陳旭+++沈士博+++賴上坤+++朱建國(guó)+++王余龍

摘要：作為光合作用的底物，大氣二氧化碳（CO2）體積分?jǐn)?shù)升高可促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育，但對(duì)稻米礦質(zhì)元素體積分?jǐn)?shù)的影響及其與栽培條件的關(guān)系尚不明確。2011年，利用中國(guó)稻田開放式空氣CO2濃度增高（free air CO2 enrichment，F(xiàn)ACE）系統(tǒng)平臺(tái)，以敏感水稻品種汕優(yōu)63為供試材料，二氧化碳設(shè)置環(huán)境CO2濃度、高CO2濃度（增加200 μmol/mol），施氮量設(shè)置低氮（15 g/m2）、高氮（25 g/m2），移栽密度設(shè)置低密度（16穴/m2）、中密度（24穴/m2）、高密度（36穴/m2），研究不同栽培條件下大氣CO2濃度升高對(duì)雜交稻成熟稻米礦質(zhì)元素濃度的影響。結(jié)果表明，大氣CO2濃度增高200 μmol/mol 使成熟稻米的鉀、鎂濃度平均值分別下降9.4%、7.0%，均達(dá)顯著或極顯著水平；對(duì)稻米中鈣、鈉、銅、鐵、錳、鋅濃度的影響均未達(dá)顯著水平。稻米元素濃度對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)，在不同施氮水平和移栽密度條件下的趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)在二氧化碳處理、施氮量、移栽密度對(duì)稻米大量元素、微量元素濃度多不存在互作效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：汕優(yōu)63；大氣CO2濃度；FACE；礦質(zhì)元素；氮肥；密度

中圖分類號(hào)： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0094-05

收稿日期：2015-09-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31171460、31071359）；江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（編號(hào)：11KJA210003）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（編號(hào)：CXLX12_0919）。

作者簡(jiǎn)介：陳旭（1988—），男，江蘇常州人，碩士研究生，主要從事水稻栽培生理研究。E-mail：cxlxbaby@126.com。

通信作者：王余龍，教授，主要從事作物栽培生理生態(tài)研究。E-mail：ylwang@yzu.edu.cn。人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣和氣候變化將極大改變作物未來(lái)的生長(zhǎng)環(huán)境，其中包括大氣二氧化碳（CO2）濃度的迅速上升。大氣CO2濃度從工業(yè)革命前的280 μmol/mol上升至目前的400 μmol/mol[1]，預(yù)計(jì)2050年至少達(dá)到550 μmol/mol[2]，21世紀(jì)末最高將增至936 μmol/mol[3]。作為最主要的溫室氣體，大氣CO2濃度增加的間接后果是導(dǎo)致地球表面溫度升高，這與其吸收空氣中的紅外輻射有關(guān)。另一方面，空氣中的CO2是植物光合作用碳固定的主要來(lái)源。C3途徑植物目前在低于最適CO2濃度下行運(yùn)，因此CO2濃度增加能直接增強(qiáng)光合能力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[4]。水稻是最重要的C3作物之一，目前關(guān)于大氣CO2濃度升高條件下水稻響應(yīng)的研究大多集中于光合作用、水分關(guān)系、生育進(jìn)程、器官建成、碳氮代謝、產(chǎn)量形成等方面[5-7]，但關(guān)于高濃度CO2下水稻品質(zhì)響應(yīng)及機(jī)理的研究相對(duì)較少[8-11]。已有研究表明，大氣CO2濃度升高將對(duì)稻米品質(zhì)帶來(lái)負(fù)面影響[12]，這為未來(lái)稻作生產(chǎn)帶來(lái)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，人們對(duì)稻米物理和化學(xué)品質(zhì)的要求也日益提高。因此，系統(tǒng)研究大氣CO2濃度對(duì)稻米品質(zhì)的影響極為重要和迫切。

