環境溫度和CO2濃度升高對湖北早稻氮素含量及產量的影響*

蔡威威　，艾天成　，萬運帆，李健陵，郭　晨（1. 長江大學農學院，荊州 434025；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部農業環境重點實驗室，北京100081；3. 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070）

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環境溫度和CO2濃度升高對湖北早稻氮素含量及產量的影響*

蔡威威，艾天成，萬運帆，李健陵，郭晨
（1. 長江大學農學院，荊州 434025；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部農業環境重點實驗室，北京100081；3. 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070）

摘要：采用改進后的開頂式氣室（OTC），大田原位模擬溫度升高2℃和CO2濃度增加60μL·L?1的未來氣候情景，觀測其對湖北地區早稻植株全氮、土壤氮素及產量的影響。試驗設置對照(CK)、增溫（增2℃,IT）、增CO2(增60μL·L?1,IC)以及增溫+CO2（增2℃+增60μL·L?1,IT+IC）4個處理，3次重復，隨機區組排列，對早稻各生育期植株全氮含量、土壤NH4+-N和NO3?-N含量以及產量構成進行監測。結果表明：（1）溫度和CO2濃度升高以及二者同增會增加早稻生育早期（特別是分蘗期）植株體內全氮含量，分蘗期以后各處理間差異不顯著，籽粒全氮含量差異亦不顯著；土壤NH4+-N含量與植株全氮變化規律類似，在早稻生育早期，溫度和CO2濃度升高以及二者同增會增加土壤NH4+-N含量，分蘗期以后各處理間差異不顯著；（2）溫度升高使拔節期、成熟期土壤NO3?-N含量降低，抽穗期土壤NO3?-N含量增加；CO2濃度增加會提高拔節期、成熟期，降低抽穗期土壤NO3?-N含量；（3）CO2濃度升高，早稻增產13.4%，與CK差異極顯著（P<0.01），而單獨增溫或增溫+增CO2處理早稻產量與CK差異不顯著。

關鍵詞：開頂式氣室；溫度；CO2濃度；土壤銨態氮；硝態氮含量；產量構成

蔡威威,艾天成,萬運帆,等.環境溫度和CO2濃度升高對湖北早稻氮素含量及產量的影響[J].中國農業氣象,2016,37(2):231-237

政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告指出，未來大氣中CO2濃度及全球氣溫將呈同步上升趨勢，如果不采取相應措施，預估21世紀末，全球大氣CO2濃度可達936μL·L?1，平均地表溫度在1986-2005年的基礎上將升高0.3～4.8℃[1]，這勢必會影響糧食生產。

水稻（Oryza sativa L.）是亞洲主要糧食作物之一[2]，其生長發育及產量受到內在遺傳物質和外在環境條件的多重影響，在一定遺傳基礎上，環境作用至關重要，而全球氣候正在經歷以溫度和CO2濃度升高的顯著變化[3]，這將會對水稻生產產生重大影響。近年來，國內外學者主要集中從水稻的生長發育[4-6]、產量品質[4,7-8]、植株體內元素狀況[9-11]、土壤微生物[12]等方面分析CO2濃度和溫度升高對水稻的影響，多數研究結果表明，高CO2濃度會促進植物光合速率，使植物生長加快[13]，導致累積更多的光合產物通過根系分泌及死亡輸入土壤[14]，影響土壤微生物、酶活性，改變土壤氮素狀態，進而影響稻田土壤氮素供應。關于溫度升高的影響也有相關報道，張桂蓮等[7]認為，高溫脅迫下水稻功能葉受到一定影響，導致光合作用下降，最終引起水稻減產；張立極等[9]試驗發現，升溫會增加水稻生育前期的C、N積累量，從整個生育期看，溫度升高不利于水稻C、N養分的積累。有關大氣中CO2濃度升高對稻田生態系統土壤微生物、碳氮分配影響的研究較多，有關溫度升高對稻田養分含量影響的研究較少，而綜合考慮溫度和CO2濃度同時升高對水稻植株及土壤氮含量的影響的研究卻鮮見報道。

