作物CO2肥效作用和水肥条件相互关系研究

农业是我国重要的经济基础，也是气候变化的敏感部门。由于作物光合作用和CO2的关系密切，气候变化后CO2浓度升高对作物生产能力的影响，一直是气候变化研究中关注的主要内容之一。本研究以我国主要粮食作物冬小麦为对象，借助于中国农业科学院北京昌平试验基地建立的开放式CO2富集系统（FACE）试验平台，通过不同水肥组合的盆栽试验，研究开放式CO2富集条件下，冬小麦对高浓度CO2的生理生化响应机制、高CO2浓度对冬小麦产量构成和品质的影响，CO2的肥效作用和土壤水肥条件的互作关系，以期能够客观评价气候变化下CO2的作物肥效作用。项目实施可补充和完善CO2对作物影响的基础试验数据库，提高气候变化影响模拟中对CO2肥效作用估测的科学性，丰富我国FACE试验内容，揭示CO2肥效发挥和土壤水肥关系，为在未来气候变化条件下通过水肥调控技术挖掘CO2的肥效潜力，提供一定的实践指导和理论依据。

本研究于2012-2015年在北京昌平中国农业科学院试验基地，利用自由大气CO2富集系统（FACE）平台，通过不同水肥组合的盆栽试验，开展了CO2浓度增高对冬小麦产量及其生理响应机制、CO2与水分条件相互作用对冬小麦影响、CO2肥效和施氮水平的冬小麦产量差异比较、CO2和水肥互作关系及对作物产量和品质的影响研究。研究结果表明，与大气CO2浓度相比，高浓度CO2加快了冬小麦生育进程，拔节期提前1天，开花期可提前1-2天，全生育期可缩短3-5天，高氮肥处理对生育进程具有延迟作用，开花期延长1-2天，灌浆期可延长4-5天，同步缓解高浓度CO2对生育进程的加快作用；高浓度CO2使叶片光合速率提高13.7%，产量平均提高16.0%，且在高氮肥下光合速率的增幅比低氮肥相对提高2.5%，蒸腾速率提高13.5%；试验中高氮较低氮的增产效果达到50%，高于单独高浓度CO2较大气浓度的增产效果；高浓度CO2对产量构成中穗粒数和千粒重提高明显，高浓度CO2较大气浓度穗粒数增加3.69%，高氮处理较低氮处理平均穗粒数增加3.43%，即CO2肥效作用起到了增加穗粒数的作用并略高于单独氮肥处理，高氮和高CO2双重促进作用的穗粒数最多，达到38.37粒/穗，低氮和低CO2处理的穗粒数水平最低，可见CO2和氮肥互作对穗粒数的促进相对更明显，各自单独施用的促进作用彼此差异不大，但低氮、大气CO2浓度处理的穗粒数则相对较低；与大气CO2浓度相比，高浓度CO2对千粒重增加5.3%，高氮高浓度CO2处理对千粒重大约提高7.3%，说明氮肥的施用促进了高浓度CO2对千粒重的提升效果。干旱条件下高浓度CO2对冬小麦产量的增幅比正常水分的相对较高，CO2浓度升高可以减轻干旱对作物的胁迫水平。在正常水分条件下，高浓度CO2使冬小麦单株产量平均增加11.4%，而在干旱条件下，单株产量平均增加25.6%（对照分别为大气CO2浓度，正常和干旱的水分处理），因此认为CO2浓度升高可以减轻干旱胁迫但不足以完全减损。