劉超，胡正華*，陳健，劉曉萌 ，于凌飛，孫文娟*，陳書濤

1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心//江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00093；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

隨著世界工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣中CO2濃度逐漸增加，已由工業(yè)革命前的 280 μmol·mol-1上 升 至 當(dāng) 前 的 409 μmol·mol-1（ https://www.CO2.earth/daily- CO2）。在溫室氣體排放中等穩(wěn)定化情景下，2100年大氣CO2濃度預(yù)計(jì)達(dá)到538～670 μmol·mol-1（IPCC，2013）。

CO2是植物進(jìn)行光合作用的重要原料，大氣中CO2濃度升高必然對植物光合作用產(chǎn)生一定的影響（Reddy et al.，2010）。關(guān)于CO2濃度升高對植物光合作用的影響已經(jīng)開展了大量研究。短期內(nèi)增加CO2濃度對植物光合作用具有一定的促進(jìn)作用（徐明怡等，2016）。Kitaya et al.（2004）對番茄Lycopersicon esculentum進(jìn)行研究表明，CO2濃度升高為 800 μmol·mol-1條件下番茄光合速率比 400 μmol·mol-1下高1.2倍以上。王靜等（2009）對小麥Triticum aestivum進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在開花期和灌漿期，其凈光合速率均隨CO2濃度的升高而逐漸增大。然而，也有研究表明長期生長在高濃度CO2下的植物，與正常生長條件下相比，前者的光合速率接近或低于后者，即植物對高濃度CO2產(chǎn)生了光合適應(yīng)或下調(diào)（徐明怡等，2016）。例如，廖軼等（2002）在FACE（Free-air CO2Enrichment）條件下研究水稻光合作用對CO2濃度增高的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著處理時(shí)間的延長，高CO2濃度對水稻凈光合速率的促進(jìn)作用逐漸減小，且在相同CO2濃度水平下測定時(shí)，高CO2濃度處理水稻的凈光合速率明顯低于正常生長條件下。此外，不同植物種類以及同一種類的不同生育時(shí)期，光合速率對高CO2濃度的響應(yīng)也存在很大差異（王潤佳等，2010）。

CO2濃度升高對植物光合作用影響的研究多采用封閉式氣室、開頂式氣室（Open-top Chamber，簡稱OTC）或FACE試驗(yàn)的方法，這些研究多是建立在CO2濃度倍增或者高濃度常值基礎(chǔ)之上（Wang et al.，2000；Singh et al.，2017），而大氣 CO2濃度增加是一個(gè)漸增過程，不是瞬間增至并保持高濃度常值。瞬間 CO2濃度升高 200 μmol·mol-1以上與真實(shí)情景可能存在很大差異。因此，有必要研究不同CO2濃度升高水平（低濃度和高濃度）對植物光合特性的影響。

本研究以水稻Oryza sativa為研究對象，利用由OTC、CO2傳感器、供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成的CO2濃度升高自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)模擬CO2濃度增加，設(shè)置3個(gè)CO2濃度水平（以背景大氣CO2濃度為對照，在背景大氣CO2濃度基礎(chǔ)上分別增加40 μmol·mol-1和 200 μmol·mol-1CO2），研究水稻光合特性對不同CO2濃度升高水平的響應(yīng)，旨在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化，在全球氣候變化大背景下對確保糧食安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于 2016年在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（32.16°N，118.86°E）進(jìn)行。該站位于南京市浦口區(qū)盤城鎮(zhèn)落橋村，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均降水量約1100 mm，多年平均溫度為15.6 ℃，平均日照時(shí)數(shù)超過1900 h，無霜期為237 d。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，耕作層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量為26.1%。0～20 cm土壤容重為1.57 g·cm ，pH（H2O）值為6.3，有機(jī)碳、全氮含量分別為 11.95 g·kg-1、1.19 g·kg-1。

供試水稻品種為南粳9108，屬常規(guī)粳稻，全生育期為149～153 d。5月20日播種，6月20日移栽。肥料運(yùn)籌：氮肥施用總量為176 g·m-2，各時(shí)期氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3?；剩?月20日）采用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1），分蘗期肥（7月5日）和穗肥（8月2日）均為尿素。水分及其他田間管理措施統(tǒng)一按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培要求執(zhí)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

