開放式空氣中CO2濃度和溫度增高對(duì)水稻葉片葉綠素含量和SPAD值的動(dòng)態(tài)影響

周寧 景立權(quán) 王云霞 朱建國(guó) 楊連新,* 王余龍,*

(1揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州225009；2江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；3揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州225009；4中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；*通訊聯(lián)系人，E-mail：lxyang@yzu.edu.cn；ylwang@yzu.edu.cn)

開放式空氣中CO2濃度和溫度增高對(duì)水稻葉片葉綠素含量和SPAD值的動(dòng)態(tài)影響

周寧1,2景立權(quán)1王云霞3朱建國(guó)4楊連新1,*王余龍1,*

(1揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州225009；2江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；3揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州225009；4中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；*通訊聯(lián)系人，E-mail：lxyang@yzu.edu.cn；ylwang@yzu.edu.cn)

【目的】針對(duì)不斷增高的大氣二氧化碳(CO2)濃度和溫度，研究這兩個(gè)重要環(huán)境因子及其互作對(duì)大田生長(zhǎng)水稻葉片葉綠素含量和SPAD值的動(dòng)態(tài)影響?！痉椒ā坷棉r(nóng)田T-FACE(Temperature-Free Air CO2Enrichment)系統(tǒng)，以高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粳稻武運(yùn)粳23為供試材料，設(shè)置兩個(gè)CO2濃度(環(huán)境CO2濃度和高CO2濃度)和兩個(gè)溫度處理(環(huán)境溫度和高溫)，測(cè)定自然生長(zhǎng)環(huán)境下水稻不同生育期葉片的葉綠素含量及SPAD值?！窘Y(jié)果】550 μmol/molCO2濃度使水稻移栽后41、77、94 d葉綠素a，b和a+b含量均增加(最大增幅為6.4%)，但移栽110、119 d后均減少(最大降幅為5.4%)。由于葉綠素b含量對(duì)CO2較葉綠素a含量更敏感，故高CO2濃度使移栽后41、77和94 d葉綠素a/b值均下降，降幅分別為4.7%、2.3%和0.9%，但移栽110和119 d后分別增加1.9%和5.3%；以上對(duì)CO2的響應(yīng)多達(dá)顯著水平。對(duì)葉片SPAD值而言，高CO2濃度對(duì)水稻生長(zhǎng)前、中期的影響較小，但移栽110和119 d后分別下降3.5%(P=0.1)和19.1%(P<0.01)。大田生長(zhǎng)期增溫1℃，各期葉綠素a、b以及a+b含量多呈增加趨勢(shì)，葉綠素a/b值表現(xiàn)相反，但總體上變幅小于CO2效應(yīng)；高溫對(duì)水稻前、中期葉片SPAD的影響較小，但移栽110和119 d后SPAD值平均下降7.1%和14.8%，均達(dá)極顯著水平。CO2與溫度處理對(duì)上述測(cè)定參數(shù)多無(wú)顯著互作效應(yīng)，但CO2濃度、溫度處理與生育期之間多存在明顯的互作效應(yīng)?！窘Y(jié)論】大氣CO2濃度增高有利于水稻生長(zhǎng)前中期葉片葉綠素的形成，但生長(zhǎng)后期葉綠素含量和SPAD值均明顯下降且伴隨葉綠素a/b值的顯著升高，這種早衰現(xiàn)象在不同生長(zhǎng)溫度下趨勢(shì)一致。

FACE（Free Air CO2Enrichment）；二氧化碳；溫度；葉綠素含量；SPAD值

空氣中的CO2濃度從不到280 μmol/mol不斷增高，目前已突破400 μmol/mol，預(yù)測(cè)21世紀(jì)末最高將增至936 μmol/mol[1]。作為光合作用的底物，大氣CO2濃度升高必然對(duì)作物光合作用及最終生產(chǎn)力產(chǎn)生深刻影響。在光合作用的光吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中葉綠素起到了重要作用，其含量變化可通過(guò)影響光合作用，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量，并反映葉片的衰老進(jìn)程[2]。葉綠素這一指標(biāo)的變化經(jīng)常被用來(lái)解釋光合響應(yīng)的生理原因[3-4]。大氣CO2濃度升高普遍導(dǎo)致作物葉片含氮率下降[5]，但對(duì)葉綠素含量的影響報(bào)道并不一致。有研究表明，CO2濃度升高能夠促進(jìn)光合色素合成[6-7]，也有下降[8]或沒(méi)有變化的報(bào)道[9]。水稻是最重要的糧食作物之一，封閉或半封閉氣室研究表明，CO2濃度升高對(duì)水稻葉綠素含量的影響因時(shí)間、品種而異[10-13]。近期開放式FACE(Free Air CO2Enrichment)研究也有一些這方面的報(bào)道，但都聚焦某一生育期例如分蘗期[14]或結(jié)實(shí)期[15-17]，這些研究表明高CO2濃度對(duì)水稻葉綠素含量的影響因施氮水平和供試品種而異。

