大氣 CO₂ 濃度及氣溫升高對水稻根系的影響

中圖分類號： S162.5Ω⁺3 ;S511文獻標志碼：A

文章編號：1673-6737（2025）05-0056-04

The Effects of Elevated Atmospheric CO₂ Concentration and Increased Temperature on Rice Roots

WU Su-ni1，REN Hai ¹ ，SUI Ya-yun1，JIA Hui-ming2，XU Jing-jie3 （1Liaoning Instituteof Saline-AlkaliLand Utilization，Panjin Liaoning 124O1o， China; 2 Jinzhou Urban Construction Service Center， Jinzhou Liaoning 121oo2， China; 3 Jinzhou Agricultural Development （Group） Co.， Ltd. Jinzhou Jinqing Preferred Agricultural Products Co.，Ltd.， Jinzhou Liaoning 121011，China）

Abstract： With global warming， elevated atmospheric CO₂ concentration and increased temperature have had relatively significant impacts onrice roots，furtheraffecting rice yield.Anincreasein atmospheric CO ^-2 concentration can affect the morphology， distributionandofguratioofceotsfuenetbsoptiofutrntsyeosndaltetespatoryratedee activityoftheroots，etc.Theimpactofrisingtemperatureontherootsystemofriceismainlyreflectedinthreeaspcts：root morphology，physiologicalfunctionandsoilenvironment.Inthefuture，efortsshouldbemadetoconductresearchonrelated influencemechanisms，interactionsandadaptabilityprovidingscientificsupportforriceproductiontobettercopewithclimate change.

Key words： CO₂ concentration; Temperature; Rice; Root system

在水稻的生長發育過程中，根系是其進行正常生命活動和完成整個生命周期的重要組成部分，不僅承擔吸收水分和無機養分的主要功能，還負責合成和釋放多種植物激素、有機酸、氨基酸以及生物堿等具有活性的化學物質[-2。根系發育的好壞直接關系到水稻的抗性、品質及產量，換言之，如果根系發育狀況欠佳，在很大程度上會造成水稻產量、品質的降低3-4。另外，水稻的根系結構和養分吸收過程直接關系到水稻的生長、產量和品質。水稻根系結構獨特，根系結構的形態和解剖特征對水稻在不同土壤和環境條件下的養分吸收能力具有關鍵影響。水稻依賴氮、磷、鉀等多種養分維持正常生長發育，而養分吸收效率不僅取決于根系結構，還受到土壤理化性質、水分狀況及溫度等環境因素的共同調控。

水稻作為我國三大主糧之一，在糧食供給中扮演重要角色。隨著全球氣候變暖，環境因素對水稻生長及產量的影響日益顯著，尤其是大氣CO₂ 濃度、氣溫升高對水稻根系產生了較為顯著的影響，從而進一步影響了水稻產量。在人口持續增長與氣候變化的雙重壓力下，推動水稻產量穩步提升，是當前我國糧食安全面臨的關鍵挑戰之一。探討大氣 CO₂ 濃度及氣溫升高對水稻根系的影響，并在此基礎上合理優化水稻生產，對于應對氣候變化、保障糧食安全具有重要意義。

1大氣 CO₂ 濃度及氣溫升高對水稻的影響概述

在過去很長一段時間里，由于人類大量使用煤炭、石油等礦物燃料，大氣中的 CO₂ 濃度持續升高。世界氣象組織（WMO）發布的《溫室氣體公報》顯示，2021年全球平均 CO₂ 濃度已近416μmol/mol ，較工業革命前上升了近 50% 。如果不加以遏制，預計到2050年，大氣中的 CO₂ 濃度可能持續升高至 500μmol/mol ，具體取決于未來的人類活動強度和減排措施實施情況8。

在當前全球氣候變化背景下，大氣 CO₂ 濃度的持續升高會對全球生態系統和農業生產產生深遠影響。作為C3植物，水稻對 CO₂ 濃度變化較為敏感。研究表明， CO₂ 濃度升高會對水稻的光合作用、生理代謝過程產生較大影響[9-]。不僅如此，大氣 CO₂ 濃度升高還通過溫室效應導致全球氣溫上升，而氣溫升高會進一步影響水稻的生長發育，包括根系呼吸速率、養分吸收效率及水分利用能力。值得注意的是，大氣 CO₂ 濃度升高與氣溫上升往往同時發生，二者對水稻的影響存在交互作用。一方面， CO₂ 濃度升高可能部分緩解高溫對水稻光合作用的抑制作用；另一方面，高溫可能削弱 CO₂ 濃度升高對水稻生長的促進作用。此外，土壤中的CO₂ 濃度也會隨之升高，從而對水稻的根系生長和發育產生直接或間接影響[]。

2大氣 CO₂ 濃度升高對水稻根系生長發育的影響

研究表明， CO₂ 濃度升高對水稻根系生長發育具有顯著影響[12-14]。高 CO₂ 濃度可促進水稻根系生長，改變根系結構，影響養分吸收和微生物活動，這些變化可能對水稻的整體生長和產量形成產生重要影響。然而，高 CO₂ 濃度對水稻根系的影響存在品種差異和地域特異性，需要進一步深入研究。

在水稻根系生長發育過程中， CO₂ 濃度升高會提高植株光合作用的效率，改變其根系形態。CO₂ 濃度升高對水稻根系形態的影響主要體現在根系長度、直徑、表面積和體積的變化上。研究表明，在高 CO₂ 濃度條件下，水稻根系長度顯著增加，尤其是側根和細根的生長更為明顯[1，15-I8]。這種變化有利于水稻吸收更多的水分和養分，以適應高 CO₂ 濃度下的生長需求。

