环境温度和CO2浓度升高对湖北早稻氮素含量及产量的影响*

蔡威威　，艾天成　，万运帆，李健陵，郭　晨（1. 长江大学农学院，荆州 434025；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京100081；3. 华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）



环境温度和CO2浓度升高对湖北早稻氮素含量及产量的影响*

蔡威威，艾天成，万运帆，李健陵，郭晨
（1. 长江大学农学院，荆州 434025；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京100081；3. 华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

摘要：采用改进后的开顶式气室（OTC），大田原位模拟温度升高2℃和CO2浓度增加60μL·L−1的未来气候情景，观测其对湖北地区早稻植株全氮、土壤氮素及产量的影响。试验设置对照(CK)、增温（增2℃,IT）、增CO2(增60μL·L−1,IC)以及增温+CO2（增2℃+增60μL·L−1,IT+IC）4个处理，3次重复，随机区组排列，对早稻各生育期植株全氮含量、土壤NH4+-N和NO3−-N含量以及产量构成进行监测。结果表明：（1）温度和CO2浓度升高以及二者同增会增加早稻生育早期（特别是分蘖期）植株体内全氮含量，分蘖期以后各处理间差异不显著，籽粒全氮含量差异亦不显著；土壤NH4+-N含量与植株全氮变化规律类似，在早稻生育早期，温度和CO2浓度升高以及二者同增会增加土壤NH4+-N含量，分蘖期以后各处理间差异不显著；（2）温度升高使拔节期、成熟期土壤NO3−-N含量降低，抽穗期土壤NO3−-N含量增加；CO2浓度增加会提高拔节期、成熟期，降低抽穗期土壤NO3−-N含量；（3）CO2浓度升高，早稻增产13.4%，与CK差异极显著（P<0.01），而单独增温或增温+增CO2处理早稻产量与CK差异不显著。

关键词：开顶式气室；温度；CO2浓度；土壤铵态氮；硝态氮含量；产量构成

蔡威威,艾天成,万运帆,等.环境温度和CO2浓度升高对湖北早稻氮素含量及产量的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):231-237

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告指出，未来大气中CO2浓度及全球气温将呈同步上升趋势，如果不采取相应措施，预估21世纪末，全球大气CO2浓度可达936μL·L−1，平均地表温度在1986-2005年的基础上将升高0.3～4.8℃[1]，这势必会影响粮食生产。

水稻（Oryza sativa L.）是亚洲主要粮食作物之一[2]，其生长发育及产量受到内在遗传物质和外在环境条件的多重影响，在一定遗传基础上，环境作用至关重要，而全球气候正在经历以温度和CO2浓度升高的显著变化[3]，这将会对水稻生产产生重大影响。近年来，国内外学者主要集中从水稻的生长发育[4-6]、产量品质[4,7-8]、植株体内元素状况[9-11]、土壤微生物[12]等方面分析CO2浓度和温度升高对水稻的影响，多数研究结果表明，高CO2浓度会促进植物光合速率，使植物生长加快[13]，导致累积更多的光合产物通过根系分泌及死亡输入土壤[14]，影响土壤微生物、酶活性，改变土壤氮素状态，进而影响稻田土壤氮素供应。关于温度升高的影响也有相关报道，张桂莲等[7]认为，高温胁迫下水稻功能叶受到一定影响，导致光合作用下降，最终引起水稻减产；张立极等[9]试验发现，升温会增加水稻生育前期的C、N积累量，从整个生育期看，温度升高不利于水稻C、N养分的积累。有关大气中CO2浓度升高对稻田生态系统土壤微生物、碳氮分配影响的研究较多，有关温度升高对稻田养分含量影响的研究较少，而综合考虑温度和CO2浓度同时升高对水稻植株及土壤氮含量的影响的研究却鲜见报道。

氮素作为作物生长所必须的营养元素之一，是限制作物生长和产量形成的首要因素。土壤中能被作物直接吸收利用的氮素主要是铵态氮和硝态氮，反映了土壤短期内的供氮能力[15]，研究温度和CO2浓度升高对早稻植株全氮含量以及稻田土壤铵态氮和硝态氮含量的影响，对指导施肥等具有一定指导意义。本试验利用改良的开顶式气室[16]，模拟研究水稻全生育期温度和CO2浓度升高及二者同时升高对早稻植株、稻田土壤氮含量以及产量的影响，以期进一步认识未来气候变化下稻田土壤氮素转化利用规律，为气候变化下农田水肥管理等提供依据和理论参考。