作為主要的溫室氣體，大氣CO2濃度的升高必然同時(shí)伴隨著氣溫的增高。溫度對(duì)酶促反應(yīng)及其發(fā)生在細(xì)胞膜上的生理生化反應(yīng)有很大影響。一般認(rèn)為，高溫脅迫下植株葉綠素含量的響應(yīng)方向或幅度與增溫階段或強(qiáng)度有關(guān)[18]。關(guān)于單一CO2濃度或溫度升高對(duì)水稻光合色素的影響已有很多研究，但鮮見(jiàn)開放農(nóng)田環(huán)境條件下二者交互作用的報(bào)道[19]。2016年11月世界氣象組織發(fā)布報(bào)告，2011－2015年是有記錄以來(lái)最熱的五年，平均溫度較1961－1990年平均溫度高出0.57℃。隨著空氣中溫室氣體的增多，大氣溫度還會(huì)繼續(xù)上升。因此，定量研究大氣CO2濃度與溫度增高并存情況下作物的響應(yīng)和適應(yīng)非常重要[19-20]。

與封閉和半封閉氣室相比，開放的FACE試驗(yàn)平臺(tái)提供了最接近于自然生態(tài)環(huán)境的模擬系統(tǒng)[21]。2013年我國(guó)科學(xué)家將位于江蘇揚(yáng)州的FACE系統(tǒng)升級(jí)改建為T-FACE試驗(yàn)平臺(tái)，用于同時(shí)升高水稻冠層空氣的CO2濃度和溫度[19]。利用這一獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，筆者等發(fā)現(xiàn)高CO2濃度使常規(guī)粳稻武運(yùn)粳23移栽61 d后不同時(shí)刻凈光合速率大幅增加，但增幅隨生育期推移直線下降，兩種生長(zhǎng)溫度下趨勢(shì)一致[22]。這種明顯的光合適應(yīng)是否與CO2熏蒸水稻光合色素(如葉片葉綠素和SPAD值)的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)？不同生長(zhǎng)溫度環(huán)境下是否存在差異？為此，本研究將在前期研究基礎(chǔ)上系統(tǒng)報(bào)道這方面的大田觀察結(jié)果，以期為闡明CO2濃度和溫度增高對(duì)水稻光合生理特征的影響及其互作機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與平臺(tái)

試驗(yàn)在江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)小紀(jì)鎮(zhèn)良種場(chǎng)試驗(yàn)田內(nèi)(119°42′0″E，32°35′5″N)的增溫FACE平臺(tái)上進(jìn)行。土壤類型為清泥土，年均降水量980 mm 左右，年蒸發(fā)量大于 1100 mm，年平均溫度約 14.9℃，年日照時(shí)間大于 2100 h，年平均無(wú)霜期 220 d，耕作方式為冬閑單季種植。土壤理化性質(zhì)如下：有機(jī)碳18.4 g/kg，全N 1.45 g/kg，全P 0.63 g/kg，全K 14.0 g/kg，速效P 10.1 mg/kg，速效K 70.5 mg/kg，容重1.16 g/cm3，pH 7.2。

