張 凱, 王潤元, 王鶴齡, 趙 鴻,趙福年,齊 月, 陳 斐,楊 陽, 雷 俊

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室,甘肅 蘭州 730020;2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;3.中國氣象局定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)試驗基地,甘肅 定西 743000;4.甘肅省定西市氣象局,甘肅 定西 743000)

由于煤炭、石油等化石燃料的過度使用以及人類對植被生態(tài)系統(tǒng)的不合理利用,全球大氣環(huán)境CO2濃度顯著升高,這已成為世界范圍內(nèi)重要的環(huán)境問題[1]。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在第5次評估報告中指出,大氣CO2濃度已經(jīng)從1960年西方工業(yè)革命開始時的310 μmol·mol-1升高至當(dāng)前的400 μmol·mol-1[2],且以每年約2 μmol·mol-1的速度在增加,預(yù)計21世紀(jì)末大氣CO2濃度將達(dá)到800 μmol·mol-1[3]。CO2是綠色植物光合作用的反應(yīng)底物,也是影響植物生長、發(fā)育、繁殖和分布的重要環(huán)境因子,大氣CO2濃度升高勢必對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響[4],因此,大氣中CO2濃度的升高及其影響一直是近年來全球關(guān)注的焦點,也是國內(nèi)外生態(tài)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點[5]。CO2濃度升高對作物生產(chǎn)影響的研究基本上都是通過模擬試驗開展的。試驗裝置最常見的有開頂式氣室(Open-Top Chamber,OTC)、開放式空氣CO2濃度增高系統(tǒng)(Free-Air CO2Enrichment,FACE)、人工氣候室和同化箱等[6-7]。其中,OTC被廣泛應(yīng)用于牧草和小麥、水稻、玉米等作物的研究中。

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)為糧、飼、菜兼用型作物,營養(yǎng)豐富,是新世紀(jì)我國最有發(fā)展前景的高產(chǎn)糧食作物之一,同時也是十大熱門營養(yǎng)健康食品之一;全世界有2/3以上的國家種植馬鈴薯,總產(chǎn)量達(dá)30億t左右,僅次于小麥、玉米、水稻,居第四位[8]。馬鈴薯具有營養(yǎng)豐富、用途廣泛、加工鏈長等特點,在促進(jìn)農(nóng)民增收、保障糧食安全方面發(fā)揮著重要作用。近年來,隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的提出,我國馬鈴薯的種植面積迅速增加,年種植面積達(dá)533萬hm2,年產(chǎn)量8 000萬t,均居世界前列[9]。馬鈴薯耐旱、耐貧瘠,是中緯度半干旱區(qū)適宜種植的特色優(yōu)勢高產(chǎn)作物[10-11];其生長不僅受自身遺傳物質(zhì)的控制,同時也受諸多環(huán)境因子的影響,其中包括大氣中CO2濃度增加。自20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在馬鈴薯對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)方面做過相關(guān)研究。國外起步較早,有學(xué)者采用OTC研究了北美洲、印度等不同地區(qū)不同品種馬鈴薯生長發(fā)育、塊莖產(chǎn)量和塊莖品質(zhì)對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)[12-14],結(jié)果表明,增加CO2濃度對馬鈴薯總生物量和產(chǎn)量有積極作用,在CO2濃度升高的情況下,馬鈴薯總生物量、產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)等指標(biāo)均有所提高[15-16];當(dāng)CO2濃度為700 μmol·mol-1時,供試早熟和晚熟馬鈴薯品種的塊莖干物質(zhì)量平均增加了27%和49%[17]。還有研究表明,隨著CO2濃度的升高,馬鈴薯植株分配給莖和葉的生物量減少,而分配給塊莖的生物量增加;植物能夠調(diào)節(jié)其器官的發(fā)育以應(yīng)對大氣CO2濃度的升高,在塊莖形成和膨大階段,高濃度CO2環(huán)境下塊莖刺激細(xì)胞增殖的能力有助于干物質(zhì)向其分配[18]。CO2濃度升高對塊莖中的養(yǎng)分(N、P、K)濃度沒有顯著影響[13]。國內(nèi)關(guān)于CO2升高對馬鈴薯影響的研究起步較晚。在生長發(fā)育及產(chǎn)量方面,李曉靜等[19]研究表明增施CO2能顯著增加播種后130 d 時低氮(48 kg·hm-2)、中氮(96 kg·hm-2)處理全株干物質(zhì)積累量;趙競宇等[20]研究表明,增施CO2增加了馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯質(zhì)量和單株產(chǎn)量,其增幅隨CO2量的增加而增加;楊小華等[21]研究結(jié)果表明,隨著CO2濃度的增加,馬鈴薯塊莖產(chǎn)量顯著提高。在塊莖品質(zhì)方面,楊小華等[21]研究表明隨著CO2濃度的增加,淀粉含量有所提高;秦躍龍[22]則主要研究了不同濃度CO2對采后貯藏期間馬鈴薯生理品質(zhì)的影響。