1　材料与方法

1.1试验地点与设施

试验于2014年在湖北省荆州市荆州区气象站（30°21'N，112°09'E）进行。该站点位于江汉平原，是中国典型的双季稻种植区之一，年平均气温15.9～16.6℃，年平均降水量1100～1300mm，年日照时数1800～2000h。供试场地已多年连续种植双季稻，为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤土，保水保肥能力良好。土壤容重1.44g·cm−3，pH(H2O) 7.8，含有机碳26.88g·kg−1，全氮1.09g·kg−1，速效钾56.3mg·kg−1，速效磷9.7mg·kg−1。

试验用OTC呈正六边形，直径2.4m，高2m，顶部有45°收缩角的锥形口，与外界相通，气室内部六角分别立有带均匀释放孔的释放管，CO2气体通过与之相连的钢瓶释放到气室内部；OTC内部的增温采取自动控制技术，通过附带电加热模块的换气风扇来达到增温效果[16]。气温探头和CO2浓度传感器用带有防辐射罩的支架固定在OTC中心的水稻冠层正上方，支架高度可随水稻冠层的变化进行相应调节，总体要求保持在冠层以上10cm处。

1.2试验设计

供试品种为两优287，大田旱育秧，3月25日播种，4月26日移栽，移栽密度为21万穴·hm−2，每穴2株，于7月19日收获。稻田不同处理间水肥管理均一致。施肥分为3次，肥料种类为尿素（N≥46%）、过磷酸钙（P2O5≥12%）和氯化钾（K2O≥60%）配比，为当地推荐施肥组合，具体方案如表1所示。水分管理依照当地常规习惯进行，即前期淹水，中期晒田，后期干湿交替，完熟落干。除草及病虫害防治均根据需要参照习惯种植模式统一进行。

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

试验共设置4个处理：（1）对照（CK），OTC气室内部温度和CO2浓度与大田保持一致；（2）增温（IT），OTC内部温度比大田动态增加2℃；（3）增加CO2浓度（IC），OTC内部CO2浓度比大田动态增加60μL·L−1；（4）增温+增CO2（IT+IC），保持气室内部温度和CO2浓度分别比大田动态增加2℃和60μL·L−1，每个处理3次重复，共12个小区，随机区组排列，每个OTC之间相距8m，彼此之间无相互影响。除以上两变量因素外，其它施肥、病虫害等田间管理保持一致。

OTC内部温度和CO2浓度均通过编制完善的计算机程序实现自动控制，试验设定OTC气室内部温度比对照组动态增加2℃，控制精度为±0.5℃，气室内CO2浓度比对照动态增加60μL·L−1，控制精度为±20μL·L−1，对早稻进行全生育期全天候监测，一旦超出该范围即启动相应的控制程序进行调节，具体控制方法参照文献[16]。

气室自动控制系统设定为每2min自动记录气室内外温度和CO2浓度。统计结果分析表明，在早稻整个生长季中，CK、IT、IC以及IT+IC相对于室外大田的日平均增温分别为-0.02、1.68、0.48以及1.68℃，温度控制变幅除部分时段外均不超过0.5℃，IC处理温度高于大田以及IT+IC控制温度，比IT略高，均体现了CO2的温室效应；CO2浓度控制的平均增加值为58.3μL·L−1，比试验要求的60μL·L−1略低，但仍在60±20μL·L−1的设定范围内，达到试验要求。早稻生育期内月平均气温以及月平均CO2浓度如表2和表3。

表2　试验期间月平均气温（℃）Table 2　The mean monthly temperature during experimental period（℃）

表3　试验期间OTC内月平均CO2浓度（μL·L−1）Table 3　The mean monthly CO2concentration in the open-top chambers during experimental period（μL·L−1）

