大气CO2浓度和温度升高对大豆碳氮代谢及产量的影响

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大气CO2浓度和温度升高是全球气候变化的两个最主要特征。大豆作为世界上最重要的粮食、油料和饲料作物之一,未来气候变化背景下大气CO2浓度和温度升高势必对大豆的生产造成影响。本试验以大豆品种“中黄35”为材料,利用山西农业大学人工气候控制试验平台,利用不同CO2浓度(正常CO2浓度400μmol·mol–1,高CO2浓度600μmol·mol–1)和不同气温(正常大气温度,正常大气温度+2℃)处理,于2018年和2019年进行盆栽试验,研究了大气CO2浓度和温度升高对大豆的光合生理、产量构成因素、碳氮代谢相关生理指标的影响,拟为未来气候变化背景下大豆生产提供理论依据,本试验主要结果如下:1.2018年,CO2浓度升高使叶片净光合速率和水分利用率均显著增加,气温升高使开花期叶片净光合速率显著下降,同时升高CO2浓度和气温相比单独升高气温处理使叶片水分利用率显著增加。2019年,温度升高使鼓粒期大豆叶片净光合速率下降,CO2浓度升高以及同时升高CO2浓度和气温对叶片净光合速率影响不大,CO2浓度升高和气温升高均使鼓粒期大豆叶片的最大净光合速率(Pnmax)和最大净光合能力(Amax)显著下降。2.2018年,CO2浓度升高使大豆开花期和鼓粒期叶片中可溶性糖含量显著下降,使开花期叶片中淀粉含量显著增加,气温升高使开花期和鼓粒期叶片中蔗糖含量、淀粉含量、蔗糖代谢酶(蔗糖合成酶以及蔗糖磷酸合成酶)活性均显著下降,同时升高CO2浓度和气温对开花期和鼓粒期叶片中可溶性糖含量影响不大,使开花期和鼓粒期叶片中蔗糖含量以及鼓粒期叶片中淀粉含量显著降低。3.2018年,在开花期,CO2浓度升高对叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性影响不大,但是叶片中谷氨酸合成酶活性和可溶性蛋白含量显著下降,气温升高处理下叶片中氮代谢酶(硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合成酶)活性均呈增加趋势,同时升高CO2浓度和气温使叶片中可溶性蛋白含量显著下降。在鼓粒期,CO2浓度升高处理使叶片中硝酸还原酶活性、可溶性蛋白含量均显著下降,气温升高处理下叶片中氮代谢酶(硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合成酶)活性均呈增加趋势,但使可溶性蛋白含量下降,同时升高CO2浓度和气温使开花期和鼓粒期叶片中硝酸还原酶活性显著增加,对叶片中的谷氨酰胺合成酶以及谷氨酸合成酶和可溶性蛋白含量影响不大。CO2浓度升高、气温升高以及同时升高CO2浓度和气温处理均使收获后大豆地上部氮素累积量显著增加,但对总氮含量影响不大。4.2018年,CO2浓度或气温升高以及同时升高CO2浓度和气温均对大豆的株高、单株荚数、单株粒重有促进作用,进而使地上部生物量和产量显著增加,同时升高CO2浓度和气温处理对其增幅最大,气温升高使大豆的百粒重显著降低。2019年,CO2浓度升高对大豆地上部生物量和产量影响不显著,气温升高使大豆单株荚数显著减少,地上部生物量和产量也显著下降,但同时升高CO2浓度和气温较单独升高气温处理的下降幅度有所缓解。总之,CO2浓度升高会抑制叶片中的氮代谢途径,但是对地上部和籽粒中的氮含量没有显著影响,对开花期大豆叶片的碳水化合物积累有促进作用,气温升高可以促进大豆叶片中氮代谢相关酶活性以及地上部的氮素积累,但对总氮含量影响不大,并且不利于叶片的碳水化合物的形成,但同时升高CO2浓度和气温能使叶片中碳水化合物保持正常水平。我国北方地区,正常无高温热害年份(如2018年),大气CO2浓度升高和气温升高2℃均对大豆生长及产量有促进作用,但在有高温胁迫年份(2019年),CO2浓度升高的肥效消失,而升温会产生较大的负效应。未来气候变暖环境下大豆生产遭受极端高温的危害风险将加大。
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