平臺(tái)共有3個(gè)FACE試驗(yàn)圈和3個(gè)對(duì)照(Ambient)圈。FACE圈設(shè)計(jì)為正六角形，直徑12 m，平臺(tái)運(yùn)行時(shí)通過(guò)FACE圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體，并在FACE和Ambient圈中特定位置加裝熱水增溫管道，以熱輻射形式向增溫區(qū)域進(jìn)行增溫處理，CO2放氣管的高度距作物冠層50 cm左右，增溫管道約5~10 cm。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)平臺(tái)CO2濃度和水稻冠層溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，根據(jù)大氣中的CO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、作物冠層高度的CO2濃度和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度和方向以及增溫管道中熱水流速和進(jìn)出口的水溫差，使水稻主要生育期FACE圈內(nèi)CO2濃度比大氣環(huán)境高200 μmol/mol，增溫區(qū)域的溫度比大氣環(huán)境溫度高1℃左右。FACE圈之間以及FACE圈與對(duì)照圈之間的間隔＞90 m，以減少CO2釋放對(duì)其他圈的影響。對(duì)照田塊沒(méi)有安裝FACE管道，所有田塊非增溫區(qū)域沒(méi)有安裝熱水增溫管道，其余環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致[19,23]。CO2熏氣和溫度開始于6月28日，結(jié)束于10月26日。熏氣時(shí)間及溫度處理時(shí)間為日出至日落，熏蒸期間對(duì)照圈平均CO2濃度為371.9±2.0 μmol/mol，F(xiàn)ACE 圈實(shí)際CO2處理濃度為571.9±0.3 μmol/mol，F(xiàn)ACE圈較對(duì)照圈平均增加199.2±1.9 μmol/mol?

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料培育

試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為CO2處理，設(shè)大氣環(huán)境CO2濃度(Ambient，約395 μmol/mol)和高CO2濃度(比Ambient高200 μmol/mol)2個(gè)水平。裂區(qū)為溫度處理，設(shè)大氣環(huán)境溫度(NT，normal temperature)和高溫(ET，elevated temperature，比環(huán)境溫度高1℃)2個(gè)水平；每處理重復(fù)3次。

供試品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)粳稻品種武運(yùn)粳23，大田旱育秧，2014年5月20日播種，6月21日移栽，24穴/m2，秧苗均為單蘗苗，每穴2苗?？偸┑繛?2.5 g/m2，采用復(fù)合肥(有效成分N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%)和尿素(含氮率46.7%)配合施用。其中，基肥 (6月20日)占40%；分蘗肥(6月28日施用)和穗肥(7月25日施用)各占30%?？偸㏄、K肥均為9 g/m2，全作基肥施用。6月21日－7月20日保持水層(約3 cm)，7月21日－8月10日多次輕擱田(自然落干后保持3d無(wú)水→灌水保持1d→放干水保持干旱4d→灌水保持1d，如此4d干旱1d灌水反復(fù))，8月11日－收獲前10日間隙灌溉(3d保水2d無(wú)水)，之后斷水至收獲。及時(shí)防治病蟲害，保證水稻正常生長(zhǎng)。

1.3 葉片葉綠素含量和SPAD值的測(cè)定

于8月1日(移栽后41 d，相當(dāng)于分蘗中期)、9月6日(移栽后77 d，抽穗期)、9月23日(移栽后94 d，灌漿前期)、10月9日(移栽后110 d，灌漿中期)、10月 18日(移栽后119 d，灌漿后期)，取倒1葉(從上數(shù)第1張完全展開葉，抽穗后均為劍葉)測(cè)葉綠素含量。去葉脈，剪碎(每段長(zhǎng)1～2 mm)、混勻，取其中0.2 g置于25 mL的容量瓶中，用95%酒精萃取，避光靜置6~8 h后，分別于649 nm和665 nm下測(cè)定吸光度。

根據(jù)Lichtenthaler等修正的Arnon公式進(jìn)行計(jì)算：

葉綠素a的濃度Ca(g/L)=13.95D665nm－6.88D649nm

葉綠素b的濃度Cb(g/L)=24.96D649nm－7.32D665nm

單位鮮質(zhì)量各色素含量如下：

葉綠素a含量（mg/g）=Ca×V/（1000×W）；

葉綠素b含量（mg/g）=Cb×V/（1000×W）；

其中，V 為提取液總量(mL)，W 為樣品質(zhì)量(g)。

SPAD值葉綠素儀通過(guò)測(cè)量葉片對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)段里的吸收率，來(lái)評(píng)估當(dāng)前葉片葉綠素的相對(duì)含量。于7月23日(移栽后32 d，相當(dāng)于分蘗早期)、8月7日(移栽后47 d，拔節(jié)期)、9月6日(移栽后77 d，抽穗期)、9月19日(移栽后90 d，灌漿前期)、10月9日(移栽后110 d，灌漿中期)、10月18日(移栽后119 d，灌漿后期)測(cè)定倒1葉(從上數(shù)第1張完全展開葉，抽穗后均為劍葉)的SPAD值。使用SPAD-502葉綠素儀(Minolta，日本)測(cè)定距葉尖1/3至1/2處，避開葉脈，每張葉片測(cè)定3次后的平均值即為該葉片葉綠素的相對(duì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進(jìn)行處理和圖表繪制，用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析。各處理的比較采用最小顯著差法(LSD)，顯著水平設(shè)P<0.01、P<0.05、P<0.1、P>0.1，分別用??、?、+和ns表示?