1.3测定项目

春季取土样，测定土壤的基本理化性质。水稻样品采样时间为返青期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期以及成熟期，共7个生育期7次采样，每次取3穴有代表性的水稻植株；同时在水稻的7个生育时期以“五点取样法”利用土钻采集土样，即垂直从地表向下取样，具体采集深度为0-20cm。分别测试植株全氮和土壤及植株全氮含量分为稻草和稻谷分别测定，杀青、烘干、粉碎、过筛后采用H2SO4-H2O2进行消煮，用流动分析仪（Seal AA3）测定；土壤无机氮的测定采用将鲜土样用2mol·L−1KCL溶液按水土比5:1混合，振荡1h后取滤液冷冻保存，最后使用流动分析仪（Seal AA3）测定提取液含量；同步将对应的土壤样品在烘箱内105℃下烘至恒重，计算土壤含水量，用于折算成对应土壤无机氮测试时鲜土样所含的干土质量；最后折算出土壤含量，单位均为mg·kg−1。在成熟收获时，对水稻进行考种，主要包括有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重的测定，并进行测产。

1.4数据分析处理

使用Excel软件进行数据处理及作图，SPSS 19.0进行方差分析。

2　结果与分析

2.1温度和CO2浓度升高对植株全氮含量的影响

由表4可见，从早稻返青到成熟期，各处理植株全氮含量均随时间有明显的变化规律，表现为移栽返青后上升、分蘖期达到最大、随后又逐渐降低的过程。当环境温度或CO2浓度升高或两者同时升高以后，这一基本规律未发生变化，但是，各处理在不同阶段的变化幅度有一定区别。具体来看，在早稻生育早期包括返青期、分蘖期和拔节期，各处理间差异较大，而孕穗以后各生育期植株全氮含量差异不显著，最终籽粒中全氮含量的差异也不显著。分蘖期各处理植株全氮含量的差异最大，其中CK处理植株全氮含量最小，仅3.04%，当生育期环境温度动态升高2℃（IT处理）以后，水稻植株全氮含量极显著升高（P<0.01），升幅达18.4%，当生育期环境CO2浓度动态升高60μL·L−1（IC处理）以后，植株全氮含量极显著升高10.5%（P<0.01），当两者同时升高（IT+IC处理）时植株全氮含量亦升高10.8%（P<0.01）。说明环境温度和CO2浓度动态升高对早稻早期特别是分蘖期植株体内全氮含量的影响较大，可提高10%～20%，但对分蘖期以后以及籽粒中全氮含量的影响不大。

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

2.2 温度和CO2浓度升高对土壤含量的影响

图1　温度和CO2浓度升高对土壤NH4+-N含量的影响Fig. 1　Effects of elevated temperature and CO2concentration on soil ammonium nitrogen

2.3温度和CO2浓度升高对土壤含量的影响

图2　温度和CO2浓度升高对土壤含量的影响Fig. 2　Effects of elevated temperature and CO2concentration on soil nitrate nitrogen

2.4温度和CO2浓度升高对早稻产量构成的影响

表5显示，各处理对不同的产量指标产生的影响存在差异。其中IC处理对产量的影响最大，与CK相比，IC的增产幅度为13.4%，差异达到极显著（P<0.01），而IT处理以及IT+IC处理与CK均无显著性差异，说明单独增加CO2浓度对早稻产量增产效果极显著（P<0.01），而增温会减弱CO2浓度增加对产量的促进效果。IC、IT+IC处理与CK相比，早稻有效穗数均显著提高（P<0.05），而IT处理对早稻有效穗数的促进效果不显著；与CK相比，IT+IC水稻穗粒数极显著降低（P<0.01），这也是IT+IC处理最终降低早稻产量的原因之一；而各处理结实率与对照差异均不显著；结合千粒重数据来看，IC极显著增加了早稻千粒重（P<0.01），而IT显著降低千粒重（P<0.05），综合产量构成各因子，IC处理主要通过增加水稻有效穗数和千粒重来实现最终的增产。

表5　各处理早稻产量及其构成的比较Table 5　Comparison of grain yield and its components of early rice among treatments