CO₂ 濃度升高會影響水稻根系的分布和構型。研究發現，高 CO₂ 濃度下水稻根系在土壤中的分布更加廣泛，根系構型更加復雜。這種變化可能與高 CO₂ 濃度下水稻地上部分生長加快，需要更多的水分和養分支持有關。不同水稻品種對高CO₂ 濃度的響應存在差異，一些品種可能表現出更強的根系適應性[19-21]。

3大氣 CO₂ 濃度升高對水稻根系生理代 謝的影響

CO₂ 濃度升高對水稻根系生理代謝的影響主要體現在養分吸收、酶活性和激素水平的變化上[19-22]

研究表明，高 CO₂ 濃度能夠促進水稻根系的新陳代謝和對養分的吸收23，這可能與根系生長加快和根系活力增強有關。然而，長期高 CO₂ 濃度可能導致某些微量元素的可利用性降低，從而影響水稻的養分平衡[24]。

高 CO₂ 濃度可改變根系呼吸速率和酶活性。研究表明， CO₂ 濃度升高可提高根系脫氫酶和ATP酶活性，增強根系活力。同時，高 CO₂ 濃度還可促進根系氮代謝，提高硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，從而增強根系對氮素的吸收和同化能力[25]。

在分子水平上， CO₂ 濃度升高可調控水稻根系基因表達。轉錄組分析顯示，高 CO₂ 濃度可誘導多個與根系發育相關的基因表達發生變化。例如，一些與細胞分裂和伸長相關的基因表達上調[2，而與木質素合成相關的基因表達下調2。這些基因表達的變化可能解釋了高 CO₂ 濃度下根系伸長和直徑變細的現象。此外，高 CO₂ 濃度還可通過影響激素信號轉導途徑，如生長素和細胞分裂素途徑，調控根系發育[27.29]

4氣溫升高對水稻根系的影響

對于農作物水稻而言，適宜溫度對水稻的生物學過程起著十分重要的作用，環境溫度過高或過低都會對水稻的根系生長產生不利影響。當前，由氣候變暖導致的溫度升高，會對水稻的根系發育及形態產生不同程度的影響[0]。

溫度升高通常會縮短水稻的生育期，尤其是在營養生長階段，適度的增溫可以促進光合作用和碳同化，加速生長發育-32，這并不一定意味著生長季延長，反而可能導致生育期縮短，然而，在高緯度地區，溫度升高可能延長生長季，促進水稻生長，增加產量33]。但與此同時，極端高溫天氣出現的頻率和強度也有所增加，對水稻生長發育構成威脅，特別是對水稻根系而言，溫度升高改變了其生長環境，影響了根系的結構和功能，進而影響水稻的整體生長和產量形成[34-36

溫度升高對水稻根系的影響主要體現在根系形態、生理功能和土壤環境三個方面11.37]

在根系形態方面，適度升溫促進根系伸長和分枝，增加根長和根表面積，有利于水分和養分的吸收；然而，當溫度超過一定閾值時，根系生長受到抑制，根長變短，根系結構簡化[38]。

在生理功能方面，溫度升高影響根系活力、養分吸收效率和激素平衡。適度升溫提高根系活力，促進養分吸收和轉運[39-40]；但溫度過高會導致根系活力下降，養分吸收受阻，同時影響根系激素的合成和運輸，破壞根系與地上部的協調生長。

此外，溫度升高還改變了根際土壤環境，影響微生物群落結構和土壤養分有效性，進而間接影響根系生長發育[41-42]。

5氣溫升高對我國農業生產的影響及水稻方面的應對措施

近幾十年來，全球變暖導致我國地表平均氣溫的上升幅度明顯高于北半球平均氣溫；未來30年，我國區域平均極端最高溫度將上升1.7～2.8℃C[43]。東北地區是我國區域內氣溫上升最為明顯的地區之一。有關報告顯示，預計到21世紀末，在低排放情況下，東北區域平均氣溫可能上升 1.2～ 2.0^qC ；在中等排放情況下，氣溫可能上升 3.3～3.9 C ;在高排放情況下，氣溫可能上升 □

與全球年平均氣溫上升速率相比，近50年來我國平均氣溫上升速率明顯偏高，這一變化給農業生產帶來了顯著影響[45-4。例如：增加了農作物生長期積溫，降低了低溫冷害的發生頻次但仍未減弱其影響4；農業旱澇災害發生的頻次增加，強度增大；農業病蟲害加重[4；水稻發生高溫熱害的概率升高。

應對溫度升高給水稻根系（乃至水稻生產）帶來的影響，需要從多方面采取綜合措施。在品種選育方面，應選育耐高溫、根系發達的水稻品種，提高水稻對高溫的適應能力。在栽培管理方面，可通過調整播期、優化灌溉方式和改進施肥技術等措施，緩解高溫對水稻根系的不利影響[49-52]。

6結語

大氣 CO₂ 濃度及氣溫升高對水稻根系產生復雜且交互的影響，未來研究應重點關注長期高CO₂ 濃度對水稻根系的影響機制，以及如何通過育種和栽培措施提高水稻根系對高 CO₂ 濃度的適應性。同時，應加強 CO₂ 濃度升高與其它環境因子（如溫度、水分）交互作用對水稻根系影響的研究，為水稻生產應對氣候變化提供更全面的理論依據和實踐指導。

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