CO2濃度設(shè)置3個(gè)水平：以背景大氣CO2濃度為對照（CK），在背景大氣 CO2濃度基礎(chǔ)上分別增加 40 μmol·mol-1（T1）和 200 μmol·mol-1（T2）CO2，各處理均為4次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)OTC。CO2濃度升高處理從水稻移栽開始至成熟結(jié)束。

不同CO2濃度升高水平由CO2自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（圖1）。CO2自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)由12個(gè)OTC、CO2傳感器、供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了對OTC內(nèi)CO2濃度的自動(dòng)調(diào)控。

OTC為正八邊形棱柱體（對邊直徑3.75 m，高3 m，底面積10 m2），鋁合金框架，安裝高透光性的普通玻璃，為聚集氣體并使氣體散失速率放緩，頂部開口向內(nèi)傾斜45o。每個(gè)OTC內(nèi)配置GMM222 CO2傳感器（Vaisala Inc.，Helsinki，F(xiàn)inland），量程 0～2000 μmol·mol-1。

圖1 CO2自動(dòng)控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of CO2 automatic control system

利用鋼瓶CO2作為氣源（高壓液態(tài)CO2，純度為99%），每天24 h連續(xù)供氣，CO2傳感器每隔2秒向自動(dòng)控制系統(tǒng)反饋當(dāng)前氣室內(nèi)CO2濃度。自動(dòng)控制系統(tǒng)包括CO2感應(yīng)模塊、閥控制模塊、流量控制模塊、加壓模塊、主控板、數(shù)據(jù)采集等，由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn) OTC內(nèi) CO2濃度自動(dòng)監(jiān)測與調(diào)節(jié)。當(dāng)CO2濃度低于目標(biāo)濃度時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開電磁閥，實(shí)時(shí)向OTC補(bǔ)充CO2氣體，使OTC內(nèi)CO2濃度達(dá)到目標(biāo)濃度。每個(gè)OTC內(nèi)安裝有氣溫和相對濕度自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸測定數(shù)據(jù)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合-CO2響應(yīng)曲線測定

利用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA），分別于 7月 27—29日（拔節(jié)期）、8月28—29日（抽穗期）、9月23—25日（乳熟期）測定葉片凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）等相關(guān)參數(shù)。為了保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測定前使用設(shè)定的 1200 μmol·m-2·s-1光源誘導(dǎo)葉片，誘導(dǎo)時(shí)間不少于30 min以充分活化光合系統(tǒng)。測定時(shí)使用內(nèi)置紅藍(lán)光源，光合有效輻射設(shè)置為 1200 μmol·m-2·s-1，葉室溫度設(shè)定與實(shí)時(shí)氣溫保持一致，相對濕度控制在 60%～70%。采用外接 CO2小鋼瓶作為氣源，考慮到植物對CO2的適應(yīng)性，CK處理的光合儀CO2濃度依次設(shè)定為400、300、200、100、50、400、600、800、1000、1200、1500、2000 μmol·mol-1；T1處理的光合儀 CO2濃度依次為 440、300、200、100、50、440、600、800、1000、1200、1500、2000 μmol·mol-1；T2處理的光合儀 CO2濃度依次為 600、300、200、100、50、400、440、600、800、1000、1200、1500、2000 μmol·mol-1；每個(gè)OTC選取生長狀況一致的植株，葉位相同且完全展開的功能葉，在葉片中部進(jìn)行測定，各處理 4個(gè)OTC觀測值用于統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 葉片全氮含量測定

將測定光合-CO2響應(yīng)曲線的葉片掛上標(biāo)簽，光合測定完畢后，把葉片剪下，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，隨后65 ℃烘干48 h至恒重。將葉片碾磨成粉末，用元素分析儀（CHNOS Elemental Analyzer vario El III，Germany，SEAL Analytical GmbH）測定葉片全氮含量。

