陶 冶，蔡 創(chuàng)，韋 薇，楊 雄，王東明，沈 敏，宋 練，朱春梧*

大氣CO2濃度升高對(duì)高、低響應(yīng)水稻品種根系生長(zhǎng)的影響——FACE研究①

陶 冶1,2，蔡 創(chuàng)1，韋 薇1,2，楊 雄1,2，王東明1,2，沈 敏1,2，宋 練1，朱春梧1*

(1 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(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

大氣CO2濃度([CO2])升高是未來(lái)氣候變化的主要特征之一，研究表明高[CO2]會(huì)提高水稻產(chǎn)量，且水稻兩個(gè)亞型(秈稻和粳稻)的產(chǎn)量增幅存在很大的差異。然而，目前還不明確這種基因型的響應(yīng)差異是否與其根系的生長(zhǎng)響應(yīng)差異有關(guān)。本試驗(yàn)依托自由大氣[CO2]升高研究平臺(tái)(free air CO2enrichment, FACE)，以低產(chǎn)量響應(yīng)品種粳稻 (L.) 武運(yùn)粳23和高產(chǎn)量響應(yīng)品種秈稻 (L.) 揚(yáng)稻6號(hào)為試驗(yàn)材料，設(shè)置高[CO2] (590 μmol/mol) 和對(duì)照(390 μmol/mol)處理。使用微根窗法連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種水稻的根系生長(zhǎng)狀況，進(jìn)一步計(jì)算根系周轉(zhuǎn)率指標(biāo)。結(jié)果表明：高[CO2]顯著促進(jìn)了兩個(gè)品種的水稻根系生長(zhǎng)，其根系長(zhǎng)度、表面積和體積相對(duì)于對(duì)照平均增加了120%、106% 和98%；兩個(gè)品種間，高[CO2]處理使武運(yùn)粳23的根系周轉(zhuǎn)率顯著下降，降幅達(dá)66%；揚(yáng)稻6號(hào)的根系周轉(zhuǎn)率則上升了約18%；高[CO2]處理下的武運(yùn)粳23的根系增量主要分布在淺層(32% 升至56%)，而揚(yáng)稻6號(hào)的根系在深層的分布從12% 增加至20%。結(jié)合已有產(chǎn)量響應(yīng)及氮素吸收結(jié)果，我們認(rèn)為相較于根長(zhǎng)等根系形態(tài)指標(biāo)，水稻根系的周轉(zhuǎn)率與深層根系分布比例可能是不同基因型水稻品種的產(chǎn)量對(duì)高[CO2]響應(yīng)存在明顯差異的主要原因。

CO2濃度升高；水稻；根系生長(zhǎng)；高低應(yīng)答品種；微根窗

受人類(lèi)活動(dòng)的影響，大氣CO2濃度([CO2]) 大概率將持續(xù)增加，到21世紀(jì)末最高可達(dá)1 135 μmol/mol (SSP5-8.5)[1]。水稻作為全球超過(guò)一半人口的主糧[2]，其生產(chǎn)對(duì)高[CO2]的適應(yīng)性關(guān)乎未來(lái)糧食安全[3-4]。許多研究表明高[CO2]會(huì)促進(jìn)水稻產(chǎn)量，且產(chǎn)量增幅在品種間有較大的差異[5-9]，許多研究從光合響應(yīng)、產(chǎn)量形成等方面探明水稻產(chǎn)量響應(yīng)差異的機(jī)理[5-6, 10-11]，卻很少有研究從根系生長(zhǎng)角度進(jìn)行解釋。水稻根系是支撐地上部、吸收水分和養(yǎng)分的重要器官[12]，根系的生長(zhǎng)發(fā)育與地上部生長(zhǎng)、產(chǎn)量與品質(zhì)的形成密切相關(guān)。因此，監(jiān)測(cè)根系生長(zhǎng)對(duì)高[CO2]的響應(yīng)在研究水稻對(duì)全球變化的適應(yīng)性上具有重要意義。