與封閉或半封閉氣室相比，開放式空氣CO2濃度增高（free air CO2 enrichment，F(xiàn)ACE）試驗(yàn)基于標(biāo)準(zhǔn)的作物管理技術(shù)，在空氣自由流動(dòng)的大田條件下對(duì)作物表現(xiàn)進(jìn)行研究，提供了對(duì)未來(lái)作物生長(zhǎng)環(huán)境的真實(shí)模擬[13]。同時(shí)，F(xiàn)ACE試驗(yàn)的空間優(yōu)勢(shì)也為科學(xué)家提供了檢測(cè)各種適應(yīng)措施的極好機(jī)會(huì)。氮肥、移栽密度是稻作生產(chǎn)中重要的農(nóng)藝調(diào)控措施，盡管對(duì)CO2與氮肥的互作效應(yīng)已有較多研究[14-17]，但與移栽密度之間的互作效應(yīng)及其可能原因尚不明確，且這些報(bào)道主要針對(duì)產(chǎn)量形成，聚焦品質(zhì)元素的研究較少[8]。利用FACE的空間優(yōu)勢(shì)，筆者前期研究了汕優(yōu)63品種的生長(zhǎng)和產(chǎn)量在不同施氮量、移栽密度條件下對(duì)高CO2濃度響應(yīng)的差異及其可能原因[18]，但并未涉及稻米品質(zhì)性狀。本研究將探討相同處理對(duì)同一供試材料成熟期稻米礦質(zhì)元素的影響，旨在為未來(lái)稻作生產(chǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)與平臺(tái)

本試驗(yàn)依托我國(guó)唯一的稻田FACE技術(shù)平臺(tái)（圖1），該平臺(tái)建于江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)良種場(chǎng)試驗(yàn)田內(nèi)（119°42′0″E，32°35′5″N）。試驗(yàn)田土壤類型為清泥土，年均降水量約 980 mm、年均蒸發(fā)量大于1 100 mm、年平均溫度15.1 ℃、年日照時(shí)間大于2 100 h、年平均無(wú)霜期 220 d，耕作方式為水稻-冬閑單季種植。土壤理化性質(zhì)為有機(jī)碳含量18.4 g/kg、全氮含量1.45 g/kg、全磷含量0.63 g/kg、全鉀含量 14.0 g/kg、速效磷含量 10.1 mg/kg、速效鉀含量 70.5 mg/kg、沙粒（2.00～0.02 mm）578.4 g/kg、粉沙粒（0.020～0.002 mm）285.1 g/kg、黏粒（<0.002 mm）136.5 g/kg、容重 1.16 g/cm3、pH值7.2[18]。平臺(tái)共有3個(gè)FACE試驗(yàn)圈和3個(gè)對(duì)照（Ambient）圈。FACE圈之間以及FACE圈與對(duì)照圈之間的間隔大于90 m，以減少CO2釋放對(duì)其他圈的影響。FACE圈設(shè)計(jì)為正八角形，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，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)平臺(tái)的CO2濃度進(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濃度及其晝夜變化等因素自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度及方向，使水稻全生育期FACE圈內(nèi)CO2濃度保持比大氣背景CO2濃度高200 μmol/mol。對(duì)照田塊沒有安裝FACE管道，其余環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致。平臺(tái)熏氣日期為6月27日至10月18日，每日薰氣時(shí)間為日出至日落。熏蒸期間對(duì)照圈平均CO2濃度為 416.2 μmol/mol，F(xiàn)ACE圈實(shí)際CO2處理體積分?jǐn)?shù)為 580.6 μmol/mol。