3　结论与讨论

3.1讨论

CO2是植物光合作用的唯一碳源，是植物生存的基础[17]，CO2浓度的升高会对整个生态系统，特别是陆地生态系统物质循环造成深远影响。氮素作为作物生长发育的必需营养元素之一，是核酸和蛋白质的重要组成部分。而水稻作为人类最重要的粮食作物之一，未来大气CO2浓度升高条件下，水稻 N营养状况的变化必然引起人类食物品质的改变[18]。本试验研究结果表明，温度和CO2浓度升高会在一定程度上影响早稻植株全氮含量，但在不同生育期影响效果有所差异。在早稻生育早期，特别是分蘖期，温度升高、CO2浓度升高以及二者同时升高均会显著提高水稻秸秆中全氮含量，说明在早稻营养生殖阶段，温度升高、CO2浓度升高以及二者同时升高均会促进水稻植株对土壤氮素的吸收，有利于水稻生长发育，中后期植株秸秆和成熟期籽粒全氮含量无显著差异，则表明试验的各项处理不会改变最终植株秸秆和籽粒全氮含量。

土壤中可直接被作物吸收利用的氮为矿物态氮，主要包含硝态氮和铵态氮，而铵态氮是水田作物可利用的最重要的氮素形态。本试验研究发现，在早稻生育早期，温度和CO2浓度升高增加了土壤含量，这与王小治等[19]的FACE试验结果类似，即水稻生育前期CO2浓度升高增加了5cm和 15cm处土壤溶液浓度。拔节期以后，对照土壤铵态氮含量高于其它3个处理，说明随着生育期的推进，温度和CO2浓度升高直接促进植株生物量的增加[10-11]，同时根系在纵向和横向方向的生长也增加[20]，增大与土壤的接触面积，有利于作物对土壤养分尤其是氮素的吸收，进而导致土壤铵态氮含量降低。成熟期土壤中含量表现为CK>IT>IT+IC>IC，说明温度和CO2浓度升高以及二者同时升高最终降低土壤铵态氮含量，可能原因是60μL·L−1的CO2浓度增加幅度太小，不足以引起土壤铵态氮含量的显著改变；而IT>IT+IC>IC则说明单独增加CO2浓度对土壤铵态氮的影响大于单纯温度增加2℃所造成的影响； IT+IC介于IT和IC之间，则说明温度和CO2浓度之间的交互作用会减弱单独增加CO2浓度对植株吸收铵态氮的促进作用。

土壤硝态氮是土壤矿物态氮的另一个重要组成部分，被植物吸收的只有转化为才能进一步被利用[21]。试验结果显示，早稻生育早期CO2浓度增加提高了土壤含量，可能原因是，一方面CO2浓度升高通过增加输入到土壤中的植物生物量以及刺激植物光合作用，促进植物向土壤分泌更多的酶[22]，影响土壤酶活性[23]，直接影响氮的矿化；另一方面，大气CO2浓度升高会抑制水稻土的反硝化活性[24]，进而增加土壤硝态氮含量。试验中土壤硝态氮含量变化呈现一定的上升和下降波动，原因可能与田间水分管理有关，稻田水分影响氮素的还原和硝化。成熟期各处理土壤含量表现为IC>IT+IC>CK>IT，说明CO2浓度升高最终提高了土壤硝态氮含量，同时CO2浓度升高会促进植株地下部生物量[25]，根系的变化可能导致土壤结构更为松散，进一步加大的淋溶损失，影响土壤供氮能力并加重面源污染，因此，未来大气CO2浓度升高气候情景下的水肥管理尤为重要。

产量是水稻收获最重要的指标之一，随着人口的不断增多以及生活水平的提高，对高产高品质水稻提出了越来越高的要求。CO2浓度的增加促进植物光合作用，提高植株生物量，积累更多的有机物，进而提高作物产量。本试验中CO2浓度增加通过提高水稻有效穗数和千粒重，极显著提高了水稻产量；而增温2℃对水稻产量无显著影响，结合早稻氮素数据分析，增温处理促进水稻植株分蘖期全氮含量升高18.4%，促进拔节期土壤铵态氮的吸收，说明增温促进早稻的营养生长，试验同时显示，早稻营养生长时期温度增加2℃会加剧营养生长，从而导致营养生长过旺，生育后期“贪青晚熟”，进而对生殖生长和最终产量形成不利。

本文利用改进的开顶式气室技术在湖北荆州典型双季稻区对双季早稻进行试验研究，同时考虑温度和CO2浓度升高对早稻氮素变化以及产量构成的影响，符合未来气候条件下温度和CO2浓度同时升高的变化趋势，然而土壤氮素受气象因子和土壤本身理化性质的影响较大，下一步将进行双季早晚稻多年试验，以期进一步发现温度和CO2浓度升高对不同水稻品种、不同年际之间水稻氮素转化以及产量构成的影响规律，为作物高效施用氮肥和高产提供理论依据。

