开放式空气CO2浓度升高对中筋小麦扬麦14产量形成的影响

吴 越，胡 静，宋学堂，刘古春，徐晓杰，杨连新，王余龙，朱建国

(1.江苏省 (武进)水稻研究所，江苏 武进 213175;2.扬州大学 江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏 扬州 225009;3.中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

随着工农业生产的发展，特别是石化燃料的大量使用，大幅度地增加了CO2、甲烷等温室气体在大气中的浓度，人类即将面临高CO2浓度的大气环境。大气中CO2浓度的不断升高将引起全球气候的明显变化，对小麦等农作物生产将产生重大影响［1-13］。开放式空气 CO2浓度增加 (free-air CO2enrichment，FACE)对小麦产量形成的影响已有一些报道，国外主要报道了春小麦品种的研究结果［14-18］，国内主要报道了弱筋小麦品种的研究结果［11-13］。为此，我们于2004-2005和2005-2006年在江苏省江都市国内唯一的农田FACE平台，就不同施氮量条件下FACE对中筋小麦扬麦14号生育期、株高、产量和产量构成因素的影响进行研究，以期揭示大气CO2浓度升高对小麦产量及其构成因素的影响机理，预测可能的变化趋势，也可为国家制订粮食安全保障对策提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

该平台建于江苏省江都市小纪镇良种场试验田中 (地理坐标32°35.5’N，119°42’E)，试验田土壤类型为清泥土。年均降水量980 mm左右，年均蒸发量 ＞1100 mm，年平均温度14.9℃，年日照时间＞2100 h，年平均无霜期220 d，耕作方式为水稻、冬小麦轮作。土壤理化性质为有机碳18.4 g·kg-1，全氮 1.45 g·kg-1，全磷 0.63 g·kg-1，全钾 14.0 g·kg-1，速效磷 10.1 mg·kg-1，速效钾70.5mg·kg-1，砂 粒 (2 ～ 0.02 mm)578.4 g·kg-1，粉 砂 粒 (0.02 ～ 0.002 mm)285.1 g·kg-1，粘粒(＜0.002 mm)136.5 g·kg-1，容重1.16 g·cm-3，pH值7.2。平台共有3个 FACE试验圈和3个对照圈。FACE圈之间以及FACE圈与对照圈之间的间隔＞90 m，以减少 CO2释放对其他圈的影响。FACE圈设计为正八角形，直径为12.5 m，通过FACE圈周围的管道向FACE圈中心喷射纯CO2气体，电脑控制FACE圈内CO2浓度，使其自小麦苗期开始 FACE圈内 CO2浓度保持在570 μmol·mol-1左右。对照田块没有安装 FACE管道，其余环境条件与自然状态一致。

1.2 供试材料

供试小麦品种为中筋扬麦14号 (Triticum aestivum L.)。二裂区试验设计，大气CO2浓度为主区，施氮量为裂区。CO2浓度处理设对照 (370 μL·L-1，AMB) 和 FACE(570 μL·L-1)2 个 水平，施氮 量设 112.5kg·hm-2(LN)和 225 kg·hm-2(NN)2个水平，施磷、钾量均为 75 kg·hm-2。重复 3次。2004-2005年试验于 2004年11月4日条播，行距20 cm，播深约为3 cm。2叶末期间苗，基本苗为225万·hm-2。11月2日施基肥 (施氮肥总量50%，磷、钾肥总量的50%)，3月5日施拔节肥 (施氮肥总量的10%，P、K肥总量的10%)，4月5日施穗肥 (施 N肥总量的40%，磷、钾肥总量的40%)。2005-2006年试验于2005年11月5日播种，其他同2004-2005年试验。适时进行病虫草害防治，小麦生长发育正常。

1.3 测定内容与方法

每小区自出苗后定2点，每点标记30株，调查不同阶段小麦叶龄、株高、茎蘖数，根据茎蘖动态分析计算最高茎蘖数和分蘖成穗率;成熟期每小区调查2 m2以上，折算单位面积穗数;根据每株平均穗数取15株调查每穗粒数，求取平均每穗粒数和群体总结实粒数，测定千粒重，同时测定成熟期干物重;成熟期收获时，小区内连续收割2 m2(割方)，计算实际产量。