1.2材料培育

供試材料為雜交中秈組合汕優(yōu)63品種。大田旱育秧，于

5月21日播種，并于6月22日移栽，每穴栽1株。本試驗(yàn)采用3因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為CO2，設(shè)置環(huán)境CO2 體積分?jǐn)?shù)（Ambient）、高CO2濃度（Ambient+200 μmol/mol）；裂區(qū)為施氮量，設(shè)置低氮（LN，15 g/m2）、高氮（HN，25 g/m2）；小裂區(qū)為移栽密度，設(shè)置低密度（LD，16穴/m2）、高密度（HD，24穴/m2）。氮肥采用復(fù)合肥（有效成分N ∶P2O5 ∶K2O=15% ∶15% ∶15%，下同）與尿素（含氮量46.7%，下同）配合施用。分別于6月20日施基肥（復(fù)合肥46.7 g/m2、尿素 4.3 g/m2），6月28日施分蘗肥（尿素12.9 g/m2，僅HN小區(qū)施用），7 月26日施穗肥（尿素21.4 g/m2）?；屎头痔Y肥占總施氮量的60%，穗肥占40%。磷鉀肥均采用復(fù)合肥，施用量為7 g/m2，全作基肥（6月20日，復(fù)合肥46.7 g/m2）施用。在水分管理方面，6月20日至7月10日保持水層（約5 cm），7月11日至7月25日多次輕擱田，7月26日至收獲前10 d間隙灌溉。及時(shí)防治病蟲草害，保證水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育。

1.3測(cè)定內(nèi)容與方法

于成熟期除去各小區(qū)的雜株病株，根據(jù)普查結(jié)果每小區(qū)收獲6穴。手工脫粒，曬干至恒質(zhì)量，采用風(fēng)選儀去除空秕粒，選取飽粒。將烘干飽粒樣品置于干燥通風(fēng)處或有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)1周左右，使樣品的水分含量達(dá)到（13±1）%。根據(jù)NY 147—1988《米質(zhì)測(cè)定方法》進(jìn)行出糙，取部分糙米出精，將精米磨粉。稱取烘干樣品0.1 g，放入馬弗爐于480 ℃灰化（14 h）?；曳掷鋮s后用2 mL 25% HNO3溶解，靜置后加入8 mL超純水用定量濾紙過(guò)濾。采用IRIS電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP，Thermo Elemental，美國(guó)）測(cè)定濾液中的鈣（Ca）、鉀（K）、鎂（Mg）、鈉（Na）、銅（Cu）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鋅（Zn）元素濃度。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表繪制，采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用最小顯著差法（LSD）對(duì)各處理進(jìn)行比較，顯著水平分別設(shè)置為P<0.01、P<0.05、P<0.1、P>0.1，分別用“**”“*”“+”“ns”表示。

2結(jié)果與分析

2.1對(duì)鈣濃度的影響

高CO2濃度、施氮量、移栽密度對(duì)成熟期稻米鈣濃度的影響見圖2、表1。低氮、常氮處理下稻米Ca濃度平均值分別為83.6、80.6 mg/kg，低氮明顯高于常氮。低、中、高密度稻米Ca濃度平均值分別為79.4、82.2、84.7 mg/kg，無(wú)顯著差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Ca濃度減少2.5%，未達(dá)顯著水平。從不同氮肥和密度水平看，高濃度CO2使常氮或中密度條件下稻米的Ca濃度略減，使低密度條件下的Ca濃度略增，均達(dá)0.1顯著水平；對(duì)低氮和高密度條件下稻米的Ca濃度均無(wú)顯著影響。方差分析表明，CO2×氮肥互作對(duì)稻米Ca濃度沒有影響，但CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度間存在顯著或極顯著的互作效應(yīng)?？梢?，大氣CO2濃度升高對(duì)汕優(yōu)63品種稻谷Ca濃度的影響與移栽密度的變化有一定關(guān)系。

2.2對(duì)鉀濃度的影響

不同處理對(duì)稻米鉀濃度的影響見圖3、表1。低氮、常氮處理下稻米K濃度平均值分別為973.2、994.3 mg/kg，無(wú)明顯差異。低、中、高密度稻谷K濃度平均值分別為961.7、997.0、992.5 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的K濃度減少94%，差異達(dá)顯著水平。從不同氮肥和密度水平看，高CO2濃度使常氮（-13.0%，P<0.1）、高密度（-18.4%，P<005）條件下稻米K含量顯著下降；對(duì)其他條件下稻米K濃度均無(wú)顯著影響。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米K濃度沒有顯著影響。