定西位于隴中黃土高原半干旱區(qū),其特有的氣候特征、地理環(huán)境以及豐富的耕地資源為馬鈴薯的生長發(fā)育創(chuàng)造了有利條件,該地區(qū)馬鈴薯常年種植面積達(dá)20萬hm2以上,總產(chǎn)量達(dá)500萬 t左右[23],被稱為“中國馬鈴薯之鄉(xiāng)”。馬鈴薯生長發(fā)育及其產(chǎn)量形成受氣候變化的影響十分突出,目前,CO2濃度增加對馬鈴薯生長動態(tài)和產(chǎn)量品質(zhì)的影響尚缺乏試驗基礎(chǔ)和深入、系統(tǒng)的研究。因此,本文采用國際通用的OTC試驗平臺,分析CO2濃度升高條件下西北半干旱區(qū)馬鈴薯的生長動態(tài)和產(chǎn)量品質(zhì)變化特征及其影響機(jī)理,為深入探索馬鈴薯生長過程對全球CO2升高的反應(yīng)效應(yīng)提供參考,為氣候變化下馬鈴薯適宜栽培方式的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西半干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地(104°37′E,35°35′N,海拔高度1 896.7 m)進(jìn)行。該基地位于甘肅省中部(圖1),屬典型黃土高原半干旱氣候區(qū),年平均氣溫6.7℃;年降雨量386.6 mm,且分布不均勻,主要集中在6—8月;年太陽總輻射為5 923.8 MJ·m-2,年日照時數(shù)2 433.0 h,無霜期平均為140 d(1981—2021年統(tǒng)計數(shù)據(jù))。試驗地土壤為黃綿土,堿性,肥力中等,其中土壤pH值7.8,有機(jī)質(zhì)含量110.7 g·kg-1,有效氮、總氮含量分別為51.1 mg·kg-1和0.84 g·kg-1,有效磷、總磷含量分別為14.12 mg·kg-1和1.24 g·kg-1[24]。

1.2 試驗設(shè)計

供試馬鈴薯品種為‘新大坪’,是當(dāng)?shù)刂髟云贩N。播種期為4月29日,收獲期為10月11日和14日。栽培行距為45 cm,株距為50 cm。馬鈴薯生產(chǎn)管理按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行,試驗過程中水肥條件適宜且一致,無病蟲害及雜草等限制因素。

試驗裝置采用OTC系統(tǒng)試驗平臺(圖2),主要由CO2氣體供應(yīng)裝置、控制系統(tǒng)、釋放系統(tǒng)3大部分組成。試驗有4個開頂式氣室(邊長2.15 m,高2.40 m,玻璃室壁,正八邊形),包括2個試驗氣室(重復(fù))和2個對照氣室(重復(fù))。室內(nèi)對應(yīng)由8根不銹鋼管圍成八邊形,不銹鋼管面向室內(nèi)一面每隔100 mm有孔徑約0.5 mm的小孔,用以釋放純CO2氣體。室內(nèi)裝有1個CO2氣體監(jiān)測器(GMP343,Visala 公司,芬蘭),用于采集CO2氣樣,供控制系統(tǒng)分析圈內(nèi)CO2濃度分布。在馬鈴薯出苗～可收期全生育期進(jìn)行CO2濃度處理,釋放CO2時間為7∶00—19∶00。根據(jù)對未來CO2升高預(yù)測結(jié)果以及前人采用的CO2濃度,所設(shè)處理濃度為在對照大氣CO2濃度(自然條件下該試驗地CO2平均濃度為390 μmol·mol-1)的基礎(chǔ)上增加200 μmol·mol-1,即OTC1和OTC3為對照氣室,其CO2濃度均為390 μmol·mol-1;OTC2和OTC4為試驗氣室,其CO2濃度均為590 μmol·mol-1。從試驗情況來看,各OTC內(nèi)的CO2濃度基本能達(dá)到設(shè)計水平,馬鈴薯全生育期對照氣室和試驗氣室內(nèi)實測CO2濃度日平均值分別為388 μmol·mol-1和579 μmol·mol-1(圖3)。