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻葉片葉綠素a含量對(duì)高CO2濃度和高溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

高CO2濃度和高溫對(duì)水稻葉片葉綠素a(Chl a)含量的影響如圖1所示。結(jié)果表明，隨著生育進(jìn)程的推移，葉片Chl a含量均呈先升后降的趨勢(shì)，以移栽后77 d 最大，不同處理趨勢(shì)一致。兩生長(zhǎng)溫度平均，高CO2濃度處理移栽后41、77 和 94 d，Chl a含量分別增加1.4%、1.4%和0.5%，移栽后110和119 d Chl a含量分別減少0.7%和0.5%，除移栽后41 d外均達(dá)極顯著水平。高CO2濃度對(duì)不同生長(zhǎng)溫度下水稻的影響趨勢(shì)基本一致：常溫、高溫下水稻前3個(gè)時(shí)期Chl a含量均增加，但后2個(gè)時(shí)期均減少，盡管變幅較小，但差異多達(dá)顯著或極顯著水平。兩個(gè)CO2濃度平均，大田生長(zhǎng)期增溫1℃對(duì)移栽后41 d Chl a含量影響不顯著，但隨后的4個(gè)測(cè)定期Chl a含量均顯著或極顯著增加。方差分析表明，除移栽后94 d外，CO2與溫度處理的互作對(duì)水稻不同生育期Chl a含量均無(wú)顯著影響。

圖1 高CO2濃度和高溫對(duì)水稻不同生育期葉片葉綠素a含量的影響Fig. 1. Effect of elevated atmospheric CO2concentration and high temperature on chlorophyll a content in leaves at different growth stages of rice.

對(duì)水稻全生育期所有Chl a含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合方差分析(表1)，CO2處理、溫度處理以及生育期對(duì)葉片Chl a含量的影響均達(dá)顯著或極顯著水平，CO2或溫度處理與生育期之間的互作亦均達(dá)顯著或極顯著水平，但CO2和溫度處理間互作效應(yīng)不顯著。

2.2 水稻葉片葉綠素b含量對(duì)高CO2濃度和高溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

高CO2濃度和高溫對(duì)水稻葉片葉綠素b(Chl b)含量的影響示于圖2。隨時(shí)間推移，葉片Chl b含量均呈先升后降的趨勢(shì)，以移栽后77 d最大，各處理趨勢(shì)一致。兩生長(zhǎng)溫度平均，高CO2濃度下移栽后41、77和 94 d Chl b含量平均分別增加6.4%、3.7%和1.3%，移栽后110和119 d葉綠素b含量分別下降2.6%和5.4%，均達(dá)顯著或極顯著水平。從不同生長(zhǎng)溫度看，高CO2濃度使常溫條件下水稻移栽后41、77和94 d Chl b含量分別增加7.6%、3.5%和1.1%，高溫條件下對(duì)應(yīng)時(shí)期分別增加5.2%、3.9%和1.6%；與此相反，高CO2濃度下移栽110和119 d后Chl b含量常溫下分別減少2.3%和5.2%，高溫下分別減少2.8%和5.7%，差異多達(dá)顯著或極顯著水平。兩個(gè)CO2濃度平均，增溫處理使各期Chl b含量呈增加趨勢(shì)，其中，移栽后110和119 d分別增加2.5%和0.6%，達(dá)極顯著和顯著水平。CO2與溫度處理間的互作對(duì)水稻不同測(cè)定期Chl b含量均無(wú)顯著影響。

對(duì)水稻全生育期所有葉片Chl b含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，溫度處理、生育期對(duì)Chl b含量的影響達(dá)顯著和極顯著水平，CO2處理與生育期間的互作達(dá)極顯著水平(表2)。

2.3 水稻葉片葉綠素a+b含量對(duì)高CO2濃度和高溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

