农田开放式空气co

农田开放式空气co

1气室和空气气室的研究不可否认，联合国环境规划部政府间气候变化委员会估计，未考虑的co2浓度可达到650720l-1。由于co是自然界的底物，上升的co浓度将不可避免地对植物生态系统产生重大影响。因此，增加太空气体浓度一直是国内外生态和农业领域的研究热点。为了研究co2的增加对作物生长发育的影响，在20世纪90年代之前，主要研究将植物放置在co2浓度高的控制环境（ce）或开放气室（oct）中。上述封闭或半封闭设备（被称为气室）的最高co浓度提供，并且箱壁的影响也显著不同室内作物地上和地下两侧的其他环境因素在自然状态下是相同的。因此，在这些设备中观察到的数据不一定是co2的增加，也不符合自然生态条件下co2的增加。因此，这些设备中观察到的数据不仅是co2的增加，而且可能与自然生态条件下co2的增加完全一致。开放空气coe2的浓度增加（免耕自然生态环境，光谱系统）系统避免了这些限制，以模拟未来co2浓度的微区域生态环境。根据植物冠层co浓度的测定结果，通过系统管理实时调整co3环中的co浓度，以保持co3环的浓度值。由于相机环没有绝缘设施，气体可以自由流动，因此非常接近自然生态环境。国际上广泛认为，这是在研究co2浓度增加对生态系统反应的理想方法。小麦(TriticumaestivumL.)是世界上最重要的作物之一,近十几年来,有关CO2浓度增加对小麦生长发育、产量形成影响的研究较多,但在开放式条件下研究较少.目前,只有美国在高纬度地区进行了这方面的研究,在稻麦轮作生态系统条件下尚未见相关报道.中国于2001年在江苏无锡建立了世界上第1个稻麦轮作生态系统FACE研究平台,主要用于研究稻麦生长发育、产量和品质等对大气CO2浓度增高的响应.本文就2001—2002和2002—2003年度不同施氮量条件下FACE对优质弱筋小麦宁麦9号生育期、株高、产量和产量构成因子的影响进行研究,以期为评价大气CO2浓度增高对中国小麦生产的可能影响及制订减缓CO2浓度增高不良影响的对策与措施提供依据.2材料和方法2.1调度场及装置设计试验于2001—2003年在中国稻麦轮作FACE研究技术平台上进行.该平台于2001年在江苏省无锡市安镇镇年余农场实验田中(31°37′N,120°28′E)建立.该区年降水量1100～1200mm,年平均温度约16℃,年日照时间多于2000h,年无霜天数230d以上.耕作方式为水稻、冬小麦轮作,6月中旬—10月中下旬为水稻生长季,11月初至次年5月底或6月初为小麦生长季,两茬作物之间,旱田裸露闲置.实验田土壤类型为黄泥土,耕作层厚度(13.0±1.6)cm,土壤容重(1.2±0.7)g·cm-3,总孔隙度(54±2)%,砂粒(1～0.05mm)9.2%,粉砂粒(0.05～0.001mm)65.7%,粘粒(<0.001mm)25.1%,有机质含量(25.8±0.4)g·kg-1,全氮(1.59±0.25)g·kg-1,全磷(以P2O5计)(1.23±0.32)g·kg-1,速效磷10.4mg·kg-1,pH6.8.平台共有3个FACE实验圈和5个对照圈,对照圈与FACE圈、FACE圈与FACE圈间的距离均大于90m.FACE圈设计为正八角形,对边距为12m,通过FACE圈周围的管道向FACE圈中心喷射纯CO2气体,放气管的高度调节在作物冠层上方50～60cm,以保证作物冠层上方有足够高的CO2浓度及气体扩散空间.FACE圈的有效试验面积为80m2,对照圈的面积与FACE圈相同,没有进行加气处理.利用计算机网络系统对FACE平台的CO2浓度进行监测控制,根据大气中的CO2浓度,风向、风速,作物冠层CO2浓度及昼夜等因素的变化调节CO2气体的释放速度及方向,以实现FACE圈的CO2浓度高于周围大气CO2浓度200μl·L-1.2.2施磷量、施苗肥及正常施肥2001—2002和2002—2003年试验供试材料均为弱筋小麦品种宁麦9号.