氮素作為作物生長所必須的營養元素之一，是限制作物生長和產量形成的首要因素。土壤中能被作物直接吸收利用的氮素主要是銨態氮和硝態氮，反映了土壤短期內的供氮能力[15]，研究溫度和CO2濃度升高對早稻植株全氮含量以及稻田土壤銨態氮和硝態氮含量的影響，對指導施肥等具有一定指導意義。本試驗利用改良的開頂式氣室[16]，模擬研究水稻全生育期溫度和CO2濃度升高及二者同時升高對早稻植株、稻田土壤氮含量以及產量的影響，以期進一步認識未來氣候變化下稻田土壤氮素轉化利用規律，為氣候變化下農田水肥管理等提供依據和理論參考。

1　材料與方法

1.1試驗地點與設施

試驗于2014年在湖北省荊州市荊州區氣象站（30°21'N，112°09'E）進行。該站點位于江漢平原，是中國典型的雙季稻種植區之一，年平均氣溫15.9～16.6℃，年平均降水量1100～1300mm，年日照時數1800～2000h。供試場地已多年連續種植雙季稻，為內陸河湖交替沉積形成的水稻土，質地為粉質中壤土，保水保肥能力良好。土壤容重1.44g·cm?3，pH(H2O) 7.8，含有機碳26.88g·kg?1，全氮1.09g·kg?1，速效鉀56.3mg·kg?1，速效磷9.7mg·kg?1。

試驗用OTC呈正六邊形，直徑2.4m，高2m，頂部有45°收縮角的錐形口，與外界相通，氣室內部六角分別立有帶均勻釋放孔的釋放管，CO2氣體通過與之相連的鋼瓶釋放到氣室內部；OTC內部的增溫采取自動控制技術，通過附帶電加熱模塊的換氣風扇來達到增溫效果[16]。氣溫探頭和CO2濃度傳感器用帶有防輻射罩的支架固定在OTC中心的水稻冠層正上方，支架高度可隨水稻冠層的變化進行相應調節，總體要求保持在冠層以上10cm處。

1.2試驗設計

供試品種為兩優287，大田旱育秧，3月25日播種，4月26日移栽，移栽密度為21萬穴·hm?2，每穴2株，于7月19日收獲。稻田不同處理間水肥管理均一致。施肥分為3次，肥料種類為尿素（N≥46%）、過磷酸鈣（P2O5≥12%）和氯化鉀（K2O≥60%）配比，為當地推薦施肥組合，具體方案如表1所示。水分管理依照當地常規習慣進行，即前期淹水，中期曬田，后期干濕交替，完熟落干。除草及病蟲害防治均根據需要參照習慣種植模式統一進行。

表1　水稻施肥方案(kg·hm?2)Table 1　Fertilization scheme for rice(kg·ha?1)

試驗共設置4個處理：（1）對照（CK），OTC氣室內部溫度和CO2濃度與大田保持一致；（2）增溫（IT），OTC內部溫度比大田動態增加2℃；（3）增加CO2濃度（IC），OTC內部CO2濃度比大田動態增加60μL·L?1；（4）增溫+增CO2（IT+IC），保持氣室內部溫度和CO2濃度分別比大田動態增加2℃和60μL·L?1，每個處理3次重復，共12個小區，隨機區組排列，每個OTC之間相距8m，彼此之間無相互影響。除以上兩變量因素外，其它施肥、病蟲害等田間管理保持一致。

OTC內部溫度和CO2濃度均通過編制完善的計算機程序實現自動控制，試驗設定OTC氣室內部溫度比對照組動態增加2℃，控制精度為±0.5℃，氣室內CO2濃度比對照動態增加60μL·L?1，控制精度為±20μL·L?1，對早稻進行全生育期全天候監測，一旦超出該范圍即啟動相應的控制程序進行調節，具體控制方法參照文獻[16]。

氣室自動控制系統設定為每2min自動記錄氣室內外溫度和CO2濃度。統計結果分析表明，在早稻整個生長季中，CK、IT、IC以及IT+IC相對于室外大田的日平均增溫分別為-0.02、1.68、0.48以及1.68℃，溫度控制變幅除部分時段外均不超過0.5℃，IC處理溫度高于大田以及IT+IC控制溫度，比IT略高，均體現了CO2的溫室效應；CO2濃度控制的平均增加值為58.3μL·L?1，比試驗要求的60μL·L?1略低，但仍在60±20μL·L?1的設定范圍內，達到試驗要求。早稻生育期內月平均氣溫以及月平均CO2濃度如表2和表3。