高CO2濃度和高溫對(duì)稻葉葉綠素a+b(Chla+b)含量的影響見(jiàn)圖3。與葉綠素a、b含量相似，各處理葉片Chl a+b含量均以移栽后77 d最大，呈單峰曲線。高CO2濃度下移栽后41、77和 94 d， Chl a+b含量平均分別增加2.4%、2.0%和0.6%，但移栽后110和119 d Chl a+b含量平均分別減少1.1%和1.6%，均達(dá)顯著或極顯著水平。從不同溫度看，高CO2濃度下，常溫區(qū)水稻移栽后41、77和 94 d Chl a+b含量分別增加2.8%、1.8%和0.4%，高溫區(qū)水稻對(duì)應(yīng)時(shí)期分別增加2.0%、2.1%和0.9%，但使移栽后110和119 d常溫區(qū)水稻分別減少1.2%和1.5%，高溫區(qū)水稻分別降低1.1%和1.7%，差異多達(dá)顯著或極顯著水平。增溫處理對(duì)首次測(cè)定的Chl a+b含量沒(méi)有影響，但使其他各期均顯著或極顯著增加，最高增幅為1.7%。除移栽后94 d外，CO2與溫度的互作對(duì)水稻不同生育期Chl a+b含量均無(wú)顯著影響。

表1 水稻頂部完全展開葉葉綠素a含量的差異顯著性檢驗(yàn)Table 1. Analysis of variance for chlorophyll a content of the first fully expanded leaf from the top of the rice plants.

圖 2 高CO2濃度和高溫對(duì)水稻不同生育期葉片葉綠素b含量的影響Fig. 2. Effect of elevated atmospheric CO2concentration and high temperature on chlorophyll b content in leaves at different growth stages of rice.

圖3 高CO2濃度和高溫對(duì)水稻不同生育期葉片葉綠素a+b含量的影響Fig. 3. Effect of elevated atmospheric CO2concentration and high temperature on chlorophyll a+b content in leaves at different growth stages of rice.

表2 水稻頂部完全展開葉葉綠素b含量的差異顯著性檢驗(yàn)Table 2. Analysis of variance for chlorophyll b content of the first fully expanded leaf from the top of the rice plants.

表3 水稻頂部完全展開葉片葉綠素a+b含量的差異顯著性檢驗(yàn)Table 3. Analysis of variance for chlorophyll a+b content of the first fully expanded leaf from the top of the rice plants.

對(duì)水稻全生育期葉片Chl a+b含量的分析結(jié)果表明，CO2處理、溫度處理以及生育期對(duì)葉片Chl a+b含量的影響均達(dá)0.05或0.01顯著水平，CO2、溫度處理與生育期之間的互作達(dá)0.01、0.1顯著水平，但CO2和溫度處理間沒(méi)有互作效應(yīng)(表3)。

2.4 水稻葉片葉綠素a/b值對(duì)高CO2濃度和高溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

葉片葉綠素a/b值(Chl a/b)對(duì)高CO2濃度和高溫的響應(yīng)示于圖4。隨生育期推移，Ambient圈中稻葉的Chl a/b逐漸下降，而FACE圈葉片呈相反趨勢(shì)。兩溫度處理平均，高CO2濃度下移栽后41、77和 94 d，Chla/b值平均分別降低4.7%、2.3%和0.9%，移栽后110和119 d，Chl a/b值分別極顯著升高1.9%和5.3%，除首期(P=0.1)外均達(dá)顯著或極顯著水平。從不同溫度看，高CO2濃度下常溫下水稻移栽后41、77和 94 d，Chl a/b值分別減少5.6%、2.2%和0.9%，高溫處理水稻對(duì)應(yīng)時(shí)期分別減少3.8%、2.3%和0.8%，多數(shù)達(dá)到或接近0.05顯著水平；相反，高CO2濃度下移栽后110和119 d，常溫下生長(zhǎng)水稻分別增加1.4%和5.1%，高溫下水稻分別增加2.3%和5.5%，均達(dá)顯著或極顯著水平。增溫處理使各生育期Chl a/b值均略呈下降趨勢(shì)，但只有移栽后110 d達(dá)顯著水平。CO2與溫度處理的互作對(duì)水稻各生育期Chla/b值均無(wú)顯著影響。

圖4 高CO2濃度和高溫對(duì)水稻不同生育期葉片葉綠素a/b值的影響Fig. 4. Effect of elevated atmospheric CO2concentration and high temperature on chlorophyll a/b in leaves at different growth stages of rice.

