開放式空氣CO2濃度升高對中筋小麥揚麥14產量形成的影響

吳 越，胡 靜，宋學堂，劉古春，徐曉杰，楊連新，王余龍，朱建國

(1.江蘇省 (武進)水稻研究所，江蘇 武進 213175;2.揚州大學 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇 揚州 225009;3.中國科學院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008)

隨著工農業生產的發展，特別是石化燃料的大量使用，大幅度地增加了CO2、甲烷等溫室氣體在大氣中的濃度，人類即將面臨高CO2濃度的大氣環境。大氣中CO2濃度的不斷升高將引起全球氣候的明顯變化，對小麥等農作物生產將產生重大影響［1-13］。開放式空氣 CO2濃度增加 (free-air CO2enrichment，FACE)對小麥產量形成的影響已有一些報道，國外主要報道了春小麥品種的研究結果［14-18］，國內主要報道了弱筋小麥品種的研究結果［11-13］。為此，我們于2004-2005和2005-2006年在江蘇省江都市國內唯一的農田FACE平臺，就不同施氮量條件下FACE對中筋小麥揚麥14號生育期、株高、產量和產量構成因素的影響進行研究，以期揭示大氣CO2濃度升高對小麥產量及其構成因素的影響機理，預測可能的變化趨勢，也可為國家制訂糧食安全保障對策提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

該平臺建于江蘇省江都市小紀鎮良種場試驗田中 (地理坐標32°35.5’N，119°42’E)，試驗田土壤類型為清泥土。年均降水量980 mm左右，年均蒸發量 ＞1100 mm，年平均溫度14.9℃，年日照時間＞2100 h，年平均無霜期220 d，耕作方式為水稻、冬小麥輪作。土壤理化性質為有機碳18.4 g·kg-1，全氮 1.45 g·kg-1，全磷 0.63 g·kg-1，全鉀 14.0 g·kg-1，速效磷 10.1 mg·kg-1，速效鉀70.5mg·kg-1，砂 粒 (2 ～ 0.02 mm)578.4 g·kg-1，粉 砂 粒 (0.02 ～ 0.002 mm)285.1 g·kg-1，粘粒(＜0.002 mm)136.5 g·kg-1，容重1.16 g·cm-3，pH值7.2。平臺共有3個 FACE試驗圈和3個對照圈。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔＞90 m，以減少 CO2釋放對其他圈的影響。FACE圈設計為正八角形，直徑為12.5 m，通過FACE圈周圍的管道向FACE圈中心噴射純CO2氣體，電腦控制FACE圈內CO2濃度，使其自小麥苗期開始 FACE圈內 CO2濃度保持在570 μmol·mol-1左右。對照田塊沒有安裝 FACE管道，其余環境條件與自然狀態一致。

1.2 供試材料

供試小麥品種為中筋揚麥14號 (Triticum aestivum L.)。二裂區試驗設計，大氣CO2濃度為主區，施氮量為裂區。CO2濃度處理設對照 (370 μL·L-1，AMB) 和 FACE(570 μL·L-1)2 個 水平，施氮 量設 112.5kg·hm-2(LN)和 225 kg·hm-2(NN)2個水平，施磷、鉀量均為 75 kg·hm-2。重復 3次。2004-2005年試驗于 2004年11月4日條播，行距20 cm，播深約為3 cm。2葉末期間苗，基本苗為225萬·hm-2。11月2日施基肥 (施氮肥總量50%，磷、鉀肥總量的50%)，3月5日施拔節肥 (施氮肥總量的10%，P、K肥總量的10%)，4月5日施穗肥 (施 N肥總量的40%，磷、鉀肥總量的40%)。2005-2006年試驗于2005年11月5日播種，其他同2004-2005年試驗。適時進行病蟲草害防治，小麥生長發育正常。

1.3 測定內容與方法

每小區自出苗后定2點，每點標記30株，調查不同階段小麥葉齡、株高、莖蘗數，根據莖蘗動態分析計算最高莖蘗數和分蘗成穗率;成熟期每小區調查2 m2以上，折算單位面積穗數;根據每株平均穗數取15株調查每穗粒數，求取平均每穗粒數和群體總結實粒數，測定千粒重，同時測定成熟期干物重;成熟期收獲時，小區內連續收割2 m2(割方)，計算實際產量。