1.3 觀測項目與方法

按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[25],觀測不同CO2濃度處理下馬鈴薯的生育時期,主要分為播種期、出苗期、分枝期、花序形成期、開花期、可收期共6個時期(表1);株高、葉面積指數(shù)(LAI)、葉片葉綠素含量、葉片水勢等生長指標(biāo),在馬鈴薯不同生育時期選取10株(定株)進(jìn)行測量。其中,株高采用田間直接測量法,葉面積指數(shù)采用LAI-2000儀器測定,葉綠素含量采用SPAD-502型葉綠素計測定(以SPAD值表示),葉片水勢采用WP4水勢儀測定。在馬鈴薯每個生育時期,各OTC內(nèi)分別選取代表性植株3株,連根挖出,將植株的葉、莖、根和塊莖分離,稱鮮質(zhì)量后,把裝有葉、莖、根的紙袋先置于105℃的烘箱中殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,冷卻后在精度0.01 g以上的天平上稱干物質(zhì)量,其中地上部干物質(zhì)量為葉和莖干物質(zhì)量之和;馬鈴薯成熟后,測定其產(chǎn)量構(gòu)成以及單位面積實際產(chǎn)量(g·m-2)和理論產(chǎn)量(g·m-2)。其中實際產(chǎn)量采用稱重法測定,理論產(chǎn)量=單株薯塊質(zhì)量×1 m2株數(shù)。

圖2 定西OTC田間試驗平臺主要結(jié)構(gòu)

圖3 不同OTC內(nèi)整個生育期日平均CO2濃度

對于塊莖品質(zhì),水分含量采用直接干燥法測定,蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測定,粗淀粉含量采用旋光法測定,粗脂肪含量采用殘余法測定,粗纖維含量采用酸堿洗滌法測定,維生素C含量采用熒光法測定,還原糖含量采用直接滴定法測定,鐵、鋅和銅含量采用火焰原子吸收光譜法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,利用SPSS 18.0軟件的獨立樣本T檢驗法(Independent-samplesTTest)進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度增加對馬鈴薯生育進(jìn)程的影響

表1為不同CO2濃度下馬鈴薯的生育時期變化情況,由表1可知,CO2濃度增高,馬鈴薯發(fā)育進(jìn)程加快,生育時期相應(yīng)提前,全生育期天數(shù)縮短。對照處理(CO2濃度為390 μmol·mol-1)下,馬鈴薯的生育期天數(shù)為168 d;CO2濃度增加至590 μmol·mol-1后,馬鈴薯的生育期天數(shù)為165 d,比對照處理縮短3 d。與對照相比,590 μmol·mol-1濃度處理分枝期、花序形成期、開花期、可收期開始日期分別提前1、2、2、3 d,可見CO2濃度增加對馬鈴薯生育后期影響更大。

2.2 CO2濃度增加對馬鈴薯生長指標(biāo)的影響

由圖4可以看出,馬鈴薯植株高度隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈增加趨勢。CO2濃度升高影響植物的同化作用及生長速度,促進(jìn)了馬鈴薯株高的增加,但在不同觀測日期株高的增加幅度不同,與對照相比,590 μmol·mol-1CO2處理各觀測日期馬鈴薯株高平均增加了4.98%。株高增加擴(kuò)大了植株的見光面積,有利于其吸收外界營養(yǎng)。除個別觀測日期外,大部分觀測日期兩處理間差異不顯著(P>0.05)。

由圖5可以看出,馬鈴薯生育期LAI呈單峰型變化趨勢,表現(xiàn)為開口向下的拋物線形式。生長前期葉面積呈逐漸增加趨勢,在生長最旺盛期,即9月上旬(9月11日),葉面積達(dá)到最大值,馬鈴薯生長后期地上器官逐漸衰老,植株葉面積呈下降趨勢。CO2濃度升高促進(jìn)了馬鈴薯LAI的增加,在各觀測日期其增加幅度不同;與對照相比,590 μmol·mol-1濃度處理下各觀測日期馬鈴薯LAI平均增加了60.10%,其中在9月下旬(9月30日)增幅最大,590 μmol·mol-1CO2處理和對照之間的差異顯著(P<0.05)。