2.3對(duì)鎂濃度的影響

不同處理對(duì)稻米鎂濃度的影響見圖4、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Mg濃度平均值分別為341.6、313.2 mg/kg，低氮明顯高于常氮。低、中、高密度稻米Mg濃度平均值分別為337.2、316.8、328.2 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Mg濃度減少 7.0%，達(dá)極顯著水平。從不同氮肥和密度水平看，高CO2濃度使低氮（-8.3%，P<0.05）、常氮（-5.7%，P<0.1）、高密度（-8.5%，P<0.1）條件下稻米

Mg濃度顯著下降；對(duì)低密度、中密度條件下稻米Mg濃度均無(wú)顯著影響。方差分析表明，不同處理間的互作效應(yīng)對(duì)稻米Mg濃度均無(wú)明顯影響。

2.4對(duì)鈉濃度的影響

不同處理對(duì)稻米鈉濃度的影響見圖5、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Na濃度平均值分別為 54.5、55.5 mg/kg，無(wú)明顯差異。低、中、高密度稻米Na濃度平均值分別為54.7、55.0、55.2 mg/kg，無(wú)明顯差異。高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米Na濃度平均增加2.1%，無(wú)顯著差異。不同氮肥和密度條件下稻米Na濃度對(duì)高CO2濃度均無(wú)顯著響應(yīng)。CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米Na濃度均沒有顯著影響。可見，大氣CO2濃度的升高對(duì)不同栽培條件下稻米Na濃度的影響趨勢(shì)一致。

2.5對(duì)銅濃度的影響

不同處理對(duì)稻米銅濃度的影響見圖6、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Cu濃度平均值分別為 2.8、2.7 mg/kg，低氮明顯高于常氮。低、中、高密度稻米Cu濃度平均值分別為3.0、2.7、2.6 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Cu濃度減少5.7%，未達(dá)顯著差異。從不同氮肥和密度水平看，高CO2濃度對(duì)稻米Cu濃度均無(wú)顯著影響，盡管低氮（-10.9%）、高密度（-6.6%）條件下稻米Cu濃度呈明顯的下降趨勢(shì)。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米Cu濃度的影響均未達(dá)顯著水平。

2.6對(duì)鐵濃度的影響

不同處理對(duì)稻米鐵濃度的影響見圖7、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Fe濃度平均值分別為 15.1、16.0 mg/kg，無(wú)明顯差異。低、中、高密度稻谷Fe濃度平均值分別為15.3、15.3、16.1 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Fe濃度增加5.0%，無(wú)明顯差異。不同栽培條件下，高CO2濃度對(duì)稻米Fe濃度均無(wú)顯著影響。CO2×氮肥、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米Fe濃度均無(wú)顯著影響，但CO2×移栽密度間的互作效應(yīng)達(dá)0.1顯著水平，這與高CO2濃度環(huán)境下高密度水稻Fe濃度呈下降趨勢(shì)，而低、中高密度條件下呈相反趨勢(shì)有關(guān)。

2.7對(duì)錳濃度的影響

不同處理對(duì)稻米錳濃度的影響見圖8、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Mn濃度平均值分別為15.0、14.2 mg/kg，無(wú)明顯差異。低、中、高密度稻米Mn濃度平均值分別為14.9、13.8、15.1 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Mn濃度減少5.7%，無(wú)明顯差異。從不同氮肥和密度水平看，高CO2濃度僅使高密度條件下稻米Mn濃度顯著下降（-15.6%，P<0.1）。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米Mn濃度無(wú)影響。

2.8對(duì)鋅濃度的影響

不同處理對(duì)稻米鋅濃度的影響見圖9、表1。汕優(yōu)63品種低氮、常氮處理下稻米Zn濃度平均值分別為 15.5、15.5 mg/kg，無(wú)明顯差異。低、中、高密度稻米Zn濃度平均值分別為15.4、15.6、15.6 mg/kg，無(wú)明顯差異。所有氮肥和密度處理平均結(jié)果表明，高CO2濃度使汕優(yōu)63品種稻米的Zn濃度減少0.5%，無(wú)明顯差異。從不同氮肥和密度水平看，高CO2濃度僅使中密度條件下稻米Zn濃度呈顯著下降趨勢(shì)（-4.4%，P<0.1）。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度間的互作效應(yīng)對(duì)稻米Zn濃度無(wú)顯著影響。

