不同密度条件下臭氧胁迫对水稻生长发育和产量形成的影响-FACE研究

【摘要】人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物未来的生长环境,其中一个显著的变化就是地表空气污染物臭氧(03)浓度的迅速上升。近地层臭氧浓度升高使水稻生长受抑进而使产量下降,但这种影响是否因不同栽培条件而异尚不清楚,特别在完全开放的大田条件下。超级稻作为中国自主创新的重大技术,对实现我国水稻单产再次飞跃具有重要意义,臭氧胁迫下超级稻的响应与其它类型品种有什么差异?其可能原因是什么?均不清楚。FACE(FreeAirgasConcentrationEnrichment)试验在完全开放的农田条件下运行,被认为是评估大气组份变化对作物产量实际影响的最佳方法。本研究依托中国O3-FACE平台,以超级稻Ⅱ优084和常规稻扬稻6号为试验材料,臭氧设置大气背景臭氧浓度和臭氧浓度升高(比环境大气臭氧高50%)两个水平,移栽密度设置低密度(16穴/m2)、中密度(24穴/m2)和高密度(32穴/m2)三种水平,研究不同移栽密度条件下地表03浓度升高对不同水稻品种生长发育、光合作用、物质生产、养分吸收以及产量形成的影响及其可能差异,为未来高浓度臭氧环境下构建新的水稻栽培技术体系,最小化水稻伤害提供试验依据。1.高浓度O3使Ⅱ优084抽穗期提前3d,成熟期缩短7d,但对扬稻6号生育进程没有影响。03与品种的互作对成熟期株高存在微弱的互作效应：高浓度03使Ⅱ优084株高下降8%,但对扬稻6号株高没有影响。2.高浓度03对单位面积穗数无显著影响,但使每穗颖花数、饱粒率、饱粒重平均分别降低9.9%、9.3%和3.4%。不同品种相比,臭氧胁迫对Ⅱ优084每穗颖花数、单位干重形成颖花数、饱粒率和饱粒重的影响明显大于扬稻6号,表现在臭氧与品种对这些参数均有一定互作效应。臭氧、品种和密度三因素对每穗颖花数存在显著的互作效应：高浓度O3使扬稻6号每穗颖花数在低密度下显著降低,在高密度下略有增加,高浓度03对Ⅱ优084每穗颖花数的影响在不同密度间无显著差异。3.高浓度03对水稻产量的影响因品种而异。高浓度03使水稻籽粒产量平均下降235gm-2,降幅为24.5%,其中扬稻6号和Ⅱ优084籽粒产量分别下降142、279gm-2,降幅分别为15.9%和27.3%。臭氧、品种和密度三因素间存在微弱的互作效应：扬稻6号产量对高浓度03的响应随密度的提高而降低,Ⅱ优084产量的响应不同密度间无显著差异。4.高浓度03使水稻分蘖期、拔节期和抽穗期叶面积系数平均降低16.9%、9.5%、13.8%,Ⅱ优084对臭氧胁迫的响应略大于扬稻6号。高浓度03对水稻分蘖至拔节期净同化率无显著影响,但使拔节至抽穗净同化率平均下降11.6%。臭氧×品种、臭氧×品种×密度对拔节至抽穗期净同化率有显著互作效应。高浓度03使Ⅱ优084叶片SPAD值在移栽后63d、77d和86d平均分别降低5.9%、10.5%和12.5%,降幅随时间推移逐渐增加。5.高浓度03使Ⅱ优084叶片净光合速率在移栽后77d和86d分别下降18%和26%,使叶片气孔导度在移栽后77d和86d分别降低30%和59%。高浓度03对移栽后77d胞间C02浓度和蒸腾速率没有影响,但使移栽后86d分别下降10%和68%。高浓度03使Ⅱ优084移栽后77d的Yield(实际光量子效率)、Fo(暗适应的最小荧光)、qP(光化学荧光淬灭系数)分别下降11%、6%和7%,使qN(非光化学荧光淬灭系数)增加12%。6.高浓度03使水稻成熟期生物产量平均下降22%。