二氧化碳濃度對于大豆產量的影響

[摘 要] 隨著工業生產的進步，空氣中二氧化碳的濃度在逐年上升，除了造成溫室效應等環境危害外，對植物生長也會產生一定程度的影響。二氧化碳對植物的影響有兩大方面：光合作用和呼吸作用。從光合作用來看，在短期范圍內，二氧化碳濃度的升高能促進植物的光合作用，但是這種提高并不是全方位的，鈣、鋅、硒等元素含量的升高也會抑制鉀、鐵等元素的合成，造成含量的降低。本文主要以大豆作為植物樣本，研究二氧化碳濃度對大豆產量的影響。

[關鍵詞] 二氧化碳濃度；大豆產量；光合作用

[中圖分類號] S565.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）12-50-2

工業革命以來，受人類活動影響，全球氣候變暖問題不斷加劇，各行各業對二氧化碳濃度的認識和重視都在發生轉變。在農業生產科研領域，對二氧化碳對植物生長影響的研究逐漸成為了熱點。其中，大豆作為主要的糧油產物，加之對二氧化碳濃度的敏感性在試驗中具有操作便捷性，針對其生長發育和生物產量的影響因素研究從未減少，二氧化碳作為生態環境因素對大豆中蛋白質、脂肪和營養元素等的合成有重大影響。

1. 二氧化碳濃度對光合作用的影響

1.1 光合作用原理

二氧化碳對大豆產量的影響主要表現在光合作用過程中，因此，分析掌握光合作用的作用原理是探究試驗的理論準備。二氧化碳參與植物光合作用的第一階段，其濃度變化更是直接影響大豆的光合生化過程中的光合速率和凈光合產物量。植物的光合作用原理主要就是指葉綠體在光照情況下，將經由氣孔進入植物內部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成為淀粉等能源物質，同時釋放氧氣。在光合作用過程中，光合色素是反應植物利用光合有效輻射能力的重要指標，二氧化碳濃度是反應光合速率所受外界環境影響的重要因素。但是，光合色素的合成過程屬于自體合成，因此，二氧化碳濃度的變化就是外界環境中影響光合作用的重要條件，也成為試驗的變量條件。除了二氧化碳濃度之外，大豆生長環境中的溫度、光強、土壤水分、營養狀況都會直接影響不同生長階段大豆的光合作用，最終影響大豆的生長和發育。

1.2 二氧化碳濃度對大豆不同部位的影響

葉片是光合作用的主要場所，所以大豆的生長發育取決于葉片的大小、面積、光合作用能力等因素的影響。但是，大豆植物的產量卻不僅僅受葉片和葉片產生的光合作用影響。二氧化碳濃度直接影響大豆生長發育環節中的光合作用反應階段，但是，光合作用在大豆植物不同部位產生的營養物含量并不相同。因此，二氧化碳濃度對大豆不同部位的生長也存在較大的影響。從大豆生長發育整體情況來看，隨著時間的推移，大豆的株高、莖粗、主莖節數、主莖分枝數及第一節間長都會隨之呈現出增加趨勢[1]。但是，不同的部分生長變化程度不同。光合作用后產生的營養元素以及干物質的積累、分配、輸出和轉移等生化環節的不同，二氧化碳濃度對大豆不同部位生長影響的最終表現不同。

1.3 長短期高濃度二氧化碳對大豆生長的影響

大豆對外界環境中二氧化碳的濃度變化比較敏感，因此影響光合作用進而影響大豆生長的主要因素變化是定量二氧化碳濃度的持續時間。長期高濃度二氧化碳對大豆生長的影響表現在對大豆光合速率的影響作用方面，進而影響大豆在生理形態上發生變化，曲線變化表現為促進作用的逐漸降低。大豆在長期高濃度二氧化碳的環境中，容易使大豆產生光合適應現象，最終使得非氣孔內部阻力增加，淀粉積累，大豆產量增加。在長期的高濃度二氧化碳濃度作用下，大豆的光合作用系統會隨之發生變化，主要表現在葉綠素蛋白質及相關的光合作用酶系統蛋白的提高，但在籽粒中表現為蛋白質、核酸、部分氨基酸和纖維素有不同程度的降低。短期高濃度二氧化碳對大豆生長的影響就是通過影響短期的光合作用，提高羧化速度；通過抑制呼吸作用，減少消耗[2]。但是，短期高濃度二氧化碳也會對大豆植物內的電子傳遞速率以及營養物質的合成、運輸、利用產生制約。