由于根系生長(zhǎng)在地下的特性，長(zhǎng)期以來(lái)，水稻根系研究多采用挖掘法、根鉆法、容器法等傳統(tǒng)方法[13]，這些傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)是取樣具有破壞性，不僅工作量大，且無(wú)法對(duì)特定根系進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的觀測(cè)。微根窗 (minirhizotrons) 法是一種原位的、非破壞性和可定點(diǎn)持續(xù)觀測(cè)植物根系的方法，此方法不僅可以無(wú)損地對(duì)特定時(shí)期根數(shù)、根長(zhǎng)和根表面積等形態(tài)指標(biāo)的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)定，其主要優(yōu)勢(shì)在于可以連續(xù)、定點(diǎn)地觀測(cè)特定根系或根系片段在整個(gè)生長(zhǎng)季的動(dòng)態(tài)變化。不僅如此，通過(guò)分析根管視野內(nèi)老根的衰老和新根的產(chǎn)生，微根窗法還可獲得根系的更替狀態(tài)，研究中通常使用根系周轉(zhuǎn)率進(jìn)行表示。根系周轉(zhuǎn)率不僅可以表達(dá)根系新老更替的速率，還可以反映植物本身的動(dòng)態(tài)資源分配。因?yàn)橹参锇l(fā)新根消耗的能量要遠(yuǎn)高于保持相同量的老根所需的能量[14]，較高的根系周轉(zhuǎn)率表示較多的新根產(chǎn)生，可以維持較高的根系活力[15]。因此，許多研究也發(fā)現(xiàn)根系周轉(zhuǎn)率相對(duì)于靜態(tài)的根系形態(tài)指標(biāo)對(duì)全球變化因子(如CO2、溫度升高)具有更強(qiáng)的敏感性，可以很好地表征植物根系對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[15-17]。

已有的研究表明高[CO2]會(huì)使水稻根系生物量顯著增加，對(duì)不定根數(shù)、不定根總長(zhǎng)度、根系體積等形態(tài)指標(biāo)也有促進(jìn)作用[18-19]，但對(duì)水稻生長(zhǎng)季內(nèi)根系周轉(zhuǎn)率的影響鮮有報(bào)道，也未從根系周轉(zhuǎn)、深層分布等角度研究高低響應(yīng)品種的差異。因此，本研究依托自由大氣[CO2]升高研究平臺(tái)(free air CO2enrichment, FACE)，以低產(chǎn)量響應(yīng)品種粳稻 (L.) 武運(yùn)粳23和高產(chǎn)量響應(yīng)品種秈稻 (L.) 揚(yáng)稻6號(hào)為試驗(yàn)材料，設(shè)置高[CO2] (590 μmol/mol)和對(duì)照 (390 μmol/mol)處理。使用微根窗法連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種水稻的根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況，進(jìn)一步計(jì)算根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，以期闡明高[CO2]對(duì)水稻根系形態(tài)指標(biāo)、根系周轉(zhuǎn)率的影響以及其基因型差異，為全球變化條件下水稻根系調(diào)控、品種選育及制定水稻生產(chǎn)對(duì)大氣[CO2]升高的應(yīng)對(duì)策略提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)信息

FACE平臺(tái)位于江蘇省蘇州市常熟市古里鎮(zhèn)康博村(31°30′N(xiāo), 120°33′E)，于2010年建設(shè)完成。該處的海拔高度為6 m，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，其年降水量1 100 ～ 1 200 mm，年均溫度16 ℃，年均日照時(shí)長(zhǎng)>2 100 h，無(wú)霜期>200 d。該區(qū)土壤類(lèi)型為烏柵土，耕作方式為水稻–冬小麥輪作。耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳16 g/kg，全氮1.9 g/kg，有效磷12.3mg/kg，速效鉀94.3mg/kg。試驗(yàn)共設(shè)有兩個(gè)[CO2]處理，分別為390 (Ambient CO2，記為Amb.)和590 μmol/mol(Elevated CO2，記為E[CO2])，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)圈，其中各試驗(yàn)圈均為正八邊形，直徑8 m，面積約50 m2。FACE圈內(nèi)CO2放氣管道距水稻冠層50 cm左右，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向來(lái)調(diào)整FACE圈CO2氣體的噴施。FACE平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理、運(yùn)行模式和性能等詳見(jiàn)Cai等[5]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置與栽培管理

