不同大氣CO2濃度升高與施氮互作對冬小麥光合與生長的影響

夏曄，胡正華*，劉超，劉曉萌，于凌飛，張琳，孫文娟，尤鈺杰

（1. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室，江蘇南京 210044；2. 中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室，北京 100093）

在全球工業飛速發展，人口數量不斷增加的背景下，人類活動引起的溫室氣體過度排放成為全球氣候變暖的主要原因[1]。CO2、CH4和N2O是重要的溫室氣體，總排放量占人為溫室氣體排放的98.2%并仍有繼續上升[2-3]。大氣CO2濃度從工業革命前的 280 μmol/mol上升到目前的 409 μmol/mol[4]。在此背景下，農作物對大氣CO2濃度升高的響應受到國內外學者廣泛關注。

已有研究表明，CO2濃度增加在一定程度上延長了作物營養生長時間，對作物生長有促進作用[5-6]，可以增加作物的株高、各組織生物量及產量，對地上干物質累積的貢獻大于地下部分[7-9]。CO2濃度升高對光合作用有直接影響：營養生長階段提高葉片光化學性能[10-11]，促進凈光合速率；生殖生長階段提高作物灌漿速率，促進籽粒產量形成[12-13]。但也有研究表明，長期處于高CO2濃度，初期作物凈光合速率會大幅增加，后期增幅減半并逐漸下降直至消失，出現光合下調現象[14-15]。尤其在大氣CO2濃度倍增的條件下，光合速率和葉綠素含量受抑制作用明顯[16]。氮素作為基本礦物元素，對植物生長發育具有重要意義，氮肥供應不足將阻礙葉片氮素吸收，是作物光合產物積累的重要限制因素[17]，在很大程度上影響著作物的生長發育狀況[18-20]。目前，CO2濃度升高對作物生理生態過程的影響研究，大多在高CO2濃度條件下進行，即CO2濃度驟增且長期保持在高CO2濃度。然而，大氣CO2濃度變化是一個逐漸增加的過程，不同CO2濃度對作物生理生態特性的影響程度可能存在著差異。不同CO2濃度水平對作物生長和產量結構影響方面的研究尚少，孫文娟等[13]對水稻進行不同濃度的CO2處理，發現與低CO2濃度升高相比，高CO2濃度升高增加了灌漿前期的穗重，并使最大灌漿速率出現的時間有所提前；劉超等[21]和劉曉萌等[22]研究表明，與低CO2濃度升高相比，高CO2濃度升高增加了葉片光合氮素利用效率。

本文利用開頂式氣室（OTC）組成的CO2濃度升高自動調控平臺，試圖通過對不同CO2濃度和氮肥水平下冬小麥葉片光響應曲線、CO2響應曲線的變化和植株地上器官干重的觀測，分析了CO2濃度升高和施氮水平對冬小麥光合作用、生物量和產量結構的影響，并探討了其可能機理，對預測未來不同碳排放情景下作物生產能力與合理施用氮肥具有重要意義，也為準確評估未來氣候變化對糧食安全的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

田間試驗于2016—2017年冬小麥生長季進行，試驗平臺位于南京信息工程大學農業氣象與生態實驗站（32.16° N，118.86° E），屬亞熱帶季風氣候區，全年降水季節性差異較為明顯，多年平均降水量1 102 mm，相對濕度76%，年平均溫度15.4 ℃，無霜期237 d。

供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，耕作層土壤質地為壤質粘土。黏粒含量為26.1%，土壤容重為1.57 g/cm3，土壤pH（H2O）值為6.3，有機碳和全氮含量分別為11.95 g/kg與1.19 g/kg。

1.2 CO2濃度自動調控平臺

田間CO2濃度自動調控平臺包括開頂箱（OTC）、CO2傳感器、自動控制系統和通氣裝置。OTC為正八邊形棱柱體（高3 m，對邊直徑3.75 m，底面積10 m2），鋁合金框架，頂部開口向內傾斜45°，安裝高透光性普通玻璃。每個OTC內配置CO2傳感器和溫濕度自動記錄儀，CO2傳感器（GMM222傳感器，Vaisala公司，芬蘭），量程為0～2 000 μmol/mol，響應時間30 s。自動控制系統主要由數據采集、主控板、加壓模塊、閥控制模塊、流量控制模塊和CO2感應模塊組成。通過計算機程序實現各個OTC內CO2濃度的自動監測和調節，保證OTC內CO2濃度維持在目標濃度值[23]。CO2氣源為高純CO2鋼瓶（40 L，純度為99%），利用匯流盤連接24個鋼瓶集中供氣。