1.4 計(jì)算與分析

1.4.1 計(jì)算方法

葉片凈光合速率與胞間 CO2濃度之間的關(guān)系用指數(shù)方程（Watling et al.，2000）進(jìn)行擬合：

Pn=a(1-e-bx)+c（1）

CO2補(bǔ)償點(diǎn)（CCP）是將胞間CO2濃度低于300 μmol·mol-1時(shí)的葉片凈光合速率和 CO2濃度進(jìn)行線性回歸分析而得：

Pn=-c+CE×x（2）

葉片尺度水分利用效率（WUE）：

WUE=Pn/Tr （3）

式（1）、式（2）、式（3）中，A為凈光合速率（μmol·m-2·s-1）；x為胞間 CO2濃度（μmol·mol-1）；a為最大光合速率（μmol·m-2·s-1）；b為羧化速率；c為呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；e為自然對數(shù)的底數(shù)；飽和 CO2濃度下凈光合速率 Pnsat=a+c；羧化效率CE=b(a+c)；Tr 為蒸騰速率（mmol·m-2·s-1）。當(dāng)凈光合速率為0時(shí)，x即為光合作用的CO2補(bǔ)償點(diǎn)。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Office Excel 2010進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用SPSS 19.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各處理之間進(jìn)行ANOVA分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，對總光合速率與葉片氮含量的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析。運(yùn)用 Origin 2016（OriginLab Corp.，Wellesley Hills，USA）繪圖軟件完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈光合速率對胞間CO2濃度的響應(yīng)

利用指數(shù)方程擬合各處理凈光合速率（Pn）對胞間CO2濃度（Ci）變化的響應(yīng)曲線（圖2），并計(jì)算出光合特征參數(shù)（表1）。光合-CO2響應(yīng)曲線的R2均達(dá)到了 0.96～0.99，擬合效果比較理想，能夠反映各處理葉片Pn隨Ci變化的趨勢。

由圖2可知，在拔節(jié)期、抽穗期和乳熟期，各處理Pn對Ci的響應(yīng)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化。當(dāng)Ci＜400 μmol·mol-1時(shí)，Pn 隨 CO2濃度增加呈近似直線上升。當(dāng) CO2濃度超過 400 μmol·mol-1時(shí)，Pn 增速逐漸降低，當(dāng) CO2到達(dá)飽和點(diǎn)后，Pn達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定。在拔節(jié)期，CK實(shí)測最大凈光合速率Pnmax為 39.7 μmol·m-2·s-1，T1為 40.0 μmol·m-2·s-1、T2為 40.0 μmol·m-2·s-1；在抽穗期，CK 的 Pnmax為35.0 μmol·m-2·s-1，T1為 34.2 μmol·m-2·s-1，T2為 31.4 μmol·m-2·s-1；在乳熟期，各處理 Pnmax分別為 22.6、25.0 和 20.2 μmol·m-2·s-1。同一處理不同生育時(shí)期Pnmax存在顯著差異，各處理 Pnmax表現(xiàn)為拔節(jié)期＞抽穗期＞乳熟期。

在拔節(jié)期，各處理之間無顯著差異。在抽穗期，當(dāng) CO2濃度在 0～200 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)時(shí)，各處理Pn隨 CO2濃度的升高而增大，各處理之間差異不顯著；當(dāng) CO2濃度在 200～1200 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)時(shí)，各處理間存在顯著差異，Pn表現(xiàn)為CK＞T1＞T2；當(dāng) CO2濃度超過 1200 μmol·m-2·s-1后，CK 和 T1無顯著差異，而T2處理較CK和T1差異顯著。在乳熟期，隨著 CO2濃度升高，各處理的 Pn表現(xiàn)為T1＞CK＞T2。

圖2 凈光合速率（Pn）對胞間CO2濃度（Ci）的響應(yīng)Fig.2 Responses of net photosynthetic rate (Pn) to intercellular CO2 concentration (Ci)

表1 不同處理下水稻不同生育時(shí)期CO2響應(yīng)參數(shù)Table1 Parameters of CO2 response curves of Rice under different treatments