試驗(yàn)于2020年水稻季進(jìn)行，供試品種為低產(chǎn)量響應(yīng)品種武運(yùn)粳23 (WYG23)和高產(chǎn)量響應(yīng)品種揚(yáng)稻6號(hào)(YD6)[8]。5月27日播種，6月23日移栽，武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的收獲日期分別為10月15日和10月18日。CO2噴施處理始于6月24日，止于10月10日。氮、磷、鉀肥的施用量分別為18.1、6.9和6.9 g/m2，其中磷、鉀肥作為基肥一次性全部施入，氮肥基肥、分蘗肥和穗肥的量分別是6.9、6.0和5.2 g/m2?；什捎玫租洷壤秊?5︰15︰15的復(fù)合肥于移栽前一天施入，于7月4日和8月9日分別追施分蘗肥和穗肥。武運(yùn)粳23每穴2棵苗，揚(yáng)稻6號(hào)每穴1棵苗，種植密度均為24穴/m2。生育期內(nèi)(5月27日—10月18日)最高、最低及平均溫度分別為29.1、22.0 和25.1℃，降水量為571.4 mm。

1.3 微根窗法根系測(cè)量

根管安裝：于水稻移栽后封行前(7月4日)埋入根管。考慮水稻根系分布較淺特性，同時(shí)為了保證留有足夠長(zhǎng)度使根管上口高于稻田的水層，于水稻兩行間以與地面呈45°角埋入1 m長(zhǎng)根管，控制深度，使得埋入土壤中部分和露出部分分別為70 cm和30 cm，露出部分包裹遮光材料，根管頂部使用塑膠蓋密封。由于稻田保有水層，于根管上懸掛重物保證根管不因浮力發(fā)生移動(dòng)。每個(gè)品種在一個(gè)試驗(yàn)圈內(nèi)埋設(shè)2根根管，共24根。

根系掃描：根系生長(zhǎng)在一天內(nèi)的變化幾乎可以忽略，為了避免清晨露水影響儀器，試驗(yàn)于下午時(shí)段(14:00—19:00)進(jìn)行根系掃描。首先將原位根系掃描儀(CI-600, CID Inc., Camas, WA, USA) 放入自帶白色根管中進(jìn)行校正，隨后連接便攜式電腦于田間放入根管進(jìn)行掃描，每根根管掃描得到3張不同深度的根系圖像。抽穗前掃描時(shí)間為8月11日，抽穗期掃描時(shí)間為9月4日，灌漿期掃描時(shí)間為9月21日、10月1日、10月10日、10月17日(其中10月17日武運(yùn)粳23已收獲，未掃描)。

圖像分析：使用RootSnap (CID Bio-Science, Inc., Camas, WA, USA) 軟件對(duì)掃描得到的圖像進(jìn)行整理，描繪根系和分析。根系周轉(zhuǎn)率選用根長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，本文計(jì)算了8月11日—9月4日(階段1)和9月4日—9月21日(階段2)之間的根系周轉(zhuǎn)率。前(時(shí)期1)后(時(shí)期2)兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的根系周轉(zhuǎn)率使用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與初步分析，使用Statistix 9對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Sigma Plot 14軟件進(jìn)行作圖，使用LSD (least significant difference)法在0.05水平進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 [CO2]升高對(duì)水稻根系形態(tài)的影響

2.1.1 總根長(zhǎng) 總體來(lái)說(shuō)，武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的總根長(zhǎng)均在齊穗前達(dá)到最大值(圖1A)。就處理而言，與對(duì)照相比，高[CO2]下的兩個(gè)水稻品種的根長(zhǎng)均顯著增加，具體表現(xiàn)為：FACE處理使武運(yùn)粳23的總根長(zhǎng)平均增加了170%，使揚(yáng)稻6號(hào)的總根長(zhǎng)平均增加了70%。然而，武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的總根長(zhǎng)在高[CO2]下增加的比值隨著生育期的推進(jìn)而明顯降低，表明高[CO2]加速了兩個(gè)品種根系的衰老。而且，高[CO2]加速武運(yùn)粳23根系衰老的速度要明顯快于揚(yáng)稻6號(hào)。

2.1.2 根表面積 [CO2]升高對(duì)兩種水稻品種根表面積的影響如圖1B所示，根表面積指標(biāo)在兩個(gè)品種及處理間的變化趨勢(shì)與根長(zhǎng)表現(xiàn)相似。就處理而言，高[CO2]處理使得兩個(gè)水稻品種的根表面積相比于對(duì)照均顯著增加，具體表現(xiàn)為：高[CO2]處理使武運(yùn)粳23的根表面積平均增加153%，揚(yáng)稻6號(hào)平均增加了59%。同樣，高[CO2]下武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的根表面積增幅隨著生育期的推進(jìn)而明顯降低。