1.3 試驗設計

每個OTC內分兩個區域：核心區與盆栽區，盆栽區位于核心區兩側。核心區用于研究CO2濃度升高對光合特性的影響，盆栽區用于研究CO2濃度升高與氮肥水平對生物量及產量結構的影響。

試驗的主處理為不同CO2濃度升高水平。CO2濃度設置3個水平：以環境大氣CO2濃度為對照（CK）、低CO2濃度升高（T1，CO2濃度在CK基礎上增加 40 μmol/mol）、高 CO2濃度升高（T2，CO2濃度在CK基礎上增加200 μmol/mol），每個水平有4個重復，共12個OTC。

試驗的副處理為不同氮肥水平。采用盆栽方法，使用無底盆缽，缽內徑和高均為20 cm。每個OTC使用30個盆缽（每側盆栽區15個）。兩側盆栽區均設置3個氮肥水平：不施氮肥（N0，0 kgN/hm2）、中氮肥量（N1，220 kgN/hm2）、高氮肥量（N2，400 kgN/hm2）。氮肥施用包括基肥和追肥，其中基肥為復合肥（N∶P∶K為15%∶16%∶16%），追肥為尿素（N含量為46.7%）。核心區將70%作為基肥（154 kgN/hm2）、30%作為返青肥（66 kgN/hm2）；盆栽區將80%作為基肥（N1為176 kgN/hm2，N2為320 kgN/hm2）、20% 作為返青肥（N1為 44 kgN/hm2，N2為 80 kgN/hm2）。

主處理和副處理的組合為：CKN0、CKN1、CKN2、T1N0、T1N1、T1N2、T2N0、T2N1、T2N2。

供試冬小麥品種為揚麥22，屬春性品種，弱筋小麥，全生育期187 d，于2016年11月15日播種，2017年2月6日返青，5月12日成熟。水分等其它管理措施與當地常規方式一致。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 光響應和CO2響應曲線的測定與模型 在拔節—孕穗期，使用Li-6400便攜式光合作用測量系統（Li-Cor Inc，Lincoln，NE，USA）測定不同光強和不同胞間CO2濃度下葉片凈光合速率（Pn）。光合有效輻射梯度設置為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50 和 0 μmol/(m2·s)，CO2濃度梯度設置為 1 500、1 200、1 000、800、600、440、400、300、200、100 和 50 μmol/mol，各梯度設置3個重復。

使用非直角雙曲線光響應模型確定光合作用參數[24]，表達式為：

式中 ：Pn為凈光合速率（μmol/(m2·s)），PAR 為光合有效輻射（μmol/(m2·s)），Q為表觀量子效率，Pnmax為最大凈光合速率（μmol/(m2·s)），k為光響應曲線的曲角（無量綱），Rday為暗呼吸速率（μmol/(m2·s)）。

使用指數CO2響應模型確定光合作用參數[25]，表達式為：

式中：Ci為胞間CO2濃度（μmol/mol），Rp為光呼吸速率（μmol/(m2·s)），α為羧化速率（CE，無量綱），CE=α(Pnmax+Rp)。

1.4.2 生物量與產量 生物量：于拔節—孕穗期和抽穗—開花期，在每個OTC兩側盆栽區，各隨機選取長勢均勻的1盆植株，即每種氮肥處理取了8盆（每種氮肥處理有4個OTC）。經105 ℃殺青40 min，80 ℃烘干至恒重后稱重。

產量：在12個OTC的核心區和盆栽區，各處理分別收獲有代表性的植株20株，殺青、烘干后稱重，分析小麥產量結構。

1.5 統計分析

利用Microsoft Excel對數據進行初步分析處理；通過SPSS21.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）實現模型的擬合與方差分析，用最小顯著差數法（LSD）進行多重檢驗（P＜0.05）；使用 Origin Pro 2016（Origin Lab Corp., Wellesley Hills, USA）軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 光合速率對光強和胞間CO2濃度的響應

通過非直角雙曲線模型模擬葉片Pn對光強變化的響應，使用指數模型模擬葉片Pn對Ci變化的響應，響應曲線的R2均達到0.94～0.99，擬合效果較為理想。當PAR 為 0 μmol/(m2·s)時，葉片Pn為負值，Pn隨PAR的增加而增加（圖1）。在低光強（PAR ≤ 200 μmol/m2·s)）條件下，凈光合速率與光強呈正相關 ；當 PAR＞500 μmol/(m2·s)時，增幅逐漸減緩并平穩，Pn值表現為CK＜T1＜T2，此時T2處理下的Pn與CK相比增加了19.93%（P=0.013）。在拔節—孕穗期，CK、T1和T2的Pnmax分別為40.61、44.71 和 45.76 μmol/(m2·s)。

