大气二氧化碳体积分数、氮肥、移栽密度对汕优63稻米矿质元素的影响

陈旭+++沈士博+++赖上坤+++朱建国+++王余龙

摘要：作为光合作用的底物，大气二氧化碳（CO2）体积分数升高可促进水稻生长发育，但对稻米矿质元素体积分数的影响及其与栽培条件的关系尚不明确。2011年，利用中国稻田开放式空气CO2浓度增高（free air CO2 enrichment，FACE）系统平台，以敏感水稻品种汕优63为供试材料，二氧化碳设置环境CO2浓度、高CO2浓度（增加200 μmol/mol），施氮量设置低氮（15 g/m2）、高氮（25 g/m2），移栽密度设置低密度（16穴/m2）、中密度（24穴/m2）、高密度（36穴/m2），研究不同栽培条件下大气CO2浓度升高对杂交稻成熟稻米矿质元素浓度的影响。结果表明，大气CO2浓度增高200 μmol/mol 使成熟稻米的钾、镁浓度平均值分别下降9.4%、7.0%，均达显著或极显著水平；对稻米中钙、钠、铜、铁、锰、锌浓度的影响均未达显著水平。稻米元素浓度对大气CO2浓度升高的响应，在不同施氮水平和移栽密度条件下的趋势基本一致，表现在二氧化碳处理、施氮量、移栽密度对稻米大量元素、微量元素浓度多不存在互作效应。

关键词：汕优63；大气CO2浓度；FACE；矿质元素；氮肥；密度

中图分类号： S511.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0094-05

收稿日期：2015-09-14

基金项目：国家自然科学基金（编号：31171460、31071359）；江苏省高校自然科学重大基础研究项目（编号：11KJA210003）；江苏省研究生科研创新计划（编号：CXLX12_0919）。

作者简介：陈旭（1988—），男，江苏常州人，硕士研究生，主要从事水稻栽培生理研究。E-mail：cxlxbaby@126.com。

通信作者：王余龙，教授，主要从事作物栽培生理生态研究。E-mail：ylwang@yzu.edu.cn。人类活动导致的大气和气候变化将极大改变作物未来的生长环境，其中包括大气二氧化碳（CO2）浓度的迅速上升。大气CO2浓度从工业革命前的280 μmol/mol上升至目前的400 μmol/mol[1]，预计2050年至少达到550 μmol/mol[2]，21世纪末最高将增至936 μmol/mol[3]。作为最主要的温室气体，大气CO2浓度增加的间接后果是导致地球表面温度升高，这与其吸收空气中的红外辐射有关。另一方面，空气中的CO2是植物光合作用碳固定的主要来源。C3途径植物目前在低于最适CO2浓度下行运，因此CO2浓度增加能直接增强光合能力，进而促进植物生长[4]。水稻是最重要的C3作物之一，目前关于大气CO2浓度升高条件下水稻响应的研究大多集中于光合作用、水分关系、生育进程、器官建成、碳氮代谢、产量形成等方面[5-7]，但关于高浓度CO2下水稻品质响应及机理的研究相对较少[8-11]。已有研究表明，大气CO2浓度升高将对稻米品质带来负面影响[12]，这为未来稻作生产带来挑战。近年来，随着生活水平的提高和饮食结构的调整，人们对稻米物理和化学品质的要求也日益提高。因此，系统研究大气CO2浓度对稻米品质的影响极为重要和迫切。

与封闭或半封闭气室相比，开放式空气CO2浓度增高（free air CO2 enrichment，FACE）试验基于标准的作物管理技术，在空气自由流动的大田条件下对作物表现进行研究，提供了对未来作物生长环境的真实模拟[13]。同时，FACE试验的空间优势也为科学家提供了检测各种适应措施的极好机会。氮肥、移栽密度是稻作生产中重要的农艺调控措施，尽管对CO2与氮肥的互作效应已有较多研究[14-17]，但与移栽密度之间的互作效应及其可能原因尚不明确，且这些报道主要针对产量形成，聚焦品质元素的研究较少[8]。利用FACE的空间优势，笔者前期研究了汕优63品种的生长和产量在不同施氮量、移栽密度条件下对高CO2浓度响应的差异及其可能原因[18]，但并未涉及稻米品质性状。本研究将探讨相同处理对同一供试材料成熟期稻米矿质元素的影响，旨在为未来稻作生产提供依据。

1材料与方法

1.1试验地点与平台

本试验依托我国唯一的稻田FACE技术平台（图1），该平台建于江苏省江都市小纪镇良种场试验田内（119°42′0″E，32°35′5″N）。试验田土壤类型为清泥土，年均降水量约 980 mm、年均蒸发量大于1 100 mm、年平均温度15.1 ℃、年日照时间大于2 100 h、年平均无霜期 220 d，耕作方式为水稻-冬闲单季种植。土壤理化性质为有机碳含量18.4 g/kg、全氮含量1.45 g/kg、全磷含量0.63 g/kg、全钾含量 14.0 g/kg、速效磷含量 10.1 mg/kg、速效钾含量 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]。平台共有3个FACE试验圈和3个对照（Ambient）圈。FACE圈之间以及FACE圈与对照圈之间的间隔大于90 m，以减少CO2释放对其他圈的影响。FACE圈设计为正八角形，直径12 m，平台运行时通过FACE圈周围的管道向中心喷射纯CO2气体，利用计算机网络对平台的CO2浓度进行监测和控制。根据大气中的CO2浓度、风向、风速、作物冠层高度的CO2浓度及其昼夜变化等因素自动调节CO2气体的释放速度及方向，使水稻全生育期FACE圈内CO2浓度保持比大气背景CO2浓度高200 μmol/mol。对照田块没有安装FACE管道，其余环境条件与自然状态一致。平台熏气日期为6月27日至10月18日，每日薰气时间为日出至日落。熏蒸期间对照圈平均CO2浓度为 416.2 μmol/mol，FACE圈实际CO2处理体积分数为 580.6 μmol/mol。