1.4 數據處理

試驗數據均用 Excel進行數據處理，SAS、SPSS進行統計分析，Excel進行圖表繪制。各處理的比較采用最小顯著差法 (LSD)法，凡超過LSD0.05(或 LSD0.01)水平的視為顯著 (或極顯著)。

2 結果與分析

2.1 FACE處理對小麥產量及其構成因素的影響

2.1.1 產量

2004-2005年和2005-2006年試驗FACE處理小麥產量比對照增產13.83%;NN、LN條件下分別增產13.09%和14.67%。其中，2004-2005年試驗平均增產9.88%，NN、LN條件下分別增產9.76%和10.02%;2005-2006年試驗平均增產18.61%，NN、LN條件下分別增產 17.1%和20.35%(圖 1)。

方差分析結果表明，FACE處理、氮處理均對小麥產量有顯著或極顯著影響，且年度趨勢基本一致。說明FACE處理能顯著提高小麥產量，增施氮肥也能顯著提高小麥產量，但FACE和氮對產量的影響無顯著的互作效應。

2.1 2產量構成因素

FACE處理小麥單位面積穗數平均比對照提高8.14%，2004-2005年和2005-2006年試驗分別提高 4.98%和 11.98%。在 NN、LN水平下，FACE處理小麥單位面積穗數分別比對照增加7.50%和8.87%。方差分析表明，氮處理對小麥單位面積穗數的影響達到顯著水平，而FACE處理、FACE與氮的互作效應均未達到顯著水平。單位面積穗數為主莖穗和分蘗穗之和，由于主莖穗相同，因此穗數的差異主要由分蘗穗不同所致。分蘗穗為最高分蘗數和成穗率乘積。由表1可知，FACE處理的小麥單位面積最高分蘗數平均比對照增加5.51%，分蘗成穗率平均比對照增加7.02%。方差分析表明，FACE處理對2季小麥單位面積最高分蘗數影響顯著，而對分蘗成穗率影響不顯著。氮處理均未對小麥單位面積最高分蘗數和分蘗成穗率產生顯著影響。說明FACE處理促進了小麥分蘗的發生，顯著提高了最高分蘗數，同時提高了分蘗成穗，是FACE小麥單位面積穗數多于對照的原因。

FACE處理使小麥每穗粒數平均比對照提高5.39%，2004-2005年和2005-2006年試驗分別比對照提高10.32%和1.98%。NN、LN水平下，FACE處理小麥毎穗粒數分別比對照增加9.42%和3.43%。統計分析表明，FACE處理對2005-2006年試驗小麥的毎穗粒數有顯著影響，但對2004-2005年試驗的影響未達顯著水平。氮處理、FACE與氮的互作效應未達顯著水平。

FACE處理使2004-2006年2季小麥千粒重平均比對照增加2.7%，其中2004-2005年試驗和2005-2006年試驗分別比對照提高2.32%和3.35%;NN、LN水平下，FACE處理小麥千粒重平均比對照增加3.31%和2.36%。方差分析表明，FACE處理對2005-2006年試驗小麥千粒重有顯著影響，但對2004-2005年試驗的影響未達顯著水平。氮處理、FACE與氮的互作效應未達顯著水平。

綜上所述，單位面積穗數、每穗粒數、千粒重的提高是FACE處理小麥顯著增產的重要原因，單位面積穗數的作用大于每穗粒數，每穗粒數的作用大于千粒重。

圖1 FACE處理對小麥產量和產量構成因素的影響

表1 FACE處理對小麥最高分蘗數和分蘗成穗率的影響

2.2 FACE處理對小麥生物產量和經濟系數的影響

2.2.1 生物產量

由圖2可知，FACE處理使2004-2006年2季小麥生物產量平均比對照增加12.10%，其中2004-2005年、2005-2006年試驗分別增加5.06%和19.06%;NN、LN水平下，FACE處理小麥生物產量分別比對照增加10.22%和14.32%。方差分析表明，FACE、氮處理均對2季小麥生物產量達到顯著或極顯著水平，而FACE與N的互作效應不明顯。

