农田开放式CO_2浓度和温度增高对冬小麦生长发育和产量的影响

【摘要】气候变化的显著特征是大气CO2浓度和温度升高。大气CO2浓度和温度是影响作物生产的重要环境因子,明确其对作物生长发育和产量的影响可以为准确预测和评估气候变化对粮食安全影响提供重要的理论依据。小麦是世界上最重要的粮食作物之一,CO2浓度和温度的变化势必引起小麦生长发育等生理生态过程及生产力的变化。本研究利用我国在常熟(31°35’N,120°55’E)的稻麦轮作农田开放式CO2浓度增高(FACE,FreeAirCO2Enrichment)和温度增高(FATI,FreeAirTemperatureIncreased)田问试验研究平台,以优良中筋小麦扬麦14号为试验材料,于2011年11月-2013年5月开展了不同处理：对照(CK)、FACE(F)、FATI(T)、FATI+FACE(T+F)的栽培试验。利用不同处理的试验数据资料,定量分析了大气CO2浓度和温度升高对小麦的各项生长发育指标(生育期、叶面积指数、叶片净光合速率、干物质积累与分配)和产量指标(产量、千粒重、有效穗、穗粒数)的影响。具体研究结果如下：(1)CK、FACE、FACE+FATI、FATI处理小麦全生育期分别为190d、88d、179d、180d。FACE、FACE+FATI、FATI处理分别使小麦全生育期天数缩短2d、11d、10d；其中播种至抽穗期分别缩短1d、9d和8d；抽穗期至成熟期分别缩短1d、2d、2d。(2)FACE、FACE+FATI处理显著增加了饱和光强下(2000μmol·m-2·s-1)小麦的净光合速率,FATI增加了拔节到孕穗期饱和光强下小麦的净光合速率,降低了抽穗到成熟期饱和光强下小麦的净光合速率。FACE处理下小麦饱和光强下净光合速率在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照增加了20.03%、23.48%、22.40%、23.55%,FACE+FATI处理在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照增加了29.92%、31.33%、27.28%、17.41%;FATI处理在拔节期、孕穗期分别比对照增高了2.38%、0.72%,在抽穗期和灌浆期却比对照减少了8.49%、12.97%。(3)FACE处理降低了小麦的叶片气孔导度和蒸腾速率；FACE+FATI处理增加了小麦的气孔叶片导度和蒸腾速率；FATI增加了小麦叶片蒸腾速率与拔节到孕穗期小麦叶片气孔导度,但降低了抽穗到灌浆期小麦叶片气孔导度。FACE处理小麦叶片气孔导度在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照低了18.77%、7.97%、20.36%、2.36%;FACE+FATI处理小麦叶片气孔导度在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照高了7.34%、2.34%、0.53%、16.78%；FATI处理小麦叶片气孔导度在拔节与孕穗期分别比对照提高11.43%和7.83%,抽穗期和灌浆期比对照降低15.14%和5.09%。FACE处理小麦叶片蒸腾速率在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照低了8.20%、13.24%、15.49%、5.75%;FACE+FATI处理小麦叶片蒸腾速率在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照增加了9.82%、4.03%、8.71%、47.70%；FATI处理小麦叶片蒸腾速率在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照提高20.67%、63.63%、5.26%、28.13%。(3)FACE、FATI处理均使小麦叶片叶绿素(SPAD值)含量降低,FACE+FATI使拔节到孕穗期小麦叶片SPAD值升高,降低了抽穗到成熟期小麦叶片SPAD。FACE处理小麦叶片SPAD值拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照降低了3.31%、5.33%、6.18%、7.35%。FACE+FATI处理SPAD值在拔节期、孕穗期分别比对照增高了3.23%、2.42%,但在抽穗期与灌浆期其SPAD值比对照减少了0.06%、5.89%。FATI处理SPAD值在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期分别比对照降低了1.05%、2.46%、2.99%、10.18%。(4)FACE处理增加了拔节期到开花期小麦叶面积指数(LAI),降低了灌浆到成熟期小麦LAI,FACE+FATI、FATI处理均增加了拔节期前小麦的LAI,降低了孕穗到成熟期小麦LAI。FACE处理小麦LAI在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期分别比对照增加6.17%、4.25%、5.16%、3.92%,在灌浆期降低13.58%。FACE+FATI处理小麦LAI在拔节期比对照增高了11.56%,在孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期比对照减少了10.54%、13.27%、32.29%和36.72%。FATI处理小麦LAI在拔节期比对照增高2.03%,在孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期比对照减少了20.71%、18.32%、28.88%、28.11%。(5)FACE增加了小麦地上部干物质的积累,FACE+FATI对拔节到孕穗期的地上部干物质量有增加的趋势、对抽穗到成熟期有降低的趋势,FATI有降低小麦地上部干物质积累的影响。FACE处理在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期分别使小麦地上部干物质积累比对照增加了5.83%、16.96%、14.83%、14.38%、12.02%、5.47%;FACE+FATI处理在拔节期与孕穗期分别比对照显著增加了18.59%、12.55%,在抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期分别比对照减少了4.17%、5.84%、7.83%、7.29%；FATI处理在拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期使小麦地上部干物质积累分别比对照减少了0.13%、6.19%、12.17%、16.01%、18.17%、21.52%。对于地上部各器官的干物质分配比例,FACE处理大体上增加了对小麦茎鞘的干物质分配比例；降低了小麦叶片和穗的干物质分配比例。FACE+FATI增加了小麦茎鞘和穗的干物质分配比例；降低了小麦叶片的干物质分配比例。FATI处理降低了小麦茎鞘的分配比例；增加了拔节到抽穗期小麦叶片的干物质分配比例,降低开花到成熟期之间小麦叶片的干物质分配比例；增加了小麦穗的干物质分配比例。(6)FACE处理增加了小麦的产量,FACE+FATI、FATI处理均降低了小麦的产量。对于产量构成因素,FACE处理显著增加了小麦有效穗数、明显增加了穗粒数,而显著降低了小麦的千粒重；FACE+FATI处理降低了小麦的有效穗数,增加了穗粒数和千粒重,但影响均不显著；FATI处理明显降低了小麦的有效穗数,显著降低了穗粒数,增加了小麦千粒重。本研究中,FACE处理有效穗数比对照增加了8.17%,FACE+FATI、FATI分别降低6.98%、8.27%；FACE和FACE+FATI处理每穗实粒数分别比对照增加了6.73%、0.91%,FATI降低了12.10%；FACE处理小麦千粒重比对照降低了6.11%,FACE+FATI、FATI分别增加2.23%、3.90%。(7)本研究表明C02浓度和温度升高的互作降低了小麦的理论产量,其产量介于对照与FATI处理之间。CO2浓度与温度升高导致小麦产量降低的主要原因有以下几个方面：1、CO2浓度与温度升高显著缩短了小麦的生育进程,严重减少了小麦光合产物的积累；2、CO2浓度与温度升高使小麦叶片衰老加速,抽穗期之后小麦LAI与净光合速率下降明显。另外CO2浓度和温度升高处理小麦产量高于加温处理,说明C02浓度和温度升高处理中C02的肥效作用能部分补偿高温给小麦带来的负效应。本研究明确了C02浓度升高和温度增加对小麦生长发育和产量的影响,拓宽了气候变化对小麦生产影响的研究和认识,为评估气候变化对作物生产、农田生态系统管理及种植技术的改进提供科学参考和理论依据。
【作者】谢英添；
【导师】罗卫红；
【作者基本信息】南京农业大学，作物，2013，硕士
【关键词】FACE；FATI；小麦；生长发育；产量；

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