在低Ci處（Ci≤ 300 μmol/mol），Pn隨 CO2濃度的升高而迅速增加，各處理間無明顯差異。隨CO2濃度繼續上升（Ci＞300 μmol/mol），T1、T2處理的Pn升高，平穩后Pn為 CK＜T2＜T1。在拔節—孕穗期，CK、T1和T2的Pnmax分別為58.52、58.92和60.46 μmol/(m2·s)。

圖1 凈光合速率（Pn）對光合有效輻射（PAR）和胞間CO2濃度（Ci）變化的響應Fig. 1 Response of net photosynthetic rate (Pn) to photosynthetic active radiation (P AR) and inter-cellular CO2 concentration (Ci)

2.2 光響應曲線參數和CO2響應曲線參數

表1為非直角雙曲線擬合方程所確定的小麥葉片光響應曲線參數。凈光合速率從一定程度上能反映冬小麥對所處環境的適應能力，與CK相比，T1和 T2處理的Pnmax增幅為 10.10%（P=0.292） 和12.68%（P=0.194），但無顯著差異。Rday影響了冬小麥葉片的生理活性，其中，T2與T1處理相比Rday增幅為54.29% （P=0.111），但均無顯著差異。Q反映了小麥的光能利用率，其值越高則葉片對光能的轉化效率越高，與CK相比，T1和T2處理對Q均無顯著影響。另外，不同CO2濃度處理對k無顯著影響。

表1 不同CO2濃度升高對光響應曲線參數的影響Table 1 Effect of elevated CO2 concentration on the parameters of light response curve

表2為指數擬合方程所確定的小麥葉片CO2響應曲線參數。由于光照條件下暗呼吸很小，光呼吸速率主要反映了葉片向空氣中釋放CO2的速率，而羧化效率反映了葉片對CO2的利用狀況。與CK相比，Pnmax、Rp和CE在T1、T2處理下均無顯著性差異，即CO2濃度升高處理對小麥葉片CO2響應曲線參數無顯著影響。

表2 不同CO2濃度升高對CO2響應曲線參數的影響Table 2 Effect of elevated CO2 concentration on the parameters of CO2 response curve

2.3 CO2濃度和氮肥水平對植株生長的影響

圖2 CO2濃度和氮肥水平對小麥株高的影響Fig. 2 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilization levels on plant height

不同CO2濃度處理下株高均表現為N0＜N1＜N2（圖2）。拔節—孕穗期，CK處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了24.24%（P=0.001）和36.36%（P=0.000）；T1處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了 17.73%（P=0.008）和 25.53%（P=0.002）；T2處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了18.44% （P=0.007）和27.66%（P=0.002）。抽穗—開花期，CK處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了18.99%（P=0.011）和31.84%（P=0.000）；T1處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了19.55%（P=0.023）和29.61%（P=0.020）；T2處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了24.74%（P=0.003）和27.32%（P=0.002）。T2N1與CKN1相比顯著增加了13.62%（P=0.044）。成熟期，T1處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了9.42%（P=0.000）和10.87%（P=0.000）；T2處理下，N1、N2與N0相比顯著增加了11.11%（P=0.020）和12.90%（P=0.009）。

如圖3所示，拔節—孕穗期，不同CO2濃度處理下，N1、N2與N0相比莖蘗數增加了約1倍，均表現為 N0＜N1＜N2；N1、N2與 N0相比綠葉干重增加了約 2 倍，均表現為 N0＜N1＜N2；T1N0與 CKN0相比，黃葉干重增加了60%（P=0.028）；N1、N2與N0相比，莖鞘干重和地上部分總生物量均增加了約1.5倍。抽穗—開花期，CKN1、CKN2與CKN0相比莖蘗數分別增加了42.86%（P=0.007）和80.95%（P=0.000），T1N1、T1N2與T1N0相比莖蘗數分別增加了36%（P=0.035）和 52%（P=0.005）；CK、T1處理下，N1、N2與N0相比綠葉干重均增加了約1倍；CK、T2處理下，N1、N2與N0相比黃葉干重均增加了約1.5倍；N1、N2與N0相比莖鞘干重均增加了約1倍；T2N1與CKN1相比，莖鞘干重增加了37.4%（P=0.035）；N1、N2與N0相比地上部分總生物量均增加了約1倍。