1.4 数据处理

试验数据均用 Excel进行数据处理，SAS、SPSS进行统计分析，Excel进行图表绘制。各处理的比较采用最小显著差法 (LSD)法，凡超过LSD0.05(或 LSD0.01)水平的视为显著 (或极显著)。

2 结果与分析

2.1 FACE处理对小麦产量及其构成因素的影响

2.1.1 产量

2004-2005年和2005-2006年试验FACE处理小麦产量比对照增产13.83%;NN、LN条件下分别增产13.09%和14.67%。其中，2004-2005年试验平均增产9.88%，NN、LN条件下分别增产9.76%和10.02%;2005-2006年试验平均增产18.61%，NN、LN条件下分别增产 17.1%和20.35%(图 1)。

方差分析结果表明，FACE处理、氮处理均对小麦产量有显著或极显著影响，且年度趋势基本一致。说明FACE处理能显著提高小麦产量，增施氮肥也能显著提高小麦产量，但FACE和氮对产量的影响无显著的互作效应。

2.1 2产量构成因素

FACE处理小麦单位面积穗数平均比对照提高8.14%，2004-2005年和2005-2006年试验分别提高 4.98%和 11.98%。在 NN、LN水平下，FACE处理小麦单位面积穗数分别比对照增加7.50%和8.87%。方差分析表明，氮处理对小麦单位面积穗数的影响达到显著水平，而FACE处理、FACE与氮的互作效应均未达到显著水平。单位面积穗数为主茎穗和分蘖穗之和，由于主茎穗相同，因此穗数的差异主要由分蘖穗不同所致。分蘖穗为最高分蘖数和成穗率乘积。由表1可知，FACE处理的小麦单位面积最高分蘖数平均比对照增加5.51%，分蘖成穗率平均比对照增加7.02%。方差分析表明，FACE处理对2季小麦单位面积最高分蘖数影响显著，而对分蘖成穗率影响不显著。氮处理均未对小麦单位面积最高分蘖数和分蘖成穗率产生显著影响。说明FACE处理促进了小麦分蘖的发生，显著提高了最高分蘖数，同时提高了分蘖成穗，是FACE小麦单位面积穗数多于对照的原因。

FACE处理使小麦每穗粒数平均比对照提高5.39%，2004-2005年和2005-2006年试验分别比对照提高10.32%和1.98%。NN、LN水平下，FACE处理小麦毎穗粒数分别比对照增加9.42%和3.43%。统计分析表明，FACE处理对2005-2006年试验小麦的毎穗粒数有显著影响，但对2004-2005年试验的影响未达显著水平。氮处理、FACE与氮的互作效应未达显著水平。

FACE处理使2004-2006年2季小麦千粒重平均比对照增加2.7%，其中2004-2005年试验和2005-2006年试验分别比对照提高2.32%和3.35%;NN、LN水平下，FACE处理小麦千粒重平均比对照增加3.31%和2.36%。方差分析表明，FACE处理对2005-2006年试验小麦千粒重有显著影响，但对2004-2005年试验的影响未达显著水平。氮处理、FACE与氮的互作效应未达显著水平。

综上所述，单位面积穗数、每穗粒数、千粒重的提高是FACE处理小麦显著增产的重要原因，单位面积穗数的作用大于每穗粒数，每穗粒数的作用大于千粒重。

图1 FACE处理对小麦产量和产量构成因素的影响

表1 FACE处理对小麦最高分蘖数和分蘖成穗率的影响

2.2 FACE处理对小麦生物产量和经济系数的影响

2.2.1 生物产量

由图2可知，FACE处理使2004-2006年2季小麦生物产量平均比对照增加12.10%，其中2004-2005年、2005-2006年试验分别增加5.06%和19.06%;NN、LN水平下，FACE处理小麦生物产量分别比对照增加10.22%和14.32%。方差分析表明，FACE、氮处理均对2季小麦生物产量达到显著或极显著水平，而FACE与N的互作效应不明显。