2.1.3 根體積 [CO2]升高處理下，兩個(gè)品種在測(cè)量期間的根體積見(jiàn)圖1C?？傮w來(lái)說(shuō)，高[CO2]顯著增加了兩個(gè)水稻品種的根體積，具體表現(xiàn)為：高[CO2]下武運(yùn)粳23的根體積平均增加了138%，揚(yáng)稻6號(hào)的根體積平均增加58%。

2.2 [CO2]升高對(duì)水稻根系周轉(zhuǎn)率及根系分層分布的影響

2.2.1 根系周轉(zhuǎn)率 武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的根系周轉(zhuǎn)率對(duì)高[CO2]的響應(yīng)如圖2A所示。在階段1中，對(duì)照環(huán)境下，兩個(gè)品種的根系周轉(zhuǎn)率無(wú)顯著差異；而高[CO2]處理對(duì)兩個(gè)品種周轉(zhuǎn)率的影響則不同，F(xiàn)ACE處理使武運(yùn)粳23的根系周轉(zhuǎn)率顯著下降，降幅達(dá)66%；而對(duì)揚(yáng)稻6號(hào)的根系周轉(zhuǎn)率則有促進(jìn)作用(+18 %)，但未達(dá)到顯著水平。在階段2中，兩品種整體的根系周轉(zhuǎn)率均有明顯的下降，同時(shí)，F(xiàn)ACE處理降低武運(yùn)粳23而提高揚(yáng)稻6號(hào)根系周轉(zhuǎn)率的趨勢(shì)保持不變，均未達(dá)到顯著水平，且作用的幅度小于階段1。

2.2.2 根系分層分布 [CO2]升高對(duì)兩個(gè)水稻品種根系在地下分布的影響如圖2B所示。在對(duì)照環(huán)境下，武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的根系分布無(wú)顯著差異，均是中層分布最多(54% 和50%)，淺層次之(32% 和38%)，深層最少(14% 和12%)。在高[CO2]處理下，兩個(gè)品種的根系分布比例均發(fā)生了變化，武運(yùn)粳23的根系分布在FACE處理下改變?yōu)橹袑雍蜕顚臃植急壤档?，而淺層根系分布例提高了66.7%；揚(yáng)稻6號(hào)的根系在淺層的分布比例變化不大(38% ～ 42%)，中層根系分布整體降低了12%，深層的根系分布則從12% 提升至20%。

3 討論

與地上部生物量、產(chǎn)量等指標(biāo)對(duì)高[CO2]響應(yīng)一致，已有的試驗(yàn)表明大氣[CO2]升高同樣會(huì)使水稻各生育期根系生物量、根長(zhǎng)和根體積等形態(tài)指標(biāo)顯著高于對(duì)照[18-27]。劉紅江等[26]和楊洪建等[27]分別以雜交秈稻秈優(yōu)63和粳稻武香粳 14為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)FACE處理使其抽穗期根系干重分別增加了50.2% 和38.3%。以根長(zhǎng)指標(biāo)為例，在本研究中，高[CO2]處理使武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)的根長(zhǎng)在齊穗期分別增加了170% 和70%，這與前人的結(jié)果基本一致。高[CO2]環(huán)境下，供試品種根長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)的提升與產(chǎn)量增加密切相關(guān)。

(圖中*表示兩處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平；Amb.：390 μmol/mol；E[CO2]：590 μmol/mol；下圖同)

(階段1和階段2分別為8月11日—9月4日和9月4日—9月21日，圖中小寫(xiě)字母不同表示同一水稻品種不同處理間差異達(dá)P<0.05 (LSD)顯著水平，下圖同。)