2.4 CO2濃度和氮肥水平對產量構成的影響

由表3可知，T1處理下，N1、N2與N0相比，籽粒數分別增加了29.69%（P=0.006）和42.27%（P=0.001）；T2處 理 下，N1、N2與 N0相 比， 籽粒數分別增加了16.66%（P=0.011）和19.19%（P=0.005）。CK處理下，N2與N0相比，籽粒凈重增加了31.37%（P=0.018）；T1處理下，N1、N2與N0相比，籽粒凈重分別增加了33.95%（P=0.005）和 48.71%（P=0.001）；T2處理下，N1、N2與 N0相比，籽粒凈重分別增加了25.57%（P=0.001）和26.54%（P=0.001）。CK處理下，N1、N2與N0相比，秸稈、穗軸和麥芒凈重分別增加了36.16%（P=0.006）和52.23%（P=0.001）；T1處理下，N2與N0相比，秸稈、穗軸和麥芒凈重增加了52.86%（P=0.016）；T2處理下，N1、N2與N0相比，秸稈、穗軸和麥芒凈重分別增加了20.78%（P=0.000）和25.88%（P=0.000）。T2處理下，N1、N2與N0相比，千粒重分別增加了7.79%（P=0.004） 和 6.23%（P=0.015）。CK 處 理下，N1、N2與N0相比，經濟系數均減少了6.90%（P=0.003）；T2N1與T1N1相比，經濟系數增加了1.82%（P=0.045）；T1N2與CKN2相比，經濟系數增加了3.70%（P=0.025）。

3 討論

3.1 光合特性

本研究所選用的非直角雙曲線光響應模型在擬合時考慮了曲線的凸起度[26]，使拐點更明顯，擬合的光合速率后期趨于平緩[27]，能更直觀的描述CO2濃度升高下凈光合速率對光合有效輻射和胞間CO2濃度變化的響應。以往有研究認為，CO2濃度在環境大氣CO2濃度基礎上升高200 μmol/mol能促進植物的光合作用，作物的凈光合速率約增加27%[14]，而本研究中CO2濃度升高200 μmol/mol處理下，冬小麥的凈光合速率增加了19.93%（P=0.013），表明CO2濃度增加對作物光合存在一定的促進作用。CO2濃度升高一定程度是增加了冬小麥光合參數Pnmax、Rday、Q等，但無顯著影響。有研究表明CO2濃度升高顯著降低了暗呼吸速率，提高了表觀量子速率[16]，但本研究中未出現顯著性差異，這可能與光合作用參數的觀測時期有關，本次試驗選在冬小麥拔節—孕穗期進行光合速率的測定。長期來看，氮素供給受限條件下，生長在高CO2濃度環境下的作物出現光合適應，一些研究認為這種現象與葉綠素含量和氣孔導度下降、光合量子傳遞和碳氮比例失衡等因素有關。作物復雜的生長過程及光化學反應各物質間的交互影響使得光合適應現象的機制需進一步深入研究。

圖3 CO2濃度升高和氮肥水平對小麥莖蘗數、葉干重、莖鞘干重和地上部分總干重的影響Fig. 3 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilization levels on the tiller number, leaf dry weight,stem dry weight and the total dry weight on the ground of wheat

表3 CO2濃度和氮肥水平對小麥籽粒產量結構的影響Table 3 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilization levels on grain yield structure of wheat

3.2 生物量積累

小麥株高是影響其是否高產的重要因素[28]，研究表明，高CO2濃度使冬小麥在拔節期、開花期和成熟期的株高都有所增加。其中，CO2梯度大棚的試驗中，CO2濃度升高到594 μmol/mol時，兩種供試冬小麥的灌漿期株高分別增加了5.8%和8%[29]。在江蘇的FACE試驗中，CO2濃度增加200 μmol/mol時，冬小麥成熟期株高增加4%[30]。本試驗研究中，CO2濃度升高對冬小麥株高的促進作用均低于上述研究，而施氮處理顯著增加了株高，這可能是冬小麥品種差異導致的。北京麥豆輪作miniFACE試驗中[31]，與施氮處理相比，CO2濃度升高僅顯著增加了拔節期冬小麥株高。本研究與上述結果不盡相同，其原因可能是試驗設置的氮肥水平高于前者，另外本試驗的供試品種揚麥22屬弱筋小麥，而北京的試驗為高筋小麥。