由圖6可以看出,CO2濃度對馬鈴薯葉片葉綠素含量同樣具有明顯的調(diào)節(jié)作用,CO2濃度升高促進(jìn)馬鈴薯葉綠素含量的增加,在不同生育時期增幅有所不同。與對照相比,590 μmol·mol-1CO2處理下的馬鈴薯葉綠素含量在各觀測日期平均增加了6.56%,其中在9月下旬(9月30日)增加更為顯著,增加了13.23%(P<0.05)。說明在高CO2濃度條件下,馬鈴薯衰老過程中旗葉葉綠素含量的降低速度有所減緩,使得旗葉功能期延長,對提高馬鈴薯產(chǎn)量具有積極作用。

表1 半干旱區(qū)不同CO2濃度下馬鈴薯的生育期

圖7為不同CO2濃度條件下馬鈴薯葉片水勢的變化情況,可以看出,CO2濃度升高促進(jìn)了馬鈴薯葉片水勢的增加,在不同觀測日期增幅不一樣。與對照相比,590 μmol·mol-1CO2處理下的馬鈴薯葉片水勢平均增加了19.06%,各觀測日期處理和對照處理之間均差異顯著(P<0.05)?？梢?CO2濃度的增加導(dǎo)致葉片開度降低,蒸騰失水減少,葉片水勢增加,從而增強(qiáng)了植株對干旱脅迫的抵御能力,同樣對提高馬鈴薯產(chǎn)量具有積極作用。

2.3 CO2濃度增加對馬鈴薯干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.3.1 對地上部干物質(zhì)積累的影響 圖8表明,各處理馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累隨著生育時期的推移總體呈慢-快-慢的變化趨勢。隨著生育進(jìn)程的推移,馬鈴薯地上部干物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度的響應(yīng)值呈現(xiàn)由小變大、再由大變小的趨勢,其中在9月中旬(9月16日)響應(yīng)值最大,說明不同CO2濃度條件下馬鈴薯成熟期生物產(chǎn)量的增加主要與生育中期物質(zhì)生產(chǎn)能力明顯增強(qiáng)有關(guān)。與對照相比,590 μmol·mol-1CO2處理各觀測日期地上部干物質(zhì)積累平均增加了23.22%,但由于OTC面積和試驗植株有限,取樣較少,因此,除個別觀測日期外,其余各觀測日期兩個濃度處理之間的差異不顯著(P>0.05)。

注:不同字母表示同一天的兩處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖5 CO2濃度增加對馬鈴薯葉面積指數(shù)的影響

圖6 CO2濃度增加對馬鈴薯葉片葉綠素含量的影響

圖7 CO2濃度增加對馬鈴薯葉片水勢的影響

圖8 CO2濃度增加對馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累的影響

2.3.2 對產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響 由表2可知,隨著CO2濃度的升高,馬鈴薯單株莖稈質(zhì)量、結(jié)薯總數(shù)、單株薯塊質(zhì)量、最大薯塊質(zhì)量、鮮莖質(zhì)量、薯莖比、理論產(chǎn)量及實際產(chǎn)量均呈增加趨勢;單株主莖數(shù)變化不大,基本為1～2個,且以2個居多;而屑薯率呈下降趨勢。與對照相比,590 μmol·mol-1CO2處理下的馬鈴薯單株莖稈質(zhì)量、結(jié)薯總數(shù)、單株薯塊質(zhì)量、最大薯塊質(zhì)量、鮮莖質(zhì)量、薯莖比、理論產(chǎn)量及實際產(chǎn)量分別增加了12.24%(P>0.05)、22.22%(P>0.05)、80.68%(P<0.05)、28.63%(P<0.05)、26.27%(P>0.05)、50.14%(P>0.05)、103.27%(P>0.05)和14.66%(P<0.05),屑薯率下降了48.35%(P>0.05)。

2.4 CO2濃度增加對馬鈴薯塊莖品質(zhì)的影響

通過分析CO2濃度升高條件下馬鈴薯各品質(zhì)構(gòu)成要素(表3)發(fā)現(xiàn),隨著CO2濃度的增加,馬鈴薯塊莖水分、蛋白質(zhì)、維生素C含量以及鐵、鋅、銅微量元素含量均呈下降趨勢,分別下降了3.43%、11.78%、13.09%、25.58%、31.94%和9.76%;而粗淀粉、粗脂肪、粗纖維和還原糖含量呈增加趨勢,分別增加了10.56%、240.00%、14.28%、106.38%。其中水分、蛋白質(zhì)、粗淀粉、粗脂肪、維生素C以及鐵、鋅含量兩濃度處理之間差異顯著,而粗纖維、還原糖和銅含量兩濃度處理之間差異不顯著。CO2濃度升高造成馬鈴薯營養(yǎng)物質(zhì)以及微量元素含量下降的原因可能是,隨著大氣CO2濃度增加,葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)下降,導(dǎo)致蒸騰拉力下降,土壤中營養(yǎng)物質(zhì)向作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運效率下降[26]。CO2濃度升高導(dǎo)致馬鈴薯營養(yǎng)物質(zhì)以及微量元素含量下降,不利于改善人體內(nèi)維生素和礦物質(zhì)缺乏的狀況[27]。