二裂区试验设计,大气CO2浓度为主区,施氮量为裂区.CO2浓度处理设对照AMB(370μl·L-1)和FACE(570μl·L-1)2个水平,施氮量2001—2002年设125(LN)和250kg·hm-2(HN)2个水平,2002—2003年设90(LN)、180(MN)和250kg·hm-2(HN)3个水平,两季施磷量均为75kg·hm-2.FACE圈重复3次,对照圈重复5次.2001—2002年,11月15日免耕条播,密度为165×104株·hm-2,行距20cm,6月2日收割.11月13日施基肥(施N肥总量的40%,P肥总量的67%),12月4日施苗肥(施N肥总量的20%),3月3日施拔节肥(施N肥总量的20%,P肥总量的33%),4月5日施穗肥(施N肥总量的20%).小麦生长发育正常.2002—2003年,11月8日免耕条播,密度为180×104株·hm-2,行距25cm,6月6日收割.12月4日施苗肥(施N肥总量的60%,P肥总量的60%),3月4日施拔节肥(施N肥总量的20%,P肥总量的20%),4月5日施穗肥(施N肥总量的20%,P肥总量的20%).小麦生长发育正常.2.3小麦植株检测2002—2003年,在小麦成熟期各小区选取代表性植株20株测量株高、各节间长度和穗长.2001—2002和2002—2003年,各小区自出苗后定2点,每点标记45株,定期调查茎蘖数,根据茎蘖动态计算最高分蘖数和分蘖成穗率.成熟期每小区调查2m2的小麦植株,计算单位面积穗数,取其中代表性植株20株测定穗粒数和粒重.2.4处理数据数据均用SPSS10.0软件进行统计分析,Excel进行图表绘制.处理间比较采用最小显著差法(LSD).3结果与分析3.1小麦播种—FACE处理对小麦生育期的影响由表1可知,宁麦9号全生育期平均为208d,变幅为205～211d.FACE处理的小麦播种—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期较对照平均分别缩短1.3、1.3和2.6d.增加施N量使小麦播种—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期延长.统计分析表明,CO2处理、N处理及两者互作对小麦播种—抽穗期、抽穗—成熟期和全生育期的影响均未达显著水平.3.2显著水平:自变量测定由表2可知,FACE处理使小麦株高平均增加3cm,增幅4.0%.其中,LN、MN、HN条件下分别增加2.2、3.5和2.9cm,增幅分别为3.0%、4.9%和4.0%,均达显著水平;N处理和CO2与N互作效应对成熟期小麦株高的影响均未达显著水平.FACE小麦株高的增加与节间长度及穗长的变化有关.FACE小麦穗长、穗下第1、2节间的平均长度分别比对照增加0.2、1.2和1.0cm,均达到显著或极显著水平,对穗下第3、4、5节间长度的影响均未达显著水平.除了N处理对穗下第5节间有显著影响外,N处理和CO2与N互作效应对小麦穗长和其它节间长度的影响均未达显著水平.说明大气CO2浓度增高条件下,主要是由于穗长、穗下第1和第2节间明显伸长使宁麦9号株高显著增加.3.3车道处理对小麦产量和产量组成因素的影响3.3.11—FACE处理对小麦产量的影响2001—2002和2002—2003两年试验FACE处理的小麦产量比对照平均增加24.6%(图1a);LN、MN、HN条件下,分别增加15.2%、21.4%和35.4%.其中,2001—2002年平均增加19.2%,在LN、HN条件下,分别增加11.6%和26.9%;2002—2003年平均增加27.5%,在LN、MN、HN条件下,分别增加8.4%、21.4%和42.1%.方差分析表明,CO2处理、N处理、CO2与N互作效应对小麦产量均有显著或极显著影响,不同年度间趋势一致.说明随着施氮量的增加,小麦产量对高CO2浓度的响应能力增强.3.3.2co对小麦穗粒数的影响FACE小麦单位面积穗数平均比对照提高17.8%,其中2001—2002和2002—2003年分别提高11.2%和22.8%(图1b).在LN、MN、HN条件下,FACE小麦单位面积穗数分别比对照增加19.5%、5.9%和22.3%.方差分析表明,CO2处理和N处理对小麦单位面积穗数的影响均达极显著水平,而CO2和N互作效应对单位面积穗数的影响未达到显著水平.单位面积穗数由主茎穗数和分蘖穗数构成.分蘖穗数取决于最高分蘖数的多少与分蘖成穗率的高低.由表3可知,FACE处理的小麦单位面积最高分蘖数平均比对照增加14.5%,分蘖成穗率由对照的40.9%上升到44.4%,增加3.5%个百分点.