应用气象学报  2003, 14 (2): 245-251   PDF    
引用本文
白月明, 王春乙, 温民, 黄辉. CO2和O3浓度倍增及其交互作用对大豆影响的试验研究[J]. 应用气象学报, 2003, 14(2): 245-251.
Bai Yueming, Wang Chunyi, Wen Min, Huang Hui. EXPERIMENTAL STUDY OF SINGLE AND INTERACTIVE EFFECTS OF DOUBLE CO2, O3 CONCENTRATIONS ON SOYBEAN[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2003, 14(2): 245-251  
CO2和O3浓度倍增及其交互作用对大豆影响的试验研究
白月明, 王春乙, 温民, 黄辉     
中国气象科学研究院 北京 100081
2002-03-21 收到, 2002-07-19 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金 (批准号49899270) 资助    
摘要: 以大豆“中黄-14”为试验材料, 利用OTC-1型农田开顶式气室, 首次模拟研究单独CO2和O3浓度倍增及其交互作用对大豆生物量、产量及其构成因子、同化产物分配形式和收获指数的影响。与未通CO2和O3的处理相比, 单独CO2浓度倍增对生物量、产量、荚果串数、荚数、籽粒数、籽粒重具有正效应, O3为明显的负效应, 通气时段越长效果越明显; 持续的CO2浓度和O3浓度倍增交互作用表现为CO2的影响大于O3; CO2和O3交互作用逐渐达到浓度倍增的处理, 由于O3剂量逐渐累积和阶段性增加, 对大豆刺激逐渐增强, 最终O3的负效应与CO2的正效应相近。单独O3浓度倍增抑制光合产物向根和籽粒的输送, 向叶茎的输送明显增强, 使根冠比 (RSR)、子粒与茎杆比 (GCR) 明显下降, 长期作用可使大豆收获指数 (HI) 减小, 叶重比 (LWR) 显著增加, 且随通气时间的延长影响增大; CO2浓度倍增及其交互作用对RSR、LWR、GCR和HI影响相对较小, 仅在±10%左右。
关键词: CO2和O3浓度倍增    交互作用    大豆产量    生物量    
EXPERIMENTAL STUDY OF SINGLE AND INTERACTIVE EFFECTS OF DOUBLE CO2, O3 CONCENTRATIONS ON SOYBEAN
Bai Yueming, Wang Chunyi, Wen Min, Huang Hui     
Chinese Academy of Meteorologica l S ciences, Bei jing 100081
Abstract: The single or interactive effects of double CO2 and O3 concent rations on soybean (Gly cine max L.Merr.) are investigated for first time by using a soybean cultivars, Zhonghuang-14, in an open-top chamber.Cont rasting to the control, the effects of doubled CO2 concentration alone on soybean biomass, yield, legumen bunches, legumen numbers, grain numbers and weight are posit ive, but the effects of doubled O3 concent ration alone on the above parameters are obviously negative; and the longer the ventilation time periods are, the more obvious the effects are.When both CO2 and O3 concentrations are doubled, their interaction shows that the effect of CO2 is greater than that of O3.In the process of CO2 and O3 concentrations increasing gradually, the negative O3 effect approached the posi tive CO2 effect eventually because of the gradually cumulating O3 concent ration and gradually increasing stimulation.The doubled O3 concent ration alone suppresses photosynthetic products into the soybean roots and grains, but increases those into soybean stems and leaves, resulting in the reduced root/shoot ratio (RSR) and grain/culm ratio (GCR).The long-period effect reduces Harvest Index (HI) and increases Leaf Weight Ratio (LWR) markedly.With the ventilation time prolonged the effects are more remarkable.The interactive effects of doubled CO2 and O3 concentrations on the RSR、LWR、GSR and HI are relatively slight, only within±10%.
Key words: Doubled CO2 and O3 concentration     Interaction     Soybean production     Biomass    
引言