3 討 論

3.1 CO2濃度增加對馬鈴薯生長發(fā)育的影響

物候期是農(nóng)作物生產(chǎn)管理的重要依據(jù),其變化可以直接或間接地反映氣候變化,是氣候變化研究中較為關(guān)鍵的指標(biāo)[28]。大氣變暖對農(nóng)作物生長最直接影響便是導(dǎo)致了其物候期的改變。在CO2濃度增加條件下,小麥[5]、水稻[29]、大豆[30]等作物開花都會提前數(shù)天到2周左右不等。Miglietta等[31]研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高使馬鈴薯開花期提前;Bindi等[32]表明,增加CO2濃度對馬鈴薯的發(fā)育速度影響不甚明顯,但是其花期會有所提前。本研究發(fā)現(xiàn),在大氣CO2濃度由390 μmol·mol-1增至590 μmol·mol-1時,馬鈴薯全生育期天數(shù)提前3 d,與上述研究基本一致。

株高是影響作物產(chǎn)量的重要因素[33]。作物株高既受遺傳基因的影響,也受環(huán)境因素的影響,后者對株高的影響較大。有研究者認(rèn)為在馬鈴薯整個生育期,增加CO2濃度顯著影響植物的同化作用及生長速度,可促進(jìn)植株生長;且隨著CO2濃度的增加,株高呈遞增趨勢[20-21,32]。本研究也表明,CO2濃度升高(590 μmol·mol-1)促進(jìn)了馬鈴薯株高的增加。還有研究認(rèn)為升高CO2濃度對馬鈴薯植株高度無顯著影響[31,34-35],甚至?xí)档推渲旮?并將這種降低歸因于CO2濃度增加導(dǎo)致植物的活躍生長期提前結(jié)束[36-37]。

表2 CO2濃度增加對馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

表3 CO2濃度增加對馬鈴薯品質(zhì)的影響

葉面積在很大程度上決定了作物冠層對光的利用能力和生長速率,從而影響作物生物量和產(chǎn)量[38]。葉面積也同樣受遺傳基因和環(huán)境因素的共同影響。有研究認(rèn)為,生長期內(nèi)增加CO2濃度后,馬鈴薯葉面積顯著高于正常CO2處理[21,39];本研究也發(fā)現(xiàn)590 μmol·mol-1CO2處理馬鈴薯葉面積指數(shù)(LAI)增加顯著,且在生長后期增幅更大。Lawson等[35]和Donnelly等[36]研究認(rèn)為,增施CO2對馬鈴薯生長早期葉面積指數(shù)(LAI)的增加影響較為顯著;有些學(xué)者則發(fā)現(xiàn)隨著CO2濃度增加,不論生長早期還是整個冠層發(fā)育期間,馬鈴薯葉面積指數(shù)(LAI)無任何變化[15,31,34],甚至在CO2濃度升高的情況下,LAI在生長季結(jié)束時下降更快[31]。

3.2 CO2濃度增加對馬鈴薯生物量及產(chǎn)量的影響

大部分研究表明,CO2濃度升高能夠增加作物生物量和干物質(zhì)積累,具有施肥效應(yīng)。Bindi等[32]認(rèn)為,在馬鈴薯整個生育期內(nèi),CO2濃度升高對地上生物量的影響總體較小且表現(xiàn)不一致,其可促進(jìn)植株生育早期地上生物量增加;到成熟期,CO2濃度升高導(dǎo)致馬鈴薯活躍的生長期提前結(jié)束,植株衰老加速,其地上生物量低于對照。楊小華等[21]研究表明,隨著CO2濃度的增加,馬鈴薯地上部分鮮重呈顯著增長趨勢,而Miglietta等[31]通過FACE試驗研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高不會增加馬鈴薯植株地上部干物質(zhì)量。本研究表明,馬鈴薯地上部干物質(zhì)量隨CO2濃度的增加而增加,尤其是在生育中期地上部干物質(zhì)生產(chǎn)對CO2濃度的響應(yīng)值最大,而在生育早期和末期響應(yīng)值較小。這與上述研究結(jié)果有一定差異,可能與品種、農(nóng)藝和生長條件不同有關(guān)。