表2　試驗期間月平均氣溫（℃）Table 2　The mean monthly temperature during experimental period（℃）

表3　試驗期間OTC內月平均CO2濃度（μL·L?1）Table 3　The mean monthly CO2concentration in the open-top chambers during experimental period（μL·L?1）

1.3測定項目

春季取土樣，測定土壤的基本理化性質。水稻樣品采樣時間為返青期、分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、乳熟期以及成熟期，共7個生育期7次采樣，每次取3穴有代表性的水稻植株；同時在水稻的7個生育時期以“五點取樣法”利用土鉆采集土樣，即垂直從地表向下取樣，具體采集深度為0-20cm。分別測試植株全氮和土壤及植株全氮含量分為稻草和稻谷分別測定，殺青、烘干、粉碎、過篩后采用H2SO4-H2O2進行消煮，用流動分析儀（Seal AA3）測定；土壤無機氮的測定采用將鮮土樣用2mol·L?1KCL溶液按水土比5:1混合，振蕩1h后取濾液冷凍保存，最后使用流動分析儀（Seal AA3）測定提取液含量；同步將對應的土壤樣品在烘箱內105℃下烘至恒重，計算土壤含水量，用于折算成對應土壤無機氮測試時鮮土樣所含的干土質量；最后折算出土壤含量，單位均為mg·kg?1。在成熟收獲時，對水稻進行考種，主要包括有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重的測定，并進行測產。

1.4數據分析處理

使用Excel軟件進行數據處理及作圖，SPSS 19.0進行方差分析。

2　結果與分析

2.1溫度和CO2濃度升高對植株全氮含量的影響

由表4可見，從早稻返青到成熟期，各處理植株全氮含量均隨時間有明顯的變化規律，表現為移栽返青后上升、分蘗期達到最大、隨后又逐漸降低的過程。當環境溫度或CO2濃度升高或兩者同時升高以后，這一基本規律未發生變化，但是，各處理在不同階段的變化幅度有一定區別。具體來看，在早稻生育早期包括返青期、分蘗期和拔節期，各處理間差異較大，而孕穗以后各生育期植株全氮含量差異不顯著，最終籽粒中全氮含量的差異也不顯著。分蘗期各處理植株全氮含量的差異最大，其中CK處理植株全氮含量最小，僅3.04%，當生育期環境溫度動態升高2℃（IT處理）以后，水稻植株全氮含量極顯著升高（P<0.01），升幅達18.4%，當生育期環境CO2濃度動態升高60μL·L?1（IC處理）以后，植株全氮含量極顯著升高10.5%（P<0.01），當兩者同時升高（IT+IC處理）時植株全氮含量亦升高10.8%（P<0.01）。說明環境溫度和CO2濃度動態升高對早稻早期特別是分蘗期植株體內全氮含量的影響較大，可提高10%～20%，但對分蘗期以后以及籽粒中全氮含量的影響不大。

表4　各處理植株全氮含量的比較（%）Table 4　Comparison of total nitrogen content in the plants during different growth periods and grains among treatments（%）

2.2 溫度和CO2濃度升高對土壤含量的影響

圖1　溫度和CO2濃度升高對土壤NH4+-N含量的影響Fig. 1　Effects of elevated temperature and CO2concentration on soil ammonium nitrogen

2.3溫度和CO2濃度升高對土壤含量的影響

圖2　溫度和CO2濃度升高對土壤含量的影響Fig. 2　Effects of elevated temperature and CO2concentration on soil nitrate nitrogen