迄今为止, 国内外学者对大气CO2浓度升高、O3污染、UV-B辐射等单因子对作物影响进行了大量研究[1-3], O3与SO2、NO2、水分[4-6], CO2与温度、水分等复合效应对作物影响研究也取得很多成果[7-8]。Krupa, S.V.及Kickert, R.N.(1989) 等人研究了CO2, O3, UV-B综合作用对植被的影响[9], Rudorff, B.F.T.(1996) 等人研究了CO2与O3复合效应对冬小麦和玉米的影响[10], CO2与O3复合效应对大豆影响的研究方面国内外报导甚少[11]。人口增加和人类活动导致近地层CO2和O3浓度不断升高, 将对生态系统和农业生产产生重要影响。在以往的研究中, 有关CO2和O3浓度倍增的交互作用、不同时段的连续通气对作物影响试验研究未见报道。近年来, 为了适应生态环境变化、提高产量, 人们不断进行作物品种改良和更新换代, 大豆“中黄-14”就是其中之一, 有关品种特性已经鉴定, 该品种对高CO2浓度和O3污染的响应没有研究。本文以“中黄-14”为例, 借助农田开顶式气室, 分别从五真叶、盛花、鼓粒到成熟三个不同时段进行连续通气70 d、50 d、30 d试验, 模拟CO2、O3浓度倍增及交互作用对生物量、产量、同化产物分配形式、产量构成因子、收获指数 (经济产量/总生物量) 的影响, 揭示作物品种对CO2、O3浓度倍增及交互作用的响应特点, 为国家制定农业生产计划和科学研究提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点和设备

试验在中国气象局固城 (河北保定) 农业气象试验基地进行, 主要设备为结构和性能完全相同的5个OTC-1型农田开顶式气室和与其配套的通气、通风设备[12]。

1.2 CO2和O3来源、浓度处理及监测

CO2 :钢瓶装纯CO2。O3 :高纯度O2经清华大学研制的QHG-1型高频O3发生器生成。CO2、O3分别经6支转子流量计 (北京玻璃仪器厂生产) 定量后分别由03-12A型风机 (内置太原新华化工厂生产的X1000-1军用炭滤器) 送入T1(CO2浓度3.13 ×10-5mol·L-1、O3为本底浓度, 约2.23 ×10-9 mol·L-1)、T2(O3浓度4.46 ×10-9 mol·L-1、CO2为本底浓度, 约为1.56 ×10-5mol·L-1)、T3(CO2浓度3.13 ×10-5mol·L-1、O3浓度4.46 ×10-9 mol·L-1)、T4(CO2、O3浓度分别以步长每10天3.13 ×10-6mol·L-1和4.46 ×10-10mol·L-1从本底增到3.13 ×10-5mol·L-1和4.46 ×10-9 mol·L-1) 气室 (表 1), T5为对照, 只通风不通气。浓度监测:分别将2根取样管的一头置于气室中央、距栅板1 m高处, 另一头分别连接QGS-08型远红外CO2分析仪和APOH-350E型环境O3分析仪, 进行浓度监测。7月14日开始通气试验, 每天通气7 h (北京时间09 :00~16 :00), 作物成熟时结束。试验期内O3和CO2浓度控制较稳定, 变幅在±5 %之间。

表 1 T4处理下不同通气天数的CO2和O3浓度变化

1.3 材料

以大豆“中黄-14”为试验材料 (中国农业科学研究院作物研究所大豆研究室提供), 特点为有限结荚、大籽粒品种。2001年6月22日播种于盆口直径36 cm、深26 cm的瓦盆中, 共280盆, 每盆15株。三真叶期每盆均匀定植5株, 选长势均匀的大豆210盆用于本试验。每个处理42盆, 分3次移入气室, 7月13日每气室移入36盆, 8月3日 (通气后20 d) 和8月23日 (通气后40 d) 将其余的30盆移入气室 (每次每气室3盆)。为确保各盆土质、肥力均匀, 取同一地块20 cm厚度内表层土壤过筛拌匀后装盆播种。试验期间保证水分充足, 无水、肥、病虫害、杂草等非试验因素影响。