3.2结论

（1）温度和CO2浓度升高以及二者同时升高会显著增加早稻生育早期植株全氮含量，生育中后期各处理间差异不显著；土壤含量变化和植株秸秆全氮变化与之呈类似的变化规律。

（3）与对照相比，CO2浓度升高通过增加水稻有效穗数和千粒重使早稻显著增产，增产率为13.4%。

参考文献References

[1] Stocker T F,Qin D,Plattner G K,et al.IPCC,2013:climate change 2013: the physical science basis.Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R].Cambridge: Cambridge University Press,2013:1-1535.

[2] IRRI.Rice almanac:source book for the most important economic activity on earth[R].Oxon,UK:CABI Publishing , 2002.

[3] IPCC.IPCC fourth assessment report:climate change 2007 (AR4)[OL].http://www.ipcc.ch/publications_and_data_reports. htm,2007-11-17.

[4] 万运帆,游松财,李玉娥,等.CO2浓度和温度升高对早稻生长及产量的影响[J].农业环境科学学报,2014,33(9):1693-1698.

Wan Y F,You S C,Li Y E,et al.Influence of elevated atmospheric CO2concentration and temperature on growth and yield of early rice[J].Journal of Agro-Environment Science,2014,33(9):1693-1698.(in Chinese)

[5] 李健陵,张晓艳,杜尧东,等.高温对抽穗开花期至灌浆结实期水稻源库特性的影响[J].中国农业气象,2013,34(1):23-29.

Li J L,Zhang X Y,Du R D,et al.Effects of high temperature on rice source-sink characteristics during heading stage to grain filling stage[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013, 34(1):23-29.(in Chinese)

[6] Yang L X,Huang J Y,Yang H J,et al.Seasonal changes in the effects of free-air CO2enrichment(FACE) on dry matter production distribution of rice (Oryza sativa L)[J].Field Crops Research,2006,98:12-19.

[7] 张桂莲,廖斌,汤平,等.灌浆结实期高温对水稻剑叶生理特性和稻米品质的影响[J].中国农业气象,2014,35(6):650-655.

Zhang G L,Liao B,Tang P,et al.Effects of high temperature stress during grain-filling on physiological characteristics in flag leaves and grain quality of rice[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2014,35(6):650-655.(in Chinese)

[8] 徐长亮,李军营,谢辉,等.开放式空气CO2浓度升高对稻米品质的影响[J].中国农学通报,2008,24(9):391-397.

Xu C L,Li J Y,Xie H,et al.Effect of free air CO2enrichment to rice quality of rice[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2008, 24(9):391-397.(in Chinese)

[9] 张立极,潘根兴,张旭辉,等.大气CO2浓度和温度升高对水稻植株碳氮吸收及分配的影响[J].土壤,2015,47(1):26-32.

Zhang L J,Pan G X,Zhang X H,et al.Effect of experimental CO2enrichment and warming on uptake and distribution of Cand N in rice plant[J].Soils,2015,47(1):26-32.(in Chinese)

[10] 谢祖彬,朱建国,张雅丽,等.水稻生长及其体内C,N,P组成对开放式空气CO2浓度增高和N,P施肥的响应[J].应用生态学报,2002,13(10):1223-1230.

Xie Z B,Zhu J G,Zhang Y L,et al.Responses of rice(Oryza sativa)growth and its C,N and P composition to FACE (Free-air Carbon Dioxide Enrichment)and N,P fertilization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2002, 13(10):1223-1230.(in Chinese)

[11] 马红亮,朱建国,谢祖彬,等.CO2浓度升高对水稻生物量及C,N吸收分配的影响[J].中国生态农业学报,2005,3(13): 38-41.

Ma H L,Zhu J G,Xie Z B,et al.Effect of CO2enrichment on the allocation of biomass and C,N uptake in rice organs[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2005,3(13): 38-41.(in Chinese)

[12] 苑学霞,褚海燕,林先贵,等.土壤微生物生物量和呼吸强度对大气CO2浓度升高的响应[J].植物营养与肥料学报,2005, 11(4):564-567.