受限于水稻一年生特性和傳統(tǒng)研究方法的限制，破壞性的根系取樣很難獲得根系周轉(zhuǎn)率相關(guān)的數(shù)據(jù)，已有的有限的使用微根窗法有關(guān)水稻的研究也并未展示相關(guān)數(shù)據(jù)[20-25]。本研究對(duì)比前3次的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)在該段時(shí)間內(nèi)的根系周轉(zhuǎn)率。這3次測(cè)量時(shí)間覆蓋了兩個(gè)品種整個(gè)開(kāi)花期。與根長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)不同，本試驗(yàn)選用的兩個(gè)品種在根系周轉(zhuǎn)率的變化趨勢(shì)上表現(xiàn)出了品種間的差異。在對(duì)照情況下兩個(gè)品種的周轉(zhuǎn)率無(wú)顯著差異的情況下，階段1中高[CO2]處理使武運(yùn)粳23的根系周轉(zhuǎn)率顯著下降，降幅達(dá)66%；揚(yáng)稻6號(hào)的根系周轉(zhuǎn)率則上升了約18%。階段2中兩品種根系周轉(zhuǎn)率對(duì)高[CO2]處理的響應(yīng)保持了與前一階段相同的趨勢(shì)，但由于生長(zhǎng)后期根系衰老，整體數(shù)值下降明顯。以往的研究已表明，較高的根系周轉(zhuǎn)率意味著根系可以保持較高的根系活力，有利于根系吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[15-16]。同樣的，有關(guān)根系分布與產(chǎn)量關(guān)系的研究表明，淺層根的質(zhì)量與產(chǎn)量之間無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系，而深層根質(zhì)量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[28]。在本研究中，在高[CO2]環(huán)境下，武運(yùn)粳23的根系增量主要分布在淺層土壤中，而揚(yáng)稻6號(hào)深層土壤中的根系分布明顯增加。在以往的高[CO2]研究中，秈稻品種產(chǎn)量增幅的表現(xiàn)要普遍高于粳稻[8]，本試驗(yàn)的結(jié)果也表明揚(yáng)稻6號(hào)的地上部氮吸收量及增幅均高于武運(yùn)粳23(圖3A)。綜合本研究所測(cè)指標(biāo)，在FACE條件下，揚(yáng)稻6號(hào)在根長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)上，即使以單莖為單位相對(duì)于武運(yùn)粳23也未有優(yōu)勢(shì)(圖3B)。而在根系周轉(zhuǎn)率和根系的深層分布上優(yōu)于武運(yùn)粳23。因此，我們認(rèn)為相較于根長(zhǎng)等根系形態(tài)指標(biāo)，水稻根系的周轉(zhuǎn)率與深層根系分布比例與水稻對(duì)高[CO2]產(chǎn)量響應(yīng)差異有著更為密切的關(guān)系。另一方面，根系周轉(zhuǎn)過(guò)程中的碳輸入是陸地生態(tài)系統(tǒng)向土壤有機(jī)碳輸入的主要貢獻(xiàn)者[15]。本研究表明，在高[CO2]環(huán)境下，高產(chǎn)量響應(yīng)品種根系周轉(zhuǎn)率顯著高于低響應(yīng)品種，在應(yīng)對(duì)全球變化中，高響應(yīng)品種不僅在產(chǎn)量上具有優(yōu)勢(shì)[8]，在對(duì)土壤有機(jī)碳輸入方面同樣具有較大的潛力。

圖3 大氣[CO2]升高對(duì)武運(yùn)粳23和揚(yáng)稻6號(hào)地上部氮素吸收量(A) 和單莖根長(zhǎng)(B)的影響

微根窗法在安裝穩(wěn)定后可以非常方便地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)根系的生長(zhǎng)，獲得根的顏色、分支特征、根系衰亡、分解等諸多信息。誠(chéng)然，微根窗法本身也具有一定的局限性。首先，此方法的觀測(cè)是以單個(gè)根管為單位，無(wú)法測(cè)得通用的以土地面積為單位的根系形態(tài)指標(biāo)，且無(wú)法直接獲取到根系樣品進(jìn)行后續(xù)生化分析；其次，水稻是須根系作物[12]，根系主要分布在淺層土壤中，而根管的直徑從淺層至深層則是一致的，這造成了不同深度根系被根管觀察到的概率是不同的，其中較淺層的根系更易被根管監(jiān)測(cè)到，淺層根系的生長(zhǎng)變化也更易被根管捕獲。上述微根窗法的特性決定此方法能夠很好地適用于比較處理間的差異，而對(duì)品種間的差異，還需考慮品種間根系生長(zhǎng)及分布特性并配合根鉆法等直接取樣的方法來(lái)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。武運(yùn)粳23在FACE下根量較大根系周轉(zhuǎn)率卻較低以及不同于前人研究結(jié)果[24, 26-27]的高[CO2]對(duì)兩個(gè)品種間的增幅差異也可能與微根窗法的特性有關(guān)。此外，武運(yùn)粳23在FACE下根系周轉(zhuǎn)率較低的另一個(gè)可能原因是根系過(guò)早的衰老，武運(yùn)粳23的齊穗期及成熟期均早于揚(yáng)稻6號(hào)，衰老過(guò)程中較低的新生根量也一定程度上導(dǎo)致了武運(yùn)粳23較低的根系周轉(zhuǎn)率。盡管微根窗法具有一定的局限性，但依然為研究水稻根系生長(zhǎng)提供了一種原位、非破壞性并且可連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法，為研究大氣[CO2]升高或其他環(huán)境因子的變化對(duì)水稻根系生長(zhǎng)影響提供便利。