2.2.2 經濟系數

由圖2可知，FACE處理使2004-2006年2季小麥經濟系數平均比對照增加8.77%，其中2004-2005年、2005-2006年試驗分別增加13.42%和4.54%;NN、LN水平下，FACE處理小麥經濟系數分別比對照增加11.57%和5.65%。方差分析表明，FACE處理及FACE與氮的互作效應均未對2季小麥經濟系數產生顯著影響，而氮素處理能極顯著提高小麥經濟系數。

圖2 FACE處理對小麥生物產量和經濟系數的影響

水稻產量為生物產量和經濟系數的乘積。上述結果表明，FACE處理使2季小麥生物產量大幅度提高是FACE小麥產量比對照顯著增產的重要原因，經濟系數對FACE小麥增產有一定的積極作用。

3 小結和討論

3.1 關于CO2濃度升高對小麥產量及其構成因素的影響

國內外研究表明，CO2濃度升高可使小麥增產，且增幅與水分、溫度、土壤等因素有關［18］;在FACE條件下，CO2濃度增加，小麥增產8%～25%，但增幅少于氣室條件。本試驗表明，FACE處理使小麥平均增產87.09 g·m-2，增幅13.83%，從增產的相對量和絕對量來看，結果與前人結論基本一致。分析還表明，FACE處理和氮處理產量差異均達顯著水平，說明提高FACE濃度與提高施氮量對產量影響較大。盡管國內外FACE研究結果指出，CO2濃度升高對小麥增產有積極的效果。但也有人在氣室條件下研究表明，過高的CO2濃度使小麥減產。因此，對于國內外的FACE試驗，我們是否應更多的關注CO2濃度變化與小麥增產幅度的對應關系;另外，氮素與CO2濃度的配合使用也應更多的講究互作效應。

小麥產量是由小麥單位面積穗數、毎穗粒數和千粒重3個因素共同作用的結果。已有的FACE研究表明，CO2濃度增加，單位面積穗數、每穗粒數、千粒重均有所增加 (但也有CO2濃度增加對千粒重產生負效應的報道);本研究表明，FACE處理使中筋小麥單位面積穗數增加8.14%、每穗粒數增加5.39%、千粒重增加2.7%，對產量的影響作用為單位面積穗數＞毎穗粒數＞千粒重。使小麥單位面積最高分蘗數增加5.51%、分蘗成穗率增加7.02%，說明FACE處理促進了小麥分蘗的發生，提高了最高分蘗數，同時提高了分蘗成穗，是FACE小麥單位面積穗數多于對照的原因，這與國內外的研究結果基本一致。而增施氮肥對每穗粒數有積極的促進作用，對千粒重有抑制作用，這與國外的研究結果不一致，但與楊連新等［13］對弱筋小麥的研究結論一致，這也進一步論證了供試品種、試驗地點緯度等因素不同而對實驗結果有較大影響的結論。

3.2 關于CO2濃度升高對成熟期小麥生物產量及其經濟系數的影響

小麥產量又可以表達為成熟期小麥生物產量與經濟系數的乘積。國內相關研究指出，溫明等［11］在氣室條件下CO2濃度增加且氮素充足的前提下，地上部分成熟期生物產量增加26.1%～40.6%;在FACE條件下，成熟期小麥生物產量增加10%～18%。楊連新等［13］對國內的弱筋小麥研究也認為，FACE處理使成熟期小麥干物重顯著增加。本研究表明，FACE處理使生物產量顯著增加12.10%，與已有國內外小麥FACE研究的報道基本一致，但要低于氣室條件下的研究結果。

關于CO2濃度升高對經濟系數的影響，氣室和FACE條件下所得結果基本一致，即CO2濃度升高對小麥經濟系數的影響較小;有研究還表明，經濟系數的變化與土壤水分、氮素及氣溫等有關。本試驗表明，FACE處理使小麥經濟系數比對照平均增加8.77%，未達到顯著水平;氮素處理使得NN比LN平均增加14.7%，達到極顯著水平。所得結論與前人基本一致，但由于小麥經濟系數與土壤、水分、品種、氣候等因素存在密切關系，具體機理還有待進一步分析研究。

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