由表1可知，在拔節(jié)期和抽穗期，與CK相比，T1和T2處理的Pnsat、CE、CCP、Rp均不存在顯著性差異；在乳熟期，T2處理下 Pnsat和CE較 T1分別顯著降低了 21.3%（P＜0.05）和 29.1%（P＜0.05），各處理之間的CCP、Rp均不存在顯著性差異。

在CK處理下，與拔節(jié)期、抽穗期相比，乳熟期Pnsat顯著降低，降幅分別為41.1%（P＜0.01）和32.1%（P＜0.01）；乳熟期CE較拔節(jié)期和抽穗期顯著降低，降幅分別為 49.2%（P＜0.01）和 40.7%（P＜0.01）；3個(gè)生育時(shí)期的CCP和Rp均不存在顯著性差異。

在T1處理下，與拔節(jié)期、抽穗期相比，乳熟期Pnsat顯著降低，降幅分別為36.8%（P＜0.01）和28.0%（P＜0.01）；3個(gè)生育時(shí)期的CE、CCP和Rp均不存在顯著性差異。

在T2處理下，與拔節(jié)期相比，抽穗期和乳熟期Pnsat顯著降低，降幅分別為20.0%（P＜0.01）和50.7%（P＜0.01），乳熟期 Pnsat較抽穗期顯著降低，降幅為 38.5%（P＜0.01）；乳熟期 CE較拔節(jié)期顯著降低，降幅為36.6%（P＜0.05）；3個(gè)生育時(shí)期的CCP和Rp均不存在顯著性差異。

2.2 CO2濃度升高對不同處理凈光合速率的影響

由圖 3可知，在設(shè)定 CO2濃度為 600、800、1000 μmol·mol-1條件下，CK、T1和 T2各個(gè)生育時(shí)期的 Pn表現(xiàn)為 Pn1000＞Pn800＞Pn600，說明 CO2濃度升高促進(jìn)了各處理水稻葉片的 Pn。設(shè)定 CO2濃度為600 μmol·mol-1時(shí)，與CK相比，T2處理各生育時(shí)期的Pn顯著降低，降幅分別為44.0%（P＜0.01）、43.4%（P＜0.01）和49.1%（P＜0.01）；不同處理各生育時(shí)期的 Pn差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。設(shè)定 CO2濃度為 800 μmol·mol-1時(shí)，T1和 T2處理各生育時(shí)期Pn較CK沒有顯著性差異，但T2處理Pn較CK分別降低了4.9%（P=0.506）、12.7%（P=0.167）和16.6%（P=0.220）；CK處理乳熟期Pn較拔節(jié)期顯著降低，降幅為 41.2%（P＜0.01），T1和 T2處理 Pn較 CK在各生育時(shí)期均存在顯著差異（P＜0.05）；設(shè)定 CO2濃度為 1000 μmol·mol-1時(shí)，在拔節(jié)期和抽穗期，T1和T2處理Pn較CK沒有顯著性差異；在乳熟期，T2處理Pn較T1顯著降低，降幅為21.5%（P＜0.05）。

2.3 總光合速率與葉片氮含量的關(guān)系

圖4所示為各處理下總光合速率（設(shè)定CO2為600 μmol·mol-1條件）與葉片氮含量的關(guān)系?；貧w分析表明，總光合速率和葉片氮含量之間存在極顯著正比例函數(shù)關(guān)系（P＜0.01），即總光合速率隨著葉片氮含量的升高而升高。CK、T1和T2處理下正比例函數(shù)的R2分別為0.81、0.67和0.61。

圖 4 總光合速率(CO2=600 μmol·mol-1)與葉片氮含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between total photosynthetic rate (CO2=600 μmol·mol-1) and leaf total nitrogen contents

圖3 CO2濃度升高對不同生育時(shí)期凈光合速率的影響Fig.3 Effects of elevated CO2 concentration on net photosynthetic rate of Rice in different growth stages

表2 總光合速率與葉片氮含量的關(guān)系Table2 Relationship between total photosynthetic rate and leaf nitrogen content