4 結(jié)論

高[CO2]顯著促進(jìn)了供試品種水稻根系的生長(zhǎng)，使根系長(zhǎng)度、表面積和體積相對(duì)于對(duì)照平均增加了120%、106% 和98%，這與其產(chǎn)量和地上部氮素吸收量在高[CO2]下明顯增加有關(guān)。就品種間差異而言，在FACE條件下，揚(yáng)稻6號(hào)在根長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)上相對(duì)于武運(yùn)粳23未有優(yōu)勢(shì)、而在根系周轉(zhuǎn)率和根系的深層分布上優(yōu)于武運(yùn)粳23。結(jié)合揚(yáng)稻6號(hào)在高[CO2]下的產(chǎn)量和地上部氮素吸收量的增幅均高于武運(yùn)粳23，我們認(rèn)為相較于根長(zhǎng)等根系形態(tài)指標(biāo)，水稻根系的周轉(zhuǎn)率與深層根系分布比例的差異可能是水稻產(chǎn)量及氮素吸收對(duì)高[CO2]產(chǎn)量響應(yīng)差異的主要原因。

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Effects of Elevated Atmospheric CO2Concentration on Root Growth of “Strong” and “Weak” Response Rice Varieties：A FACE Study

TAO Ye1,2, CAI Chuang1, WEI Wei1,2, YANG Xiong1,2, WANG Dongming1,2, SHEN Min1,2, SONG Lian1, ZHU Chunwu1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As one of the main scenarios of future climate change, studies have shown that high atmospheric concentration CO2([CO2]) will promote rice yield and the yield increase varies greatly between two rice subspecies (and). However, there is still a knowledge gap on whether the yield response difference between subspecies is related to root growth. Here we conducted a FACE (free air CO2enrichment, FACE) experiment using “weak” (L., Wuyungeng 23) and “strong” (L., Yangdao 6) yield responsive varieties, elevated [CO2] (590 μmol/mol) and control (390 μmol/mol) treatments were set. Minirhizotrons were used to detect the root growth status of the two varieties continuously and dynamically, and the root turnover rate was further calculated. The results showed that elevated [CO2] significantly enhanced the growth of rice roots of the two varieties, and the root length, surface area and volume across two varieties were increased by 120%, 106% and 98% on average compared to the control, respectively. The root turnover rate of Wuyungeng 23 was significantly reduced by 66% under elevated [CO2], the root turnover rate of Yangdao 6 increased by around 18%. For Wuyungeng 23, most of the root increased by elevated [CO2] was mainly distributed in the shallow layer (32% to 56%), however, the root distribution of Yangdao 6 in the deep layer was increased from 12% to 20% by elevated [CO2]. Combination with the yield response and aboveground nitrogen uptake, we concluded that compared to root morphological indicators such as root length, the turnover rate of rice root system and the distribution ratio of deep root system may be the main reason for the obvious difference in the response ofandrice to elevated [CO2].

Elevated CO2; Rice; Root growth; Strong and weak response varieties; Minirhizontrons

S511

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.014

陶冶, 蔡創(chuàng), 韋薇, 等. 大氣CO2濃度升高對(duì)高、低響應(yīng)水稻品種根系生長(zhǎng)的影響—FACE研究. 土壤, 2022, 54(4): 763–768.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(32001191，31800359)和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BE2018402)資助。

(cwzhu@issas.ac.cn)

陶冶(1992—)，男，安徽淮南人，博士研究生，主要研究氣候變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響。E-mail: taoyetoy@gmail.com