2.4溫度和CO2濃度升高對早稻產量構成的影響

表5顯示，各處理對不同的產量指標產生的影響存在差異。其中IC處理對產量的影響最大，與CK相比，IC的增產幅度為13.4%，差異達到極顯著（P<0.01），而IT處理以及IT+IC處理與CK均無顯著性差異，說明單獨增加CO2濃度對早稻產量增產效果極顯著（P<0.01），而增溫會減弱CO2濃度增加對產量的促進效果。IC、IT+IC處理與CK相比，早稻有效穗數均顯著提高（P<0.05），而IT處理對早稻有效穗數的促進效果不顯著；與CK相比，IT+IC水稻穗粒數極顯著降低（P<0.01），這也是IT+IC處理最終降低早稻產量的原因之一；而各處理結實率與對照差異均不顯著；結合千粒重數據來看，IC極顯著增加了早稻千粒重（P<0.01），而IT顯著降低千粒重（P<0.05），綜合產量構成各因子，IC處理主要通過增加水稻有效穗數和千粒重來實現最終的增產。

表5　各處理早稻產量及其構成的比較Table 5　Comparison of grain yield and its components of early rice among treatments

3　結論與討論

3.1討論

CO2是植物光合作用的唯一碳源，是植物生存的基礎[17]，CO2濃度的升高會對整個生態系統，特別是陸地生態系統物質循環造成深遠影響。氮素作為作物生長發育的必需營養元素之一，是核酸和蛋白質的重要組成部分。而水稻作為人類最重要的糧食作物之一，未來大氣CO2濃度升高條件下，水稻 N營養狀況的變化必然引起人類食物品質的改變[18]。本試驗研究結果表明，溫度和CO2濃度升高會在一定程度上影響早稻植株全氮含量，但在不同生育期影響效果有所差異。在早稻生育早期，特別是分蘗期，溫度升高、CO2濃度升高以及二者同時升高均會顯著提高水稻秸稈中全氮含量，說明在早稻營養生殖階段，溫度升高、CO2濃度升高以及二者同時升高均會促進水稻植株對土壤氮素的吸收，有利于水稻生長發育，中后期植株秸稈和成熟期籽粒全氮含量無顯著差異，則表明試驗的各項處理不會改變最終植株秸稈和籽粒全氮含量。

土壤中可直接被作物吸收利用的氮為礦物態氮，主要包含硝態氮和銨態氮，而銨態氮是水田作物可利用的最重要的氮素形態。本試驗研究發現，在早稻生育早期，溫度和CO2濃度升高增加了土壤含量，這與王小治等[19]的FACE試驗結果類似，即水稻生育前期CO2濃度升高增加了5cm和 15cm處土壤溶液濃度。拔節期以后，對照土壤銨態氮含量高于其它3個處理，說明隨著生育期的推進，溫度和CO2濃度升高直接促進植株生物量的增加[10-11]，同時根系在縱向和橫向方向的生長也增加[20]，增大與土壤的接觸面積，有利于作物對土壤養分尤其是氮素的吸收，進而導致土壤銨態氮含量降低。成熟期土壤中含量表現為CK>IT>IT+IC>IC，說明溫度和CO2濃度升高以及二者同時升高最終降低土壤銨態氮含量，可能原因是60μL·L?1的CO2濃度增加幅度太小，不足以引起土壤銨態氮含量的顯著改變；而IT>IT+IC>IC則說明單獨增加CO2濃度對土壤銨態氮的影響大于單純溫度增加2℃所造成的影響； IT+IC介于IT和IC之間，則說明溫度和CO2濃度之間的交互作用會減弱單獨增加CO2濃度對植株吸收銨態氮的促進作用。

土壤硝態氮是土壤礦物態氮的另一個重要組成部分，被植物吸收的只有轉化為才能進一步被利用[21]。試驗結果顯示，早稻生育早期CO2濃度增加提高了土壤含量，可能原因是，一方面CO2濃度升高通過增加輸入到土壤中的植物生物量以及刺激植物光合作用，促進植物向土壤分泌更多的酶[22]，影響土壤酶活性[23]，直接影響氮的礦化；另一方面，大氣CO2濃度升高會抑制水稻土的反硝化活性[24]，進而增加土壤硝態氮含量。試驗中土壤硝態氮含量變化呈現一定的上升和下降波動，原因可能與田間水分管理有關，稻田水分影響氮素的還原和硝化。成熟期各處理土壤含量表現為IC>IT+IC>CK>IT，說明CO2濃度升高最終提高了土壤硝態氮含量，同時CO2濃度升高會促進植株地下部生物量[25]，根系的變化可能導致土壤結構更為松散，進一步加大的淋溶損失，影響土壤供氮能力并加重面源污染，因此，未來大氣CO2濃度升高氣候情景下的水肥管理尤為重要。