在室內(nèi)受控環(huán)境以及野外進(jìn)行的研究均表明,CO2濃度升高影響了馬鈴薯不同部位的生物量分配模式,促進(jìn)了干物質(zhì)向塊莖分配,增加了塊莖產(chǎn)量。Miglietta等[31]研究認(rèn)為,馬鈴薯塊莖產(chǎn)量增加對CO2濃度升高的響應(yīng)基本上是線性的,即CO2每增加100 μmol·mol-1,塊莖產(chǎn)量便增加10%;Sicher等[40]也發(fā)現(xiàn),提高CO2濃度促進(jìn)了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量的增加;Craigon等[41]研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高到680 μmol·mol-1時,可銷售的塊莖干質(zhì)量增加了約17%。不同試驗平臺(如OTC、FACE等)條件下,產(chǎn)量對CO2濃度升高的響應(yīng)幅度變化不大[15,17,34,36];但響應(yīng)幅度在不同品種和研究地區(qū)之間差異較為顯著,如Schapendonk等[15]通過OTC試驗研究表明,馬鈴薯晚熟品種塊莖產(chǎn)量對CO2濃度升高的響應(yīng)幅度高于早熟品種,溫帶地區(qū)高于其他地區(qū)。還有研究表明,塊莖產(chǎn)量的提高伴隨著塊莖數(shù)量的增加,因為CO2濃度升高會增強(qiáng)馬鈴薯塊莖化過程,擴(kuò)大其庫容,從而提高單株結(jié)薯數(shù)[34]。除此之外,CO2濃度升高,塊莖也會生長得更快,單株薯塊質(zhì)量也會增加[36]。本研究表明,當(dāng)CO2濃度增加為590 μmol·mol-1時,半干旱區(qū)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量提高,單株結(jié)薯數(shù)和單株薯塊質(zhì)量也有所增加,這與上述研究結(jié)果一致。

3.3 CO2濃度增加對馬鈴薯塊莖品質(zhì)的影響

馬鈴薯不僅在保障糧食安全方面具有重要作用,其塊莖還含有大量的碳水化合物、蛋白質(zhì)和維生素C,營養(yǎng)豐富,為保證人類營養(yǎng)做出了重大貢獻(xiàn),如歐洲人每天所需能量的5%以及大量營養(yǎng)都來自于馬鈴薯[32]。CO2濃度增加對馬鈴薯塊莖不同品質(zhì)指標(biāo)的影響有所不同。Kumar等[13]研究表明,CO2濃度增加對馬鈴薯塊莖中氮、磷、鉀等養(yǎng)分濃度沒有顯著影響。楊小華等[21]研究發(fā)現(xiàn),增施CO2可以提高馬鈴薯淀粉含量,但與正常CO2濃度處理之間差異不顯著。Donnelly等[36]通過OTC試驗也表明,大氣CO2濃度升高(680 μmol·mol-1)有助于馬鈴薯塊莖淀粉含量和維生素C濃度增加,但會降低塊莖氮含量。本研究發(fā)現(xiàn),隨著CO2濃度升高(590 μmol·mol-1),馬鈴薯塊莖的淀粉含量增加,但維生素C含量卻降低。

4 結(jié) 論

與對照相比,CO2濃度增加至590 μmol·mol-1后,馬鈴薯全生育期天數(shù)縮短了3 d,株高、葉面積指數(shù)(LAI)、葉綠素含量和葉片水勢分別平均增加了4.98%、60.10%、6.56%和19.06%;馬鈴薯單株莖稈質(zhì)量、結(jié)薯總數(shù)、單株薯塊質(zhì)量、最大薯塊質(zhì)量、鮮莖質(zhì)量、薯莖比、理論產(chǎn)量及實際產(chǎn)量分別增加了12.24%、22.22%、80.68%、28.63%、26.27%、50.14%、103.27%和14.66%,屑薯率下降了48.35%;馬鈴薯塊莖水分、蛋白質(zhì)、維生素C含量以及鐵、鋅、銅元素含量分別下降了3.43%、11.78%、13.09%、25.58%、31.94%和9.76%,而粗淀粉、粗脂肪、粗纖維和還原糖含量分別增加了10.56%、240.00%、14.28%、106.38%。