3結(jié)論與討論

稻米中微量元素的含量對(duì)于以稻米為主食的亞洲國(guó)家人民來(lái)說(shuō)非常重要。不同試驗(yàn)中大氣CO2濃度升高對(duì)籽粒礦質(zhì)元素的影響存在較大差異[12]。前期氣室試驗(yàn)表明，高體積分?jǐn)?shù)CO2環(huán)境下水稻籽粒的礦質(zhì)元素體積分?jǐn)?shù)大多呈下降趨勢(shì)。Seneweera等在溫室試驗(yàn)低磷土壤上設(shè)置不同供磷水平，結(jié)果表明大氣CO2濃度升高使早稻Jarrah籽粒糙米中P、Zn、Fe、Cu濃度平均值分別下降6%、15%、60%、28%，各元素響應(yīng)幅度因土壤供P水平的不同而有較大差異[19-20]。與此不同，F(xiàn)ACE相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)高CO2濃度對(duì)稻米元素濃度的影響相對(duì)較小[8-9，21]。日本大田FACE試驗(yàn)表明，高CO2濃度對(duì)常規(guī)粳稻Akitakomachi成熟期籽粒的大量、微量元素濃度均無(wú)顯著影響[21]。本研究以敏感雜交稻汕優(yōu)63品種[18]為供試材料，結(jié)果表明，CO2濃度增高200 μmol/mol使該品種成熟期稻米K、Mg濃度平均值分別下降13.0%、7.0%，分別達(dá)顯著、極顯著水平；對(duì)其他測(cè)定元素Ca、Cu、Mn、Zn、Na均無(wú)顯著影響。此結(jié)果總體上與前期FACE研究結(jié)果相似，但與氣室試驗(yàn)觀察到的結(jié)果不同。這可能與2種氣體熏蒸平臺(tái)的差異有關(guān)。FACE情形下供試水稻的根系生長(zhǎng)不受限制（而氣室試驗(yàn)多為盆栽水稻），且稻田養(yǎng)分充足，因此試驗(yàn)圈內(nèi)土壤可利用元素的供應(yīng)比較充分。另一方面，前期FACE研究表明，高CO2濃度使水稻特別是雜交稻的養(yǎng)分吸收能力明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為根量增幅明顯大于氣室試驗(yàn)[15，22-24]，這可能是本試驗(yàn)沒有普遍觀察到元素“稀釋效應(yīng)”的主要原因。

開展關(guān)于農(nóng)藝措施與二氧化碳互作效應(yīng)的研究，對(duì)構(gòu)建未來(lái)高濃度CO2背景下新的水稻栽培技術(shù)體系至關(guān)重要。本試驗(yàn)以雜交稻汕優(yōu)63品種為供試材料，設(shè)置氮肥和密度處理，首次研究了CO2、氮肥、密度3個(gè)因子互作對(duì)稻米大量和微量元素濃度的影響。方差分析表明，多數(shù)情況下，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對(duì)稻米大量和微量元素濃度均無(wú)顯著影響。可見，在不同施氮水平或移栽密度條件下，大氣CO2濃度升高對(duì)該品種稻米元素濃度的影響趨勢(shì)基本一致。本研究結(jié)果僅為1個(gè)供試材料的試驗(yàn)結(jié)果，大氣CO2濃度、氮肥、移栽密度對(duì)稻米礦質(zhì)元素的影響尚須其他類型水稻品種（常規(guī)粳稻、常規(guī)秈稻、超級(jí)稻等）進(jìn)行驗(yàn)證。

致謝：感謝揚(yáng)州大學(xué)楊連新教授對(duì)本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)整理、論文寫作的指導(dǎo)。

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