產量是水稻收獲最重要的指標之一，隨著人口的不斷增多以及生活水平的提高，對高產高品質水稻提出了越來越高的要求。CO2濃度的增加促進植物光合作用，提高植株生物量，積累更多的有機物，進而提高作物產量。本試驗中CO2濃度增加通過提高水稻有效穗數和千粒重，極顯著提高了水稻產量；而增溫2℃對水稻產量無顯著影響，結合早稻氮素數據分析，增溫處理促進水稻植株分蘗期全氮含量升高18.4%，促進拔節期土壤銨態氮的吸收，說明增溫促進早稻的營養生長，試驗同時顯示，早稻營養生長時期溫度增加2℃會加劇營養生長，從而導致營養生長過旺，生育后期“貪青晚熟”，進而對生殖生長和最終產量形成不利。

本文利用改進的開頂式氣室技術在湖北荊州典型雙季稻區對雙季早稻進行試驗研究，同時考慮溫度和CO2濃度升高對早稻氮素變化以及產量構成的影響，符合未來氣候條件下溫度和CO2濃度同時升高的變化趨勢，然而土壤氮素受氣象因子和土壤本身理化性質的影響較大，下一步將進行雙季早晚稻多年試驗，以期進一步發現溫度和CO2濃度升高對不同水稻品種、不同年際之間水稻氮素轉化以及產量構成的影響規律，為作物高效施用氮肥和高產提供理論依據。

3.2結論

（1）溫度和CO2濃度升高以及二者同時升高會顯著增加早稻生育早期植株全氮含量，生育中后期各處理間差異不顯著；土壤含量變化和植株秸稈全氮變化與之呈類似的變化規律。

（3）與對照相比，CO2濃度升高通過增加水稻有效穗數和千粒重使早稻顯著增產，增產率為13.4%。

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Influence of Elevated Atmospheric Temperature and CO2Concentration on Plant and Soil N Concentration and Yield of Early Rice in Hubei

CAI Wei-wei1, 2, AI Tian-cheng1, WAN Yun-fan2, LI Jian-ling2, GUO Chen3
（1.College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025,China; 2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081; 3.College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070）

Abstract：Using a modified open-top chamber（OTC）method to simulate relative 60μL·L?1CO2concentration increment and 2℃ temperature rise scenario in early rice field to study their impacts on the plant total nitrogen, soil N concentration and yield in Hubei. The experimental design consisted of four treatments arranged in randomized blocks and three replicates. Treatments were as follows: (1)the control OTC(CK, ambient CO2concentration and temperature), (2)elevated air temperature by 2℃(IT), (3)elevated CO2concentration by 60μL·L?1(IC), (4)air temperature increase by 2℃ plus 60μL·L?1CO2concentration elevated(IT+IC). Surveyed the plant total nitrogen content, soil ammonium nitrogen, soil nitrate nitrogen, yield and yield components of early rice. The results showed that: (1)there was a significant increase on the plant total nitrogen content during the early growth periods (especially during tillering) when atmospheric temperature and CO2concentration rose alone and the two of them rose synchronously, but there were no obvious differences after tillering, so did the soil ammonium nitrogen. (2)Elevated temperature had a significant decrease on nitrate nitrogen content during jointing, maturity stage, and it would increase heading stage’s, while it would have a positive effect on nitrate nitrogen during jointing, maturity stage, and have a negative impact on it when CO2concentration elevated. (3)Compared to the control, there was a significantincrease on early rice grain yield by 13.4% when CO2concentration rose, while there were no differences when only temperature rose or CO2concentration elevated alone.

Key words：Open-top chamber；Temperature；CO2concentration；Soil ammonium nitrogen；Soil nitrate nitrogen；Yield components

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.0136

* 收稿日期：2015-08-21**通訊作者。E-mail: 619637248@qq.com

基金項目：公益性行業（農業）科研專項（201103039）；國家“973”計劃項目（2010CB951302）

作者簡介：蔡威威（1990-），碩士生，主要研究方向為氣候變化。E-mail:caiweiwei2014@sina.com1,21** 223