圖5 高CO2濃度和高溫對(duì)水稻不同生育期葉片SPAD值的影響Fig. 5. Effect of elevated atmospheric CO2concentration and high temperature on SPAD values in leaves at different growth stages of rice.

表4 水稻頂部完全展開葉葉綠素a/b值的差異顯著性檢驗(yàn)Table 4. Analysis of variance for chlorophyll a/b of the first fully expanded leaf from the top of the rice plants.

表5 水稻頂部完全展開葉SPAD值的差異顯著性檢驗(yàn)Table 5. Analysis of variance for leaf SPAD values of the first fully expanded leaf from the top of the rice plants.

對(duì)全生育期所有Chla/b值數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，不同生育期葉片Chla/b值存在極顯著差異，生育期與CO2處理之間亦存在極顯著的互作效應(yīng)(表4)。

2.5 水稻葉片SPAD值對(duì)高CO2濃度和高溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

本研究還測(cè)定了倒2葉(抽穗前)或劍葉(抽穗后)葉片的SPAD值，結(jié)果示于圖5。移栽后90 d之前，各處理葉片SPAD值均較為穩(wěn)定，但最后兩期直線下降。兩溫度平均，高CO2濃度下移栽后32、47、77、99 d，葉片SPAD值略有增減，但下移栽后110和119 d葉片SPAD值分別減少3.5%(P=0.1)和19.1% (P<0.01)。不同生長(zhǎng)溫度下水稻表現(xiàn)出類似的響應(yīng)趨勢(shì)：高CO2濃度使常溫下移栽后32、47、77和90 d水稻葉片SPAD值略有增減，但移栽后110和119 d葉片SPAD值一致下降，其中常溫條件下水稻分別降低4.8%和23.6%，高溫水稻分別降低2.1%和13.5%，常溫條件下均達(dá)極顯著水平。兩個(gè)CO2濃度平均，增溫處理對(duì)生育前中期葉片SPAD值無(wú)顯著影響，但移栽后110和119 d葉片SPAD值分別降低7.1%和14.8%，均達(dá)極顯著水平。CO2與溫度處理的互作對(duì)水稻不同生育期葉片SPAD值均無(wú)顯著影響。

對(duì)水稻全生育期葉片的SPAD值進(jìn)行綜合分析可知，CO2處理、溫度處理以及生育期對(duì)葉片SPAD值的影響均達(dá)顯著或極顯著水平，CO2或溫度處理與生育期之間的互作均達(dá)極顯著水平，但CO2和溫度處理間沒(méi)有互作效應(yīng)(表5)。

3 討論

葉綠素是植物葉綠體內(nèi)最重要的光合色素，其含量與植物光合作用緊密相關(guān)。Chl b可將光合作用所吸收的光能傳遞給Chl a，Chl a再將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。本研究以當(dāng)前本地主栽品種武運(yùn)粳23供試材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高CO2濃度使移栽后41、77和94 d葉片Chl總量及其組分均明顯高于對(duì)照，但隨生育期推移增幅有減少的趨勢(shì)(圖1~3)。前期FACE研究表明，施氮量35 g/m2條件下，高CO2濃度使武香粳14生育期前期Chl含量均呈增加趨勢(shì)，但15 g/m2條件下，Chl含量均呈下降趨勢(shì)。本研究施氮水平為22.5 g/m2，可見(jiàn)在中、高氮水平條件下，大氣CO2濃度升高可能有利于促進(jìn)水稻前期葉綠素的形成，而缺氮水稻表現(xiàn)相反，當(dāng)然這還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。與前3期測(cè)定結(jié)果相反，高CO2濃度使最后2期特別是末期Chla、b和a+b含量均極顯著下降，表現(xiàn)在CO2與生育期間均存在極顯著的互作效應(yīng)；這一現(xiàn)象與高CO2濃度條件下該品種成熟期提前約4 d一致。本研究生長(zhǎng)后期這種明顯的下降趨勢(shì)與前人對(duì)水稻[16,24-25]和小麥[26]的報(bào)道一致，但出現(xiàn)的時(shí)期更為滯后。這可能與本研究供試品種結(jié)實(shí)期的保綠能力較強(qiáng)有關(guān)[22]。以上結(jié)果說(shuō)明，高CO2濃度環(huán)境下生長(zhǎng)的水稻，盡管生長(zhǎng)前中期有利于葉綠素的形成，但生長(zhǎng)后期可能會(huì)促進(jìn)葉綠素的降解。