2.2.2 经济系数

由图2可知，FACE处理使2004-2006年2季小麦经济系数平均比对照增加8.77%，其中2004-2005年、2005-2006年试验分别增加13.42%和4.54%;NN、LN水平下，FACE处理小麦经济系数分别比对照增加11.57%和5.65%。方差分析表明，FACE处理及FACE与氮的互作效应均未对2季小麦经济系数产生显著影响，而氮素处理能极显著提高小麦经济系数。

图2 FACE处理对小麦生物产量和经济系数的影响

水稻产量为生物产量和经济系数的乘积。上述结果表明，FACE处理使2季小麦生物产量大幅度提高是FACE小麦产量比对照显著增产的重要原因，经济系数对FACE小麦增产有一定的积极作用。

3 小结和讨论

3.1 关于CO2浓度升高对小麦产量及其构成因素的影响

国内外研究表明，CO2浓度升高可使小麦增产，且增幅与水分、温度、土壤等因素有关［18］;在FACE条件下，CO2浓度增加，小麦增产8%～25%，但增幅少于气室条件。本试验表明，FACE处理使小麦平均增产87.09 g·m-2，增幅13.83%，从增产的相对量和绝对量来看，结果与前人结论基本一致。分析还表明，FACE处理和氮处理产量差异均达显著水平，说明提高FACE浓度与提高施氮量对产量影响较大。尽管国内外FACE研究结果指出，CO2浓度升高对小麦增产有积极的效果。但也有人在气室条件下研究表明，过高的CO2浓度使小麦减产。因此，对于国内外的FACE试验，我们是否应更多的关注CO2浓度变化与小麦增产幅度的对应关系;另外，氮素与CO2浓度的配合使用也应更多的讲究互作效应。

小麦产量是由小麦单位面积穗数、毎穗粒数和千粒重3个因素共同作用的结果。已有的FACE研究表明，CO2浓度增加，单位面积穗数、每穗粒数、千粒重均有所增加 (但也有CO2浓度增加对千粒重产生负效应的报道);本研究表明，FACE处理使中筋小麦单位面积穗数增加8.14%、每穗粒数增加5.39%、千粒重增加2.7%，对产量的影响作用为单位面积穗数＞毎穗粒数＞千粒重。使小麦单位面积最高分蘖数增加5.51%、分蘖成穗率增加7.02%，说明FACE处理促进了小麦分蘖的发生，提高了最高分蘖数，同时提高了分蘖成穗，是FACE小麦单位面积穗数多于对照的原因，这与国内外的研究结果基本一致。而增施氮肥对每穗粒数有积极的促进作用，对千粒重有抑制作用，这与国外的研究结果不一致，但与杨连新等［13］对弱筋小麦的研究结论一致，这也进一步论证了供试品种、试验地点纬度等因素不同而对实验结果有较大影响的结论。

3.2 关于CO2浓度升高对成熟期小麦生物产量及其经济系数的影响

小麦产量又可以表达为成熟期小麦生物产量与经济系数的乘积。国内相关研究指出，温明等［11］在气室条件下CO2浓度增加且氮素充足的前提下，地上部分成熟期生物产量增加26.1%～40.6%;在FACE条件下，成熟期小麦生物产量增加10%～18%。杨连新等［13］对国内的弱筋小麦研究也认为，FACE处理使成熟期小麦干物重显著增加。本研究表明，FACE处理使生物产量显著增加12.10%，与已有国内外小麦FACE研究的报道基本一致，但要低于气室条件下的研究结果。

关于CO2浓度升高对经济系数的影响，气室和FACE条件下所得结果基本一致，即CO2浓度升高对小麦经济系数的影响较小;有研究还表明，经济系数的变化与土壤水分、氮素及气温等有关。本试验表明，FACE处理使小麦经济系数比对照平均增加8.77%，未达到显著水平;氮素处理使得NN比LN平均增加14.7%，达到极显著水平。所得结论与前人基本一致，但由于小麦经济系数与土壤、水分、品种、气候等因素存在密切关系，具体机理还有待进一步分析研究。

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