統(tǒng)計(jì)分析表明，設(shè)定CO2濃度為600、800和1000 μmol·mol-1條件下，總光合速率與葉片氮含量之間仍呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表 2）。在回歸方程中，回歸系數(shù)k代表總光合速率隨著葉片氮含量增加的變化速率，即葉片光合氮素利用效率（PUNE），k值越大，說明總光合速率對葉片氮含量的變化越敏感。無重復(fù)雙因素方差分析表明，T2處理PUNE顯著高于CK和T1，且CO2濃度越高，T2處理的PUNE越大。

2.4 葉片尺度水分利用率對胞間CO2濃度的響應(yīng)

由圖5可知，各處理在不同生育時(shí)期WUE均隨Ci呈一定規(guī)律性變化，即WUE均隨著CO2濃度的升高而增大。在拔節(jié)期，當(dāng) CO2濃度為 0～800 μmol·mol-1，各處理 WUE隨 CO2濃度的升高而呈線性增加，差異不顯著；當(dāng) CO2在 800～2000 μmol·mol-1范圍內(nèi)，各處理 WUE隨 CO2濃度升高而增加的幅度逐漸減緩，T2處理WUE顯著高于CK和T1。在抽穗期，各處理WUE的差異整體表現(xiàn)為CK＞T2＞T1。在乳熟期，當(dāng) CO2濃度為 0～800 μmol·mol-1時(shí)，T1處理的 WUE 高于 CK 和 T2，當(dāng)CO2濃度高于 800 μmol·mol-1時(shí)，各處理之間 WUE表現(xiàn)為 T1＞T2＞CK。

CO2濃度升高對各處理葉片尺度水分利用率的影響見表3。在相同CO2濃度水平下，同一生育時(shí)期各處理WUE均不存在顯著性差異。

設(shè)定 CO2濃度為 600 μmol·mol-1，與拔節(jié)期相比，CK處理抽穗期和乳熟期的WUE顯著升高，升幅分別為 35.8%（P＜0.05）和 42.0%（P＜0.05）；T1和T2處理僅乳熟期的WUE顯著升高，升幅分別為55.8%（P＜0.01）和41.7%（P＜0.01）。

設(shè)定 CO2濃度為 800 μmol·mol-1，與拔節(jié)期相比，CK處理抽穗期和乳熟期WUE顯著升高，升幅分別為 42.5%（P＜0.01）、44.8%（P＜0.01）；T1和T2在抽穗期、乳熟期的WUE顯著升高，升幅分別為35.4%（P＜0.05）、136.6%（P＜0.01）和37.3%（P＜0.05）、42.4%（P＜0.05）。

設(shè)定 CO2濃度為 1000 μmol·mol-1，與拔節(jié)期相比，CK處理抽穗期和乳熟期WUE顯著升高，升幅分別為 50.3%（P＜0.01）、47.6%（P＜0.01）；T1和T2處理在抽穗期和乳熟期的WUE顯著升高，升幅分別為 42.3%（P＜0.05）、143.8%（P＜0.01）和38.3%（P＜0.05）、42.4%（P＜0.05）。

3 討論

3.1 光合特性

圖5 水分利用率對胞間CO2響應(yīng)曲線Fig.5 Response of water use efficiency to intercellular CO2 concentration

表3 CO2濃度升高對不同處理水稻水分利用率的影響Table3 Effects of elevated CO2 concentration on water use efficiency of rice under different treatments

植物的光合作用是描述植物光合機(jī)構(gòu)功能和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本指標(biāo)，是光合機(jī)理研究的重要內(nèi)容，也是揭示光合作用調(diào)節(jié)規(guī)律的有力手段（呂揚(yáng)等，2016）。植物的光合作用不僅與葉綠素含量、葉片厚度和葉片成熟程度等自身因素有關(guān)，而且還受到外界環(huán)境因子如CO2濃度、溫度等的影響（葉子飄等，2008）。有關(guān)研究表明，在短時(shí)間CO2濃度增加處理下，植物的光合速率會(huì)顯著增加（周玉梅等，2001），然而隨著高濃度CO2處理時(shí)間的延長，這種光合速率的增強(qiáng)會(huì)逐漸減弱甚至消失，有的甚至出現(xiàn)光合作用下調(diào)現(xiàn)象（王為民等，2000；Chen et al.，2005）。本研究表明，CO2濃度升高不同程度促進(jìn)了各處理水稻Pn（圖2），這可能是因?yàn)镃O2濃度的升高使其增加了對Rubisco酶結(jié)合位點(diǎn)的競爭性，提高了羧化效率（張淑勇等，2014）；另一方面，CO2濃度的增加在某種程度上會(huì)對植物的光呼吸產(chǎn)生抑制作用（Drake et al.，1997），從而使Pn增加。