葉片Chl b含量只占Chl a含量的25%左右，所以Chl b含量通常不影響Chl總量，但可能對(duì)Chla/b值有顯著影響[27]。本研究表明，水稻Chl b含量對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)(圖2)明顯大于Chl a(圖1)。因此，與Chl a、Chl b的響應(yīng)方向相反，高CO2濃度使生長(zhǎng)前、中期Chl a/b值明顯降低，而生長(zhǎng)后期該值顯著增加(圖4)，這一結(jié)果與胡健等研究結(jié)果基本一致，但與謝立勇等[17]的報(bào)道不同。前人研究表明，Chla/b值的下降的在一定程度上提高葉片光合速率[2,11,27]。本研究觀察到的水稻生育后期Chl a/b值均顯著增加，與葉片的光合速率明顯下調(diào)吻合[22]。

葉片SPAD值一定程度上反映了植株的氮素狀態(tài)。大量研究表明，葉片葉綠素含量與葉綠素儀所測(cè)定的SPAD值密切相關(guān)[28-29]。本研究表明，高CO2濃度對(duì)水稻生長(zhǎng)前、中期葉片SPAD值的影響較小，但使移栽110和119 d后分別下降4%和19%(圖5)。該結(jié)果進(jìn)一步證明，F(xiàn)ACE水稻生長(zhǎng)后期的葉片表現(xiàn)出明顯早衰的現(xiàn)象。有研究表明，大氣CO2濃度增加有利于氮素從水稻葉片等源器官向根系等庫(kù)器官轉(zhuǎn)移[30]，這可能是CO2熏蒸水稻更易早衰的重要原因。值得關(guān)注的是，盡管高CO2濃度使常溫、高溫區(qū)水稻最后兩期葉片SPAD值均呈下降趨勢(shì)，但前者達(dá)極顯著水平，后者未達(dá)顯著水平。以上結(jié)果說(shuō)明，水稻長(zhǎng)期生長(zhǎng)于CO2富集環(huán)境下其葉片會(huì)出現(xiàn)明顯的早衰現(xiàn)象，但適度增溫處理似乎能減輕這種趨勢(shì)。

本研究表明，大田生長(zhǎng)期增溫約1℃對(duì)武運(yùn)粳23葉綠素含量及組分的影響總體上小于CO2處理，但亦表現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)：增溫處理使各生育期Chl a、b以及a+b含量多呈增加趨勢(shì)，Chl a/b值則相反，但多未達(dá)顯著水平(圖1~4)。與Chl響應(yīng)不盡一致，武運(yùn)粳23生長(zhǎng)前、中期葉片SPAD值對(duì)高溫處理無(wú)明顯響應(yīng)，但移栽后110和119 d極顯著下降，降幅分別為7%和15%(圖5)。這一結(jié)果與葉片Pn的變化基本吻合：即增溫處理使該品種生長(zhǎng)前期葉片Pn明顯增加，但這種增幅逐漸減少，至最后兩個(gè)測(cè)定時(shí)期顯著下降，最高降幅達(dá)13%[22]。這一時(shí)間變化曲線表明，適度高溫有利于水稻葉綠素的形成，但長(zhǎng)期處于這種高溫環(huán)境可能會(huì)加速灌漿期光合色素含量的下降，這種高溫誘導(dǎo)的早衰在前人文獻(xiàn)亦有較多報(bào)道[31]。盡管高溫處理本身及其與生育期的互作對(duì)Chl含量和SPAD值均有一定程度的影響，但CO2與溫度間處理沒(méi)有互作效應(yīng)。說(shuō)明大氣CO2濃度增高對(duì)這些參數(shù)的影響在不同生長(zhǎng)溫度下趨勢(shì)基本一致。這亦與該品種最終產(chǎn)量的響應(yīng)一致，同期研究表明，大氣CO2濃度升高使該品種常溫區(qū)和高溫區(qū)水稻的增產(chǎn)10%左右。