1.4 植物生長與農作物產量

植物生長與農作物產量并不是同一概念，而是相互間存在正比例關系的順承。光合作用促進植物生長，植物的生長發育促進作物產量增長。對于大豆植物而言，在控制其他環境條件基本相同的情況下，二氧化碳濃度的變化直接影響光合作用的產物種類，高濃度二氧化碳條件下，光合作用的反應產物是碳水化合物；低濃度二氧化碳條件下，光合作用的反應產物是蛋白質，二者之間的不同直接表現在大豆的產量上。其次，因為細胞質和葉綠體之間的淀粉與糖代謝是受無機磷濃度調節的，并且第九葉與旗葉、葉肉與維管束鞘細胞中葉綠體的超微結構對磷和高二氧化碳濃度的反應不同，所以也會影響營養物質的產生和積累，影響作物產量。碳水化合物如淀粉積累、氮的重新分配和利用、生化水平的調節等方面，都會對植物生長與農作物產量產生影響[3]。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

選用相同大豆種子，并于同一時間在相同的環境中播種，在生長發育期間進行空間二氧化碳濃度的變化控制，變化期基本選在種子萌發長出第一片真葉后期，對照正常空氣中二氧化碳的濃度進行相應變量的控制，之后在生長期也要注意對大豆植株水分、鹽分、營養元素的追加。

2.2 試驗設計

試驗設計期主要關注點是控制變量法的實際設計，大豆種植盆要注意對土壤質地一致性的保障，以及對控制二氧化碳濃度的操作空間的設定。選用黃褐土后，對維持穩定的pH數值，有機質含量，氮、鉀、磷等營養元素的含量進行統一化處理。制作形狀為六邊形結構、室壁為無色透明玻璃、大小合適的開頂式氣室做大氣二氧化碳濃度增加控制試驗操作室。具體的通氣控制期是在大豆出苗后，開始進行二氧化碳濃度的升高，注意相應的濃度階差，全天供氣直至成熟供氣結束，試驗中設置二氧化碳的不同濃度為單一變量進行控制。

2.3 檢測數據和結果

對二氧化碳濃度變化（mg/kg）、大豆植株的株高（cm）、結莢數（個/盆）、空莢率（%）和籽粒產量（克/盆）進行數據記錄，結果發現，二氧化碳濃度每升高100 mg/kg，大豆的株高增長10 cm左右，結莢數變化不明顯，空莢率降低10%左右，最終產量增加近20%。分析試驗數據發現，大豆的苗期、開花期、鼓粒期的生長發育情況隨著二氧化碳濃度每升高100 mg/kg，漲幅分別是10.2%～36.7%、13.2%～34.7%、13.9%～49.4%。

大豆作為主要的經濟作物和糧食作物，其營養價值非常高，飽含的大豆蛋白更是含有豐富的氨基酸可供人體吸收。試驗中供氣二氧化碳的具體濃度數值和濃度梯度變化，可計算二氧化碳的添加總量與泄露總量的差值得出大豆對二氧化碳的凈吸收值。最終結合大豆的平均光合效率，計算出大豆的平均生產率和總產量。基于試驗數據，要結合光合作用初級產物碳水化合物衍生轉化過程理論，總結出大豆脂肪和蛋白質含量之間的正負關聯效應，從正側多面進行大豆實際生長量和產量評估。控制變量法進行的試驗，對試驗數據的具體實用價值仍有爭論，因為不僅是二氧化碳濃度對大豆的最終產量有影響，大豆的品種、種植地域、土壤肥力等都會直接影響到大豆的實際品質和產量。

3 結語

隨著農業科技的發展，對大豆等主要經濟作物的生長發育和質量產量的研究愈加廣泛。環境中二氧化碳濃度的升高對大豆的光合作用、生長發育、作物產量都具有促進作用。在植物生長過程中，光照、溫度、水分、二氧化碳等條件都能夠對植物生理代謝產生影響。大豆脂肪和蛋白質含量的變化是高濃度二氧化碳對植物體有關光合基因的表達調控結果。根、莖、葉等不同的部位對二氧化碳的濃度變化會表現出不同的作用效果。

參考文獻

[1]楊淞超，李彥生，劉曉冰.大氣CO2升高對大豆生理指標及產量影響的研究進展[J].大豆科學，2015（6）：1075-1080.

[2]張仟雨，宗毓錚，董琦.大氣CO2濃度升高對大豆光合生理的影響[J].山西農業科學，2016（11）：1675-1679.

[3]張朋，張文會，苗秀蓮.CO2濃度倍增對大豆生長及光合作用的影響[J].大豆科學，2010（1）：64-67.