光合-CO2響應(yīng)曲線可以反映植物光合速率隨CO2濃度變化的特性，是判斷植物光合能力的重要指標(biāo)（羅輔燕等，2013）。選用指數(shù)方程模型對光合-CO2響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，可計(jì)算出相關(guān)光合特征參數(shù)，利用這些光合特征參數(shù)可對植物的光合生理生態(tài)特性進(jìn)行評價(jià)。對植物光合生理特性反映最直接的指標(biāo)是 Pn，而 Pnsat是衡量植物葉片光合能力的關(guān)鍵性指標(biāo)（張小全等，2001；霍宏等，2007）。本研究表明，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，T2處理 Pnsat逐漸降低（表1），即T2降低了水稻最大光合潛力。CE和CCP的大小反映植物利用低濃度CO2的能力（王為民等，2000），CE越大、CCP越小，表明植物利用低濃度CO2的能力越強(qiáng)。本研究結(jié)果表明，T2處理CE較CK和T1顯著降低了，但CCP增加了（表1），說明T2處理下水稻對低CO2濃度的利用率較低，由圖2也可知，在較低CO2濃度水平下，T2處理3個(gè)生育時(shí)期Pn均較CK和T1低。

本研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng) CO2濃度分別為 600、800和 1000 μmol·mol-1時(shí)，T2處理 3 個(gè)生育時(shí)期 Pn 均較CK顯著下降（圖3），即產(chǎn)生了光合下調(diào)的現(xiàn)象。其可能原因是由于高CO2促進(jìn)了植物的光合作用，碳水化合物在葉片內(nèi)大量累積，不能夠及時(shí)運(yùn)輸，最終產(chǎn)物累積造成反饋抑制或造成葉綠體的損傷（范桂枝等，2005；Sawada et al.，2001）。朱延姝等（2010）研究表明，不同品種番茄Pn在苗期、開花座果期和果實(shí)膨大期逐漸下降。本研究亦表明，隨著生育時(shí)期推進(jìn)，各處理水稻Pn逐漸降低。

3.2 葉片氮含量

氮素是植物合成葉綠素和各種酶的重要組成成分，其對植物各項(xiàng)生理活動(dòng)有非常重要的作用（鄭淑霞等，2007）。植物葉片中大約有 75%的氮存在于葉綠體中，且大部分被用于光合器官的構(gòu)建（Takashima et al.，2004）。葉片氮含量是限制植物光合能力的關(guān)鍵因子之一，葉片氮含量不僅會(huì)影響葉綠素含量，而且也會(huì)對葉片內(nèi)參加光合作用的酶的含量及其活性產(chǎn)生影響（Goedhart et al.，2010）。有關(guān)研究表明，葉片氮含量的增加有助于植物進(jìn)行光合作用（尹麗等，2011）。張亞杰等（2004）研究表明，植物葉片的氮含量與光合能力存在顯著正相關(guān)關(guān)系。郭盛磊等（2005）對落葉松Larix gmelinii幼苗針葉進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉片的氮含量與其Pnmax呈曲線相關(guān)，當(dāng)葉片氮含量超過24 mg·g-1后Pnmax開始下降。然而，也有一些研究發(fā)現(xiàn)，不同物種間 Pn與葉片氮含量呈負(fù)相關(guān)或無顯著相關(guān)性（Takashima et al.，2004）。本研究結(jié)果表明，不同CO2濃度下，各處理水稻葉片總光合速率與氮含量均呈極顯著正相關(guān)，總光合速率隨著葉片氮含量的升高而升高（圖 4，表 2）。光合能力與葉片氮含量比率可以作為評估氮素投入光合效率的指標(biāo)，即光合氮素利用效率（PNUE），它可以用來表示氮素利用效率與固定CO2關(guān)系的瞬時(shí)測度（Takashima et al.，2004）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，T2處理PNUE顯著高于CK和T1，表明水稻葉片PNUE隨CO2濃度增加而增加。