綜上所述，大氣CO2濃度增高550 μmol/mol有利于水稻生長(zhǎng)前、中期葉片葉綠素的形成，但生長(zhǎng)后期Chl含量和SPAD值均明顯下降同時(shí)伴隨Chl a/b值的顯著升高，這種早衰現(xiàn)象在不同生長(zhǎng)溫度條件下趨勢(shì)一致。周寧等[22]發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度使該品種生長(zhǎng)前期葉片Pn的增幅從約40%直線下降至4%，但這種明顯的光合下調(diào)現(xiàn)象與氣孔限制沒(méi)有關(guān)系。對(duì)照本研究測(cè)定參數(shù)對(duì)CO2的時(shí)間響應(yīng)曲線，我們推測(cè)水稻灌漿后期光合色素的損傷可能是葉片光合下調(diào)的重要原因，因?yàn)樗鼈冎g通常呈正相關(guān)[32]。由于高CO2濃度環(huán)境下作物光合響應(yīng)隨時(shí)間減弱可能還與光合酶活性和源庫(kù)平衡等因子有關(guān)[33-35]，因此其確切的機(jī)理及其調(diào)控途徑還需進(jìn)一步探索。

謝辭：感謝中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所劉鋼、唐昊冶和朱國(guó)新老師對(duì)FACE系統(tǒng)的日常維護(hù)。

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Effects of Elevated Atmospheric CO2and Temperature on Dynamics of Leaf Chlorophyll Contents and SPAD Value of Rice in Open-Air Field Conditions

ZHOU Ning1,2, JING Liquan1, WANG Yunxia3, ZHU Jianguo4, YANG Lianxin1,*, WANG Yulong1,*

(1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University，Yangzhou 225009, China;2Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Huai’an 223003, China;3College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;4State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;*Corresponding author, E-mail: lxyang@yzu.edu.cn；ylwang@yzu.edu.cn)

【Objcetive】In view of the potential impacts of increasing atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration and air temperature, the dynamic effects of these two important environmental factors and their interaction on leaf chlorophyll contents and SPAD values of rice in field were studied.【Method】 By using T-FACE(Temperature-Free Air CO2Enrichment) facility, a high yield and excellent-quality japonica rice (Oryza sativa L.) Wuyunjing 23 was grown at two levels of CO2(ambient and elevated CO2concentration) and two temperature regimes (ambient and elevated temperature) in a field experiment. We measured leaf chlorophyll contents and SPAD values during the whole growth period of rice plants.【Result】Elevated CO2concentration increased chlorophyll a, b, a+b contents of rice on 41, 77 and 94 days after transplanting (DAT) , with the maximum increase of 6.4%. On the contrary, they were decreased by elevated CO2concentration on 110 and 119 DAT, with the maximum decrease of 5.4%. Due to the greater responses of chlorophyll b to CO2concentration than that of chlorophyll a, elevated CO2concentration decreased chlorophyll a/b ratio on 41, 77 and 94 DAT by 4.7%, 2.3% and 0.9%, but increased it on 110 and 119 DAT by 1.9% and 5.3%, respectively. No obvious effect of elevated CO2concentration on leaf SPAD values was detected in the early and middle growth stages. But elevated CO2concentration decreased leaf SPAD values by 3.5% (P=0.1) and 19.1% (P<0.01) on 110 and 119 DAT. 1℃increase in temperature on average had positive effects on chlorophyll a, b, a+b contents in each growth stage of rice, but negative effects were found on chlorophyll a/b ratio. In general, the magnitudes of variation induced by temperature were less than those by elevated CO2concentration. No obvious effect of temperature elevation on leaf SPAD values was detected in the early and middle growth stages. But temperature elevation deceased leaf SPAD values by 7.1% (P<0.01) and 14.8% (P<0.01) on 110 and 119 DAT, respectively. No CO2-temperature interaction was detected for most of measured parameters, but significant CO2- or temperature-growth stage interactions were found.【Conclusion】The results indicated that elevated CO2concentration favored the leaf chlorophyll formation of rice in the early and middle growth stages. But in the late growth stage, leaf chlorophyll contents and SPAD value declined, meanwhile chlorophyll a/b ration increased significantly. Such phenomenon of quick-leaf-senescence induced by elevated CO2concentration was identical under the two temperature regimes.

FACE (Free Air CO2Enrichment) ; carbon dioxide; temperature; chlorophyll content; SPAD values

S181.3; S511.01

A

1001-7216(2017)05-0524-09

2017-02-14；修改稿收到日期：2017-04-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作項(xiàng)目（31261140364）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31671618、31571597、31371563和31171460）；江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（K13015）；江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目（蘇教師﹝2016﹞15號(hào)）；江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金面上引導(dǎo)項(xiàng)目（3011500115）和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。