方差分析表明,CO2处理和N处理对单位面积最高分蘖数的影响均达极显著水平,对分蘖成穗率的影响均达显著水平,但CO2和N互作效应对最高分蘖数和分蘖成穗率均无显著影响,不同年度趋势一致.说明FACE处理使小麦单位面积穗数显著增加主要缘于最高分蘖数的增加.FACE小麦穗粒数平均比对照提高2.9%,其中2001—2002和2002—2003年分别提高2.6%和3.0%(图1c).在LN、MN、HN条件下,FACE小麦穗粒数分别比对照增加1.6%、1.3%和5.0%.统计分析表明,CO2浓度对2002—2003年小麦的穗粒数有显著影响,但对2001—2002年穗粒数的影响未达显著水平;N处理以及CO2和N互作效应对穗粒数的影响均未达显著水平,不同年度间变化趋势一致.FACE小麦粒重平均比对照提高4.8%,其中2001—2002和2002—2003年分别提高7.8%和3.3%(图1d).在LN、MN、HN条件下,FACE小麦粒重分别比对照增加5.8%、2.2%和1.9%.方差分析表明,CO2处理对两季小麦的粒重均有显著影响,N处理以及CO2和N互作效应对2001—2002年小麦粒重的影响达显著和极显著水平,但对2002—2003年小麦粒重无显著影响.综上所述,FACE处理使小麦显著增产主要是由于单位面积穗数显著增加的缘故,而单位面积穗数的增加主要是由最高分蘖数增加所致.4小麦生育期和产量气室条件下的研究表明,高CO2浓度对小麦物候期有一定影响.李伏生等报道CO2浓度倍增使冬小麦西农8727抽穗提早7～8d(CO2处理时间为1个月),王修兰等报道CO2浓度700μl·L-1处理的中麦3号抽穗期、开花期和乳熟期比350μl·L-1处理提前3～4d,500μl·L-1处理生育期提前1～2d(CO2处理从拔节期至乳熟期).美国小麦FACE定位试验(全生育期进行CO2处理)结果表明,FACE处理使小麦花期提早2～4d,成熟期提早2～7d,但后来被认为这是由吹风机向FACE圈内喷CO2时对空气的扰动作用所致,当对照圈也像FACE圈一样装吹风机时,则无论在氮素充足还是在缺氮条件下,FACE小麦的生育期(分蘖期到成熟期)仅比对照加快0.4d.改进后的中国FACE系统CO2释放孔径仅为1mm,在向圈内喷CO2时对空气的扰动很小,因此其对生育期的影响可以忽略.本研究结果表明,FACE处理使小麦播种—抽穗期、抽穗—成熟期及全生育期天数分别缩短1.3、1.3和2.6d,与对照的差异均未达显著水平.上述结果说明,开放式条件下CO2浓度增高对小麦生育期可能没有显著影响,气室条件下高CO2浓度处理使小麦生育期缩短可能与控制设备的“壁箱效应”(特别是室内温度的提高)有关,这还需更多的品种试验来佐证.温民等的开放式气室研究表明,CO2浓度倍增使冬小麦京冬6号乳熟期和成熟期的株高增加12cm,增幅达18%(CO2处理2个月).白莉萍等报道灌浆末期两个供试小麦品种594μl·L-1处理的株高分别比421μl·L-1处理增加6%和8%(CO2处理从开花期至成熟期).王修兰等报道700、500μl·L-1处理的中麦3号乳熟期的株高分别比350μl·L-1处理增加12%和8%(CO2处理从拔节期至乳熟期).本研究FACE处理使小麦株高平均增高4%,尽管与对照差异达到显著水平,但增幅明显低于气室条件下的研究结果,这可能也与气室装置的箱壁效应使室内温度升高有关.高CO2浓度条件下,小麦株高的变化与穗长和节间长度的关系尚未见报道.FACE处理使小麦穗长、穗下第1、第2节间均显著或极显著增长,而对基部的几个节间无显著影响,这可能与生育早期小麦生长对高CO2浓度的响应较弱(与气温低有关),而生育中期响应能力明显增强有关.由于小麦产量是一个重要的经济参数,关于CO2浓度增加对小麦产量影响的报道较多.Cure对控制条件下的小麦产量进行了总结,认为在有充足水分和养分供应的条件下,小麦产量可增加19%,低氮条件下可增加9%(CO2浓度换算成550μl·L-1时的结果).其后又有不少学者对此进行了研究,但这些研究大都是在封闭或半封闭条件下进行的,在开放式条件下的研究甚少,目前只有美国有过这方面的零星报道.美国FACE定位试验结果表明,在充足的氮和水分供应条件下FACE小麦产量平均增加13%,在氮素不足时平均增加8%.本试验FACE处理使小麦籽粒