有研究表明，植株的生物量及干物質的累積隨著CO2濃度升高而增加，即CO2濃度升高具有“施肥效應”。CO2濃度升高促進了冬小麥地上部分的干物質以及碳氮積累[32-33]；FACE試驗中小麥在拔節—孕穗期、抽穗—開花期和收獲期的干物質累積量均有所增加[34]；在小麥整個生育期內CO2濃度升高和施氮處理使地上生物量相比于環境大氣CO2濃度和無施氮處理條件有明顯增加，且前者的促進作用更大[30]。本次試驗中，CO2濃度升高和施氮處理均使冬小麥地上生物量增加，但施氮處理對冬小麥地上生物量的促進作用更顯著，該結論與上述FACE試驗結果存在差異。其原因可能是施氮對作物產生直接影響，氮素是植體內葉綠素和蛋白質的重要組分，施氮處理直接促進了葉綠素含量，加快了光反應，增加了葉片蛋白質含量，而蛋白質是酶的主要組成部分，故有利于暗反應，進而增加干物質的累積。CO2濃度升高則是通過提高胞間CO2濃度，間接促進碳水化合物合成，從而增加作物干物質累積的[35]。本試驗中CO2濃度升高和施氮對地上生物量增加的促進作用大于FACE試驗，這可能是由于兩種不同控制試驗裝置下CO2濃度升高和施氮的肥效受其它環境因子擾動造成的。此外，本次試驗中，不同CO2濃度處理下，氮肥施用顯著提高了植株葉片干重和莖鞘干重，尤其在拔節—孕穗期T2處理下，N2水平的綠葉和莖鞘干重與N0相比，分別增加了2倍和1.5倍；在抽穗—開花期，N1水平下，T2與CK相比莖鞘干重增加了37.4%（P=0.035）；CO2濃度升高和施氮處理對小麥地上部分總干重的促進作用，在拔節—孕穗期和抽穗—開花期均表現為T2N2最強。可見，在拔節—開花期內，CO2濃度升高和施氮處理共同促進小麥干物質的積累，其中施氮處理對小麥生長前期物質積累的促進作用相對更大，而CO2濃度升高在中后期對其物質積累的促進作用相對更大。

3.3 產量構成

小麥的產量主要由籽粒數和籽粒重等決定，籽粒重主要受抽穗—開花期后物質積累過程影響。氮肥的施用在一定程度上促進了植株生長，有利于作物生長后期物質積累。北方冬小麥試驗中[36]，CO2濃度升高相較于施氮處理，對冬小麥籽粒數的促進作用更大，而施氮處理對千粒重的促進作用更大；南方FACE試驗中[31]，CO2濃度升高使籽粒數和千粒重顯著增加，但施氮處理及其與CO2濃度升高的交互效應對籽粒數和千粒重均無顯著影響；開頂式氣室試驗中[37]，CO2濃度升高和施氮處理共同影響了冬小麥的籽粒數和千粒重，具有一定的正向互作效應。本研究表明，CO2濃度升高時，施氮處理顯著增加了籽粒數，尤其在T1處理下，N1、N2與N0相比增加了29.69%（P=0.006）和42.27%（P=0.001），其原因可能是CO2濃度升高加快了葉片光合速率，抑制光呼吸強度，配合氮肥施用，進一步促進了冬小麥生長中后期物質積累。T2處理下，N1、N2與N0相比千粒重分別增加了7.79%（P=0.004）和6.23%（P=0.015），與CO2濃度升高相比，施氮處理顯著增加了冬小麥千粒重，此結果與南方FACE試驗不一致，該差異可能與冬小麥品種、CO2濃度升高水平和試驗方式等因素相關，有待進一步研究。

4 結論

高CO2濃度升高顯著增加了冬小麥葉片凈光合速率，從而促進葉片光合作用；施氮處理在拔節—孕穗期和抽穗—開花期顯著增加了冬小麥株高而CO2濃度升高在抽穗—開花期顯著增加了冬小麥株高；CO2濃度升高和施氮處理共同促進冬小麥干物質的積累，其中施氮處理對冬小麥生長前期物質積累的促進作用相對更大；CO2濃度升高與施氮處理主要通過增加籽粒數和千粒重共同影響冬小麥產量結構，其中低CO2濃度升高和高施氮處理對冬小麥籽粒數的促進作用最大。下一步研究可考慮使用CO2濃度升高處理收獲的種子和大田種子，連續開展幾個生長季的試驗，研究小麥對CO2濃度升高是否具有適應性或后代記憶效應。