗率均無顯著影響,不同年度趨勢一致.說明FACE處理使小麥單位面積穗數顯著增加主要緣于最高分蘗數的增加.FACE小麥穗粒數平均比對照提高2.9%,其中2001—2002和2002—2003年分別提高2.6%和3.0%(圖1c).在LN、MN、HN條件下,FACE小麥穗粒數分別比對照增加1.6%、1.3%和5.0%.統(tǒng)計分析表明,CO2濃度對2002—2003年小麥的穗粒數有顯著影響,但對2001—2002年穗粒數的影響未達顯著水平;N處理以及CO2和N互作效應對穗粒數的影響均未達顯著水平,不同年度間變化趨勢一致.FACE小麥粒重平均比對照提高4.8%,其中2001—2002和2002—2003年分別提高7.8%和3.3%(圖1d).在LN、MN、HN條件下,FACE小麥粒重分別比對照增加5.8%、2.2%和1.9%.方差分析表明,CO2處理對兩季小麥的粒重均有顯著影響,N處理以及CO2和N互作效應對2001—2002年小麥粒重的影響達顯著和極顯著水平,但對2002—2003年小麥粒重無顯著影響.綜上所述,FACE處理使小麥顯著增產主要是由于單位面積穗數顯著增加的緣故,而單位面積穗數的增加主要是由最高分蘗數增加所致.4小麥生育期和產量氣室條件下的研究表明,高CO2濃度對小麥物候期有一定影響.李伏生等報道CO2濃度倍增使冬小麥西農8727抽穗提早7～8d(CO2處理時間為1個月),王修蘭等報道CO2濃度700μl·L-1處理的中麥3號抽穗期、開花期和乳熟期比350μl·L-1處理提前3～4d,500μl·L-1處理生育期提前1～2d(CO2處理從拔節(jié)期至乳熟期).美國小麥FACE定位試驗(全生育期進行CO2處理)結果表明,FACE處理使小麥花期提早2～4d,成熟期提早2～7d,但后來被認為這是由吹風機向FACE圈內噴CO2時對空氣的擾動作用所致,當對照圈也像FACE圈一樣裝吹風機時,則無論在氮素充足還是在缺氮條件下,FACE小麥的生育期(分蘗期到成熟期)僅比對照加快0.4d.改進后的中國FACE系統(tǒng)CO2釋放孔徑僅為1mm,在向圈內噴CO2時對空氣的擾動很小,因此其對生育期的影響可以忽略.本研究結果表明,FACE處理使小麥播種—抽穗期、抽穗—成熟期及全生育期天數分別縮短1.3、1.3和2.6d,與對照的差異均未達顯著水平.上述結果說明,開放式條件下CO2濃度增高對小麥生育期可能沒有顯著影響,氣室條件下高CO2濃度處理使小麥生育期縮短可能與控制設備的“壁箱效應”(特別是室內溫度的提高)有關,這還需更多的品種試驗來佐證.溫民等的開放式氣室研究表明,CO2濃度倍增使冬小麥京冬6號乳熟期和成熟期的株高增加12cm,增幅達18%(CO2處理2個月).白莉萍等報道灌漿末期兩個供試小麥品種594μl·L-1處理的株高分別比421μl·L-1處理增加6%和8%(CO2處理從開花期至成熟期).王修蘭等報道700、500μl·L-1處理的中麥3號乳熟期的株高分別比350μl·L-1處理增加12%和8%(CO2處理從拔節(jié)期至乳熟期).本研究FACE處理使小麥株高平均增高4%,盡管與對照差異達到顯著水平,但增幅明顯低于氣室條件下的研究結果,這可能也與氣室裝置的箱壁效應使室內溫度升高有關.高CO2濃度條件下,小麥株高的變化與穗長和節(jié)間長度的關系尚未見報道.FACE處理使小麥穗長、穗下第1、第2節(jié)間均顯著或極顯著增長,而對基部的幾個節(jié)間無顯著影響,這可能與生育早期小麥生長對高CO2濃度的響應較弱(與氣溫低有關),而生育中期響應能力明顯增強有關.由于小麥產量是一個重要的經濟參數,關于CO2濃度增加對小麥產量影響的報道較多.Cure對控制條件下的小麥產量進行了總結,認為在有充足水分和養(yǎng)分供應的條件下,小麥產量可增加19%,低氮條件下可增加9%(CO2濃度換算成550μl·L-1時的結果).其后又有不少學者對此進行了研究,但這些研究大都是在封閉或半封閉條件下進行的,在開放式條件下的研究甚少,目前只有美國有過這方面的零星報道.美國FACE定位試驗結果表明,在充足的氮和水分供應條件下FACE小麥產量平均增加13%,在氮素不足時平均增加8%.本試驗FACE處理使小麥籽粒