陳旭+++沈士博+++賴上坤+++朱建國+++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)水稻生長發(fā)育，但對稻米礦質(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，利用中國稻田開放式空氣CO2濃度增高（free air CO2 enrichment，F(xiàn)ACE）系統(tǒng)平臺，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基本一致，表現(xiàn)在二氧化碳處理、施氮量、移栽密度對稻米大量元素、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： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0094-05

收稿日期：2015-09-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：31171460、31071359）；江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項目（編號：11KJA210003）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃（編號：CXLX12_0919）。

作者簡介：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。人類活動導(dǎo)致的大氣和氣候變化將極大改變作物未來的生長環(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源。C3途徑植物目前在低于最適CO2濃度下行運，因此CO2濃度增加能直接增強光合能力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長[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)及機理的研究相對較少[8-11]。已有研究表明，大氣CO2濃度升高將對稻米品質(zhì)帶來負(fù)面影響[12]，這為未來稻作生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。近年來，隨著生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，人們對稻米物理和化學(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）試驗基于標(biāo)準(zhǔn)的作物管理技術(shù)，在空氣自由流動的大田條件下對作物表現(xiàn)進(jìn)行研究，提供了對未來作物生長環(huán)境的真實模擬[13]。同時，F(xiàn)ACE試驗的空間優(yōu)勢也為科學(xué)家提供了檢測各種適應(yīng)措施的極好機會。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，且這些報道主要針對產(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，筆者前期研究了汕優(yōu)63品種的生長和產(chǎn)量在不同施氮量、移栽密度條件下對高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同一供試材料成熟期稻米礦質(zhì)元素的影響，旨在為未來稻作生產(chǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地點與平臺

本試驗依托我國唯一的稻田FACE技術(shù)平臺（圖1），該平臺建于江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)良種場試驗田內(nèi)（119°42′0″E，32°35′5″N）。試驗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 ℃、年日照時間大于2 100 h、年平均無霜期 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]。平臺共有3個FACE試驗圈和3個對照（Ambient）圈。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔大于90 m，以減少CO2釋放對其他圈的影響。FACE圈設(shè)計為正八角形，直徑12 m，平臺運行時通過FACE圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體，利用計算機網(wǎng)絡(luò)對平臺的CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測和控制。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。平臺熏氣日期為6月27日至10月18日，每日薰氣時間為日出至日落。熏蒸期間對照圈平均CO2濃度為 416.2 μmol/mol，F(xiàn)ACE圈實際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。本試驗采用3因素裂區(qū)設(shè)計，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）。基肥和分蘗肥占總施氮量的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。及時防治病蟲草害，保證水稻正常生長發(fā)育。

1.3測定內(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)的實驗室內(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）測定濾液中的鈣（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軟件對試驗所得數(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)計分析。采用最小顯著差法（LSD）對各處理進(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對鈣濃度的影響

高CO2濃度、施氮量、移栽密度對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；對低氮和高密度條件下稻米的Ca濃度均無顯著影響。方差分析表明，CO2×氮肥互作對稻米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對鉀濃度的影響

不同處理對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；對其他條件下稻米K濃度均無顯著影響。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)對稻米K濃度沒有顯著影響。

2.3對鎂濃度的影響

不同處理對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；對低密度、中密度條件下稻米Mg濃度均無顯著影響。方差分析表明，不同處理間的互作效應(yīng)對稻米Mg濃度均無明顯影響。

2.4對鈉濃度的影響

不同處理對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%，無顯著差異。不同氮肥和密度條件下稻米Na濃度對高CO2濃度均無顯著響應(yīng)。CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對稻米Na濃度均沒有顯著影響?？梢?，大氣CO2濃度的升高對不同栽培條件下稻米Na濃度的影響趨勢一致。

2.5對銅濃度的影響

不同處理對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濃度對稻米Cu濃度均無顯著影響，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。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)對稻米Cu濃度的影響均未達(dá)顯著水平。

2.6對鐵濃度的影響

不同處理對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%，無明顯差異。不同栽培條件下，高CO2濃度對稻米Fe濃度均無顯著影響。CO2×氮肥、CO2×氮肥×移栽密度的互作效應(yīng)對稻米Fe濃度均無顯著影響，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，而低、中高密度條件下呈相反趨勢有關(guān)。

2.7對錳濃度的影響

不同處理對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)對稻米Mn濃度無影響。

2.8對鋅濃度的影響

不同處理對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（-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)對稻米Zn濃度無顯著影響。

3結(jié)論與討論

稻米中微量元素的含量對于以稻米為主食的亞洲國家人民來說非常重要。不同試驗中大氣CO2濃度升高對籽粒礦質(zhì)元素的影響存在較大差異[12]。前期氣室試驗表明，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。Seneweera等在溫室試驗低磷土壤上設(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濃度對稻米元素濃度的影響相對較小[8-9，21]。日本大田FACE試驗表明，高CO2濃度對常規(guī)粳稻Akitakomachi成熟期籽粒的大量、微量元素濃度均無顯著影響[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；對其他測定元素Ca、Cu、Mn、Zn、Na均無顯著影響。此結(jié)果總體上與前期FACE研究結(jié)果相似，但與氣室試驗觀察到的結(jié)果不同。這可能與2種氣體熏蒸平臺的差異有關(guān)。FACE情形下供試水稻的根系生長不受限制（而氣室試驗多為盆栽水稻），且稻田養(yǎng)分充足，因此試驗圈內(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，表現(xiàn)為根量增幅明顯大于氣室試驗[15，22-24]，這可能是本試驗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，對構(gòu)建未來高濃度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個因子互作對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)對稻米大量和微量元素濃度均無顯著影響。可見，在不同施氮水平或移栽密度條件下，大氣CO2濃度升高對該品種稻米元素濃度的影響趨勢基本一致。本研究結(jié)果僅為1個供試材料的試驗結(jié)果，大氣CO2濃度、氮肥、移栽密度對稻米礦質(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、超級稻等）進(jìn)行驗證。

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

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