不同生育阶段看,高浓度03使水稻分蘖至拔节期、拔节至抽穗期、抽穗至成熟期物质生产量平均分别降低6%、21%、32%。高浓度03使水稻拔节期和抽穗期绿叶占地上部总重的比例分别增加3.0%、5.9%,使茎鞘占地上部总重的比例在拔节期、抽穗期和成熟期分别下降2.8%、2.3%、6.3%,使收获指数下降4.5%。臭氧x品种对结实期物质生产量以及收获指数均有显著影响,Ⅱ优084对臭氧的响应明显大于扬稻6号。另外,臭氧×密度对成熟期生物产量亦有一定互作效应。7.高浓度03使Ⅱ优084拔节期、抽穗期和成熟期茎鞘可溶性糖浓度分别下降22%、21%和32%,使对应时期茎鞘淀粉浓度分别下降27%、17%和36%,使茎鞘非结构性碳水化合物浓度分别下降24%、19%和33%。高浓度O3使Ⅱ优084拔节期、抽穗期和成熟期茎鞘可溶性糖含量分别下降28%、35%和44%,使对应时期茎鞘淀粉含量分别下降34%、35%和47%,使茎鞘非结构性碳水化合物含量分别下降31%、35%和45%。8.高浓度03使水稻地上部全株含N率在拔节期、抽穗期、成熟期平均分别增加6.2%、9.2%、13.4%。臭氧胁迫对扬稻6号各生育期地上部N素累积量均无显著影响,但使Ⅱ优084分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期地上部N素累积量平均分别下降8.3%、4.9%、4.7%和19.2%。高浓度O3使水稻拔节期、抽穗期和成熟期N素物质生产效率平均分别降低6.2%、9.2%、12.7%。高浓度03使水稻N素籽粒生产效率平均降低10.1%,但使N素收获指数平均增加3.4%。高浓度03对氮素在不同器官中分配的影响无明显规律。9.高浓度03使水稻地上部全株含P率在分蘖期平均增加16.5%,拔节期和成熟期平均降低16.0%、5.6%,但抽穗期无显著变化。高浓度03对水稻分蘖期全株P素累积量无显著影响,但使拔节期、抽穗期和成熟期分别下降21.7%、13.2%和24.4%。高浓度O3使水稻P素籽粒生产效率和P素收获指数平均分别增加5.8%和9.0%。高浓度03对磷素分配和磷素物质生产效率的影响均无明显规律。10.高浓度03使水稻全株含K率在分蘖期、抽穗期和成熟期平均分别增加4.2%、9.8%和7.7%,拔节期无显著变化。高浓度臭氧对扬稻6号全株K素积累量在分蘖期、拔节期和抽穗期均无显著影响,成熟期下降9.1%；使Ⅱ优084在分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期分别下降9.8%、8.3%、8.0%和19.7%。高浓度臭氧使水稻K素干物质生产效率在分蘖期、抽穗期和成熟期平均分别降低4.2%、9.5%和6.9%,拔节期无显著变化。臭氧胁迫使水稻K素籽粒生产效率平均降低4.3%,K素收获指数无显著变化。高浓度O3对氮素在不同器官中分配的影响无明显规律。综上所述,本世纪中叶近地层臭氧浓度(大约比目前大气臭氧浓度增加25%)使水稻生育中后期光合下调,生长受抑,进而使产量明显下降。总体上,品种对臭氧影响的调节作用明显大于移栽密度。未来高浓度臭氧浓度条件下,选用高产常规水稻品种配合较高的移栽密度有利于最小化臭氧对水稻的伤害,减少产量损失。
【作者】彭斌；
【导师】王余龙；杨连新；
【作者基本信息】扬州大学，农产品安全与环境，2014，博士
【关键词】FACE(FreeAirgasConcentrationEnrichment)；水稻；臭氧；密度；生长；产量；

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