稻麦作物生长和产量形成对大气CO2浓度渐增和骤增的响应及机制

Atmospheric CO2 has gradually increased from the preindustrial time to the present and this increase will continue for the future. Most experiments are conducted by an abrupt increase in CO2 concentration to investigate the effects of the rising CO2 on crop growth and yield formation. The observed effects are then directly extrapolated to infer the response of crops to the future CO2-rich atmosphere. In response to the large, abrupt increase in CO2 concentration, crop growth may experience changes that are different from those in response to small, gradual increases in CO2. However, this difference and potential mechanism are largely unknown. This study will be conducted with the treatments of gradual and abrupt increase in CO2 concentration by using open-top chambers (OTC) over 5-year consecutive rotation of wheat and rice. A constant CO2 increment of 200 ppm will be designated for the abrupt increase, and a step increase of 40 ppm per wheat-rice rotation will be designated for the gradual increase. OTCs with ambient CO2 concentration will be used as check. We will investigate the response and mechanism of crop photosynthesis to gradual and abrupt CO2 increases at leaf-level, and the characteristic and regulation of crop dry mass accumulation, partitioning and yield formation in response to gradual and abrupt CO2 increases at canopy-level. Our objectives are to develop predictive understanding from the response of crop growth and yield formation to gradual and abrupt CO2 increases, and to illuminate potential mechanism. It is expected that the benefits of gradual and abrupt increasing CO2 on crop yield will be identified by this study, which will advance our understanding of not only crops but also terrestrial plants responses to elevated CO2.

大气CO2浓度升高是一个持续渐增的过程。国内外主要通过骤增的CO2浓度试验，研究其对作物生长和产量的影响，并据此预测作物对未来CO2浓度升高的响应。但迄今为止，并不清楚作物对大气CO2浓度渐增和骤增的响应有何不同，可能的机制是什么。本项目拟采用开顶式气室，以背景大气CO2浓度为对照，设置CO2浓度升高200ppm的渐增和骤增两个处理，开展连续5年的稻麦轮作试验。主要研究内容：叶片光合作用对CO2浓度渐增和骤增的响应特征及机制；作物干物质积累、分配和产量形成过程等对CO2浓度渐增和骤增的响应特征及规律。研究目标：揭示稻麦作物光合作用，干物质积累和分配，以及产量形成对CO2浓度渐增和骤增的响应规律，并初步阐明其影响机制。通过本项目的实施，有望在CO2浓度渐增和骤增条件下的作物生长效益研究方面取得重要突破，这不仅为农作物，而且为陆生植物对CO2浓度升高的响应带来新的认识。

大气CO2浓度升高是一个持续渐增的过程，国内外通过CO2浓度骤增试验研究其对作物生长和产量的影响，但并不清楚作物对CO2浓度渐增和骤增的响应有何不同，可能的机制是什么。本项目采用开顶式气室，以背景大气CO2浓度为对照（CK），设置CO2浓度渐增（T1，从第一年逐年增加，即：CK+40ppm，+80ppm，+120ppm，+160ppm，+200ppm）和骤增（T2，五年均保持CK+200ppm）两个处理。研究叶片光合作用对CO2浓度渐增和骤增的响应特征及机制，作物产量形成过程等对CO2浓度渐增和骤增的响应特征及规律。.研究发现：① CO2浓度骤增下叶片光合作用和籽粒产量存在母体环境效应。冬小麦光合作用的后代效应出现在第三年，水稻出现在第五年。种子来自T2母体环境的水稻种植于背景大气，其叶片光合速率提高5‒16%，产量增加~13%；小麦叶片光合速率则降低6‒8%。T1母体环境对其后代的叶片光合作用和产量无显著影响。这为水稻育种管理提供了一条新的途径，即选育的新品种在CO2浓度增加200ppm环境下驯化3‒4年后种植于当前大气环境，能显著提高产量。② 水稻籽粒品质对CO2浓度渐增和骤增的响应截然不同。在17个氨基酸指标中，T1母体环境的11个指标显著低于背景大气母体环境，而T2母体环境对所有氨基酸指标均无显著影响。③ CO2升高200ppm导致水稻叶片净光合速率显著降低。其机制是CO2浓度升高降低气孔导度和叶肉导度、单个气孔器面积和羧化系统的氮分配等。气孔导度随单个气孔器面积的减小而下降，净光合速率则随气孔导度的降低或羧化系统氮分配的减少而降低。④ CO2浓度升高使得稻麦作物叶片净光合速率的最适温度提升，叶片光合作用的最大羧化速率随最适温度的升高而线性增加，这意味着全球变暖对光合作用的抑制可能因CO2浓度的升高部分地得到补偿。⑤ 无论何种母体环境，抽穗后CO2浓度升高对稻麦作物千粒重无显著影响，且存在水稻结实率降低的风险。这为研究CO2浓度升高对稻麦作物产量的影响在实验设计上提供了新的思路，即CO2浓度升高处理只需在抽穗前，此举不仅能降低CO2供气的成本，而且能规避水稻结实率降低的风险。