1.4 取样和分析

大豆成熟期对各浓度处理连续通气70 d、50 d、30 d的样本进行一次性取样, 每个处理3个重复, 测定各器官生物量干重 (凋落物干重为每5~10 d收集的落叶、柄、花、荚重之和)、荚果串数、荚数、籽粒数、籽粒重和百粒重等, 除籽粒自然风干外其余样本用远红外线干燥箱烘干, 电子分析天平称重, 各项目均取平均值进行分析。

2 结果与分析 2.1 CO2和O3浓度倍增及交互作用对生物量和产量的影响

图 1表明, 大豆生物量 (包括凋落器官) 和产量对单独CO2的正效应和O3的负效应响应显著, 二者的交互作用表现为O3对CO2正效应的减弱和抑制, 或者说是CO2对O3负效应的缓解和弥补, 使生物量和产量介于二者之间。与同期T5比, 通气70 d、50 d和30 d时, T1的生物量和产量可分别增加20.3 %、20.3 %, 19.1 %、13.4 %, 15.5 %、9.4 %; T2可分别减少48.6 %、61.6 %, 22.8 %、28.5 %, 14.9 %、14.7 %; T3表现为CO2的影响大于O3, 生物量和产量均为正增长, 最大可分别增加8.3 %(30 d) 和6.8 %(70 d); T4为CO2浓度和O3浓度逐渐达到倍增的处理, 由于O3剂量累积逐渐增加和刺激逐渐增强, 生物量和产量在通气30 d和50 d时与T5接近, 70 d时略高4.5 %和1.8 %。从5个处理最终生物量和产量看, 延长通气时间O3的负效应对T2影响最大, 其次为T4;CO2的正效应影响最大为T1, 其次为T3。从3次分期移入的试验结果看, 五真叶期比盛花期、鼓粒期移入影响大, 即通气时间延长影响增大。

图 1. CO2、O3浓度倍增及交互作用对大豆生物量和产量的影响

2.2 CO2和O3浓度倍增及交互作用对光合产物分配的影响

表 2表明, 与T5比, 单独O3浓度倍增可严重抑制光合产物向根输送, 向茎叶输送相对增强, T2的根冠比 (RS R)、子粒与茎杆比 (GCR) 分别平均降低26.1 %、18.1 %, 叶重比 (LWR) 增加22.0 %, 其影响程度随通气时间的延长而加强; 单独CO2浓度倍增对地上部分影响大, RSR下降, 叶茎的增加使LWR上升、GCR下降; T3、T4的RSR、LWR、GCR与T5差异不大, 变化规律也不明显。

表 2 CO2、O3浓度倍增及交互作用对光合产物分配的影响

2.3 CO2、O3浓度倍增及交互作用对产量构成各要素的影响

表 3表明, CO2、O3浓度倍增及交互作用可影响大豆单株荚果串数、荚数、籽粒数和籽粒重, 影响程度因二者浓度比例、通气天数和通气方式不同而表现出较明显的差异性。与同期T5比, T1单株荚数和籽粒数增加最多, T3、T4次之, T2明显减少。多数情况下, 串数对CO2、O3浓度的响应规律不明显。进一步分析发现, 在通气70 d时, T1、T3、T4各处理1粒、2粒、3粒荚果数和相应籽粒重同期比T5为增加趋势, 是形成产量的主要部分, 4粒荚果数及其籽粒重下降, T2除1粒 (和2粒) 荚数增加外, 其它均明显下降, 是产量下降的根本原因; 通气50 d以内, T1、T2产量构成各因子响应趋势与70 d相似, T3和T4因交互影响的复杂性和通气时段较短而无太大变化。表 3还表明, CO2、O3浓度倍增可明显影响大豆籽粒大小, O3的影响明显高于CO2, 与同期T5比, T2大豆百粒重最大可降低34.8 %(70 d), T1最大仅增加1.5 %(50 d), 可能与试验大豆为籽粒增重潜势低的大粒品种有关; 比较T1、T2、T3、T4可知, 虽然单独CO2浓度倍增使百粒重增加不大, 却能明显补偿O3对大豆百粒重的降低, 长期CO2和O3交互作用使同一株正常结实的籽粒一部分与T1的大小相似, 另一部分近于T2, 造成这种结果的原因及品质差异性有待进一步研究。