3.3 水分利用效率

水分利用效率是植物葉片水分利用特征的基本生理參數(shù)，是表征植物在等量水分消耗情況下，固定CO2的能力（Ogutu et al.，2013）。本研究表明，各處理WUE在3個(gè)生育時(shí)期均隨著CO2濃度升高而逐漸增加（圖 5），這與前人研究結(jié)果相一致（王晨光等，2015；Kim et al.，2003）。在相同CO2濃度水平下，同一生育時(shí)期不同處理間 WUE不存在顯著性差異（表3）。雖然T2處理Pn在CO2濃度為 600、800 和 1000 μmol·mol-1水平下相比于CK和T1整體上均發(fā)生了下調(diào)，但是本研究發(fā)現(xiàn)葉片Gs隨著CO2濃度的升高而逐漸降低，導(dǎo)致部分氣孔關(guān)閉，引起Tr下降，因此T2處理WUE較CK和 T1差異不顯著。有研究表明，CO2濃度從 350 μmol·mol-1升高到 700 μmol·mol-1，春小麥葉片溫度升高 1～3 ℃（王潤佳等，2010），溫度升高可以促進(jìn)葉片的蒸騰作用。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同生育時(shí)期WUE整體表現(xiàn)為乳熟期＞抽穗期＞拔節(jié)期，可能的原因是不同生育時(shí)期的氣溫存在差別，葉片溫度也會(huì)隨之變化。本研究中，拔節(jié)期葉片溫度約為35 ℃，抽穗期約為 32 ℃，乳熟期約為 25 ℃，最大溫差近10 ℃，盡管各處理Pn隨著生育時(shí)期的推進(jìn)呈逐漸降低趨勢，但是Tr受到葉片溫度的影響（馬莉等2012；伍維模等2006；），其下降速率遠(yuǎn)大于Pn，故不同生育時(shí)期WUE差異顯著。

4 結(jié)論

（1）對照、增加 40 μmol·mol-1和 200 μmol·mol-1CO23種處理的水稻，隨著設(shè)定CO2濃度梯度升高，Pn逐漸增加，最終達(dá)到飽和狀態(tài)并趨于穩(wěn)定；同一CO2濃度水平，增加 200 μmol·mol-1CO2處理的 Pn低于對照，水稻長期生長在增加200 μmol·mol-1CO2濃度環(huán)境產(chǎn)生了光合下調(diào)現(xiàn)象。同時(shí)，增加 200 μmol·mol-1CO2濃度處理降低了 Pnsat和 CE。

（2）對照、增加 40 μmol·mol-1和 200 μmol·mol-1CO23種處理，在設(shè)定不同CO2濃度下總光合速率與葉片氮含量均呈極顯著正相關(guān)，總光合速率隨葉片氮含量升高而升高。增加 200 μmol·mol-1CO2濃度處理下，水稻 PNUE顯著高于對照和增加 40 μmol·mol-1CO2處理，且隨著設(shè)定CO2濃度增加而增加。

（3）對照、增加 40 μmol·mol-1和 200 μmol·mol-1CO23種處理的水稻，隨著設(shè)定CO2濃度梯度升高，WUE也逐漸增加；在同一CO2濃度水平下，各處理WUE不存在顯著性差異。

致謝：南京信息工程大學(xué)王亞萍、番聰聰、王藝杰、尤新媛，中國科學(xué)院植物研究所張琳、張晨希、李昕、胡洵瑀、鄧希、呂春華參加光合作用測定；中國科學(xué)院植物研究所黃耀研究員對論文的撰寫和修改提出寶貴建議，一并致謝。

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