Yuan X X,Chu H Y,Lin X G,et al.Responses of soil microbial biomass and respiration to elevated atmospheric CO2[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science,2005,11(4):564-567. (in Chinese)

[13] Rogers H H,Dahlman R C.Crop responses to CO2enrichment[J].Plant Ecology,1993,104/105(1):117-131.

[14] Lambers H.Growth,respiration,exudation and symbiotic associations:the fate of carbon translated to the roots[A]. Root development and function[C]. Cambrige:Cambrige-University Press,1987:25-46.

[15] 陆景陵.植物营养学[M].北京:中国农业大学出版社,2003. Lu J L.Plant nutrition [M].Beijing:China Agricultural University Press,2003.(in Chinese)

[16] 万运帆,游松财,李玉娥,等.开顶式气室原位模拟温度和CO2浓度升高在早稻上的应用效果[J].农业工程学报,2014, 30(5):123-130.

Wan Y F,You S C,Li Y E,et al.Applied effect of improved open-top chamber on simulation in situ of elevating air temperature and CO2concentration in early rice field[J]. Transactions of the ASAE,2014,30(5):123-130.(in Chinese)

[17] 赵光影,刘景双,张雪萍,等.CO2浓度升高对三江平原湿地土壤碳氮含量的影响[J].水土保持通报,2011,31(2): 6-9.

Zhao G Y,Liu J S,Zhang X P,et al.Effect of elevated CO2on soil organic carbon and nitrogen of wetlands in Sanjiang plain[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2011,31(2): 6-9.(in Chinese)

[18] Loladze I.Rising atmospheric CO2and human nutrition: toward globally imbalanced plant stoichiometry[J].Trends Ecol. Evol.,2002,17(10):457-461.

[19] 王小治,张海进,孙伟,等.大气CO2浓度升高对稻田土壤氮素的影响[J].应用生态学报,2010,21(8):2161-2165.

Wang X Z,Zhang H J,Sun W,et al.Effect of elevated atmospheric CO2on paddy soil nitrogen content during rice season[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2010,21(8): 2161-2165.(in Chinese)

[20] 马红亮,朱建国,谢祖彬.大气CO2浓度升高对植物-土壤系统地下过程影响的研究[J].土壤,2003,35(6):465-472.

Ma H L,Zhu J G,Xie Z B.Effect of elevated atmospheric CO2on below-ground[J].Soils,2003,35(6):465-472. (in Chinese)

[21] 门中华,李生秀.CO2浓度对冬小麦氮代谢的影响[J].中国农业科学,2005,38(2):320-326. Men Z H,Li S X.Effect of CO2concentration on nitrogen metabolism of winter wheat[J].Scientia Agricultura Sinica,2005,38(2):320-326.(in Chinese)

[22] 苑学霞,林先贵,褚海燕,等.大气CO2浓度升高对不同施氮土壤酶活性的影响[J].生态学报,2006,26(1):48-53.

Yuan X X,Lin X G,Chu H Y,et al.Effects of elevated atmospheric CO2on soil enzyme activities at different nitrogen level[J].Acta Ecologica Sinica,2006,26(1):48-53.(in Chinese)

[23] Ebersberger D,Niklaus P A,Kandeler E.Long term CO2enrichment stimulates N-mineralisation and enzyme activities in calcareous grassland[J].Soil Biology and Biochemistry,2003,35(7):965-972.

[24] 王殳屹,韩琳,史奕,等.开放式大气 CO2浓度增高对水稻土反硝化活性的影响[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2007,33(3):284-289.

Wang S Y,Han L,Shi Y,et al.Effects of FACE on denitrification activity in paddy-field soil[J].Journal of Zhejiang University (Agric.&.Life Sci.),2007,33(3):284-289. (in Chinese)

[25] 陈改苹,朱建国,谢祖彬,等.开放式空气CO2浓度升高对水稻根系形态的影响[J].生态环境,2005,14(4):503-507.

Chen G P,Zhu J G,Xie Z B,et al.Effects of free-air CO2enrichment on root morphology of rice[J].Ecology and Environment,2005,14(4):503-507.(in Chinese)

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**通讯作者。E-mail: 619637248@qq.com

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201103039）；国家“973”计划项目（2010CB951302）

作者简介：蔡威威（1990-），硕士生，主要研究方向为气候变化。E-mail:caiweiwei2014@sina.com1,21** 223