表 3 单株产量构成因子相对T5变化率

2.4 CO2、O3浓度倍增及交互作用对收获指数的影响

表 4显示, 单独CO2浓度倍增及与O3浓度倍增后的交互作用对大豆收获指数 (HI) 影响较小, 随通气天数也无明显的变化规律。与同期T5比, T1、T3、T4的HI变化幅度, 除T3的50 d略高外, 其余仅为±3 %以内。单独O3浓度倍增的长期作用使大豆收获指数减小, 通气30 d时无影响, 50 d以后下降, 70 d时下降最大 (达25.7 %)。

表 4 CO2、O3浓度倍增及交互作用对收获指数 (HI) 的影响

3 讨论

研究表明, O3浓度增加可使敏感植物叶片受害、叶绿素被破坏, 气孔关闭、CO2吸收率降低, 光合速率下降, 导致生物量和产量下降[13-14]; CO2浓度升高, 将提高C3植物的生物量和产量[15], 大豆是对O3敏感的C3植物[16]。本试验结果 (图 1) 中, 分别通气70 d、50 d、30 d的大豆, 单独CO2浓度倍增使生物量和产量都呈增加的趋势, 最多可分别增加五分之一以上; 单独O3浓度倍增使生物量最多可减少近一半, 产量最多减产五分之三以上。CO2和O3浓度倍增的交互作用对大豆生物量和产量的影响报道甚少, 因此难以进行比较, 本文的试验结果是, CO2和O3交互影响不是其单独作用的简单叠加, CO2可缓解O3对作物影响的负效应, O3对CO2影响的正效应有削弱作用, 对生物量和产量影响大小主要取决于通气方式, 持续倍增交互作用表现为CO2的影响大于O3, 生物量和产量均为正增长; 交互作用逐渐达到倍增的处理, 由于O3浓度逐渐增强的刺激作用使叶片伤害加重, 最终CO2和O3的影响相近, 生物量和产量变化不大。CO2浓度倍增使单株大豆增产主要由增加籽粒数来实现, 籽粒大小影响不大, 与以前的研究结果相似[17]; O3浓度倍增减产与籽粒数减少和籽粒变小双重因子相关 (表 3)。可见, 培育作物品种考虑其对O3的抗性基因和适应未来生态环境是非常重要的。

CO2和O3不仅影响作物光合产物的积累, 也会改变光合产物向各器官的分配模式。D.R.Cooley & W.J.Manning研究认为[18], O3可改变苜蓿干物质分配, 对根的影响最大, 其次是叶和茎, 与本文O3对大豆光合产物向各器官的分配的结果相一致 (表 2)。本文认为, CO2浓度倍增使大豆RSR减小, 且有O3胁迫下的RS R多数为增加趋势, 与康绍忠等人[8]研究的大气CO2浓度倍增时, 小麦、玉米、棉花在水分保证条件下RSR没有增加, 水分胁迫时RSR明显增加的结果相似。另外, 单独CO2浓度倍增使叶片和茎秆增加相对较快, GCR相对减小, LWR增加, HI无明显影响; CO2和O3浓度倍增交互作用对LWR、GCR、HI影响较小; 单独O3浓度倍增的长期作用可减小大豆HI。

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