1.2材料培育

供试材料为杂交中籼组合汕优63品种。大田旱育秧，于

5月21日播种，并于6月22日移栽，每穴栽1株。本试验采用3因素裂区设计，主区为CO2，设置环境CO2 体积分数（Ambient）、高CO2浓度（Ambient+200 μmol/mol）；裂区为施氮量，设置低氮（LN，15 g/m2）、高氮（HN，25 g/m2）；小裂区为移栽密度，设置低密度（LD，16穴/m2）、高密度（HD，24穴/m2）。氮肥采用复合肥（有效成分N ∶P2O5 ∶K2O=15% ∶15% ∶15%，下同）与尿素（含氮量46.7%，下同）配合施用。分别于6月20日施基肥（复合肥46.7 g/m2、尿素 4.3 g/m2），6月28日施分蘖肥（尿素12.9 g/m2，仅HN小区施用），7 月26日施穗肥（尿素21.4 g/m2）。基肥和分蘖肥占总施氮量的60%，穗肥占40%。磷钾肥均采用复合肥，施用量为7 g/m2，全作基肥（6月20日，复合肥46.7 g/m2）施用。在水分管理方面，6月20日至7月10日保持水层（约5 cm），7月11日至7月25日多次轻搁田，7月26日至收获前10 d间隙灌溉。及时防治病虫草害，保证水稻正常生长发育。

1.3测定内容与方法

于成熟期除去各小区的杂株病株，根据普查结果每小区收获6穴。手工脱粒，晒干至恒质量，采用风选仪去除空秕粒，选取饱粒。将烘干饱粒样品置于干燥通风处或有空调的实验室内1周左右，使样品的水分含量达到（13±1）%。根据NY 147—1988《米质测定方法》进行出糙，取部分糙米出精，将精米磨粉。称取烘干样品0.1 g，放入马弗炉于480 ℃灰化（14 h）。灰分冷却后用2 mL 25% HNO3溶解，静置后加入8 mL超纯水用定量滤纸过滤。采用IRIS电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP，Thermo Elemental，美国）测定滤液中的钙（Ca）、钾（K）、镁（Mg）、钠（Na）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）元素浓度。

1.4数据处理

采用Excel软件对试验所得数据进行处理和图表绘制，采用SPSS 18.0软件进行统计分析。采用最小显著差法（LSD）对各处理进行比较，显著水平分别设置为P<0.01、P<0.05、P<0.1、P>0.1，分别用“**”“*”“+”“ns”表示。

2结果与分析

2.1对钙浓度的影响

高CO2浓度、施氮量、移栽密度对成熟期稻米钙浓度的影响见图2、表1。低氮、常氮处理下稻米Ca浓度平均值分别为83.6、80.6 mg/kg，低氮明显高于常氮。低、中、高密度稻米Ca浓度平均值分别为79.4、82.2、84.7 mg/kg，无显著差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Ca浓度减少2.5%，未达显著水平。从不同氮肥和密度水平看，高浓度CO2使常氮或中密度条件下稻米的Ca浓度略减，使低密度条件下的Ca浓度略增，均达0.1显著水平；对低氮和高密度条件下稻米的Ca浓度均无显著影响。方差分析表明，CO2×氮肥互作对稻米Ca浓度没有影响，但CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度间存在显著或极显著的互作效应。可见，大气CO2浓度升高对汕优63品种稻谷Ca浓度的影响与移栽密度的变化有一定关系。

2.2对钾浓度的影响

不同处理对稻米钾浓度的影响见图3、表1。低氮、常氮处理下稻米K浓度平均值分别为973.2、994.3 mg/kg，无明显差异。低、中、高密度稻谷K浓度平均值分别为961.7、997.0、992.5 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的K浓度减少94%，差异达显著水平。从不同氮肥和密度水平看，高CO2浓度使常氮（-13.0%，P<0.1）、高密度（-18.4%，P<005）条件下稻米K含量显著下降；对其他条件下稻米K浓度均无显著影响。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米K浓度没有显著影响。

2.3对镁浓度的影响

不同处理对稻米镁浓度的影响见图4、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Mg浓度平均值分别为341.6、313.2 mg/kg，低氮明显高于常氮。低、中、高密度稻米Mg浓度平均值分别为337.2、316.8、328.2 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Mg浓度减少 7.0%，达极显著水平。从不同氮肥和密度水平看，高CO2浓度使低氮（-8.3%，P<0.05）、常氮（-5.7%，P<0.1）、高密度（-8.5%，P<0.1）条件下稻米

Mg浓度显著下降；对低密度、中密度条件下稻米Mg浓度均无显著影响。方差分析表明，不同处理间的互作效应对稻米Mg浓度均无明显影响。

2.4对钠浓度的影响

不同处理对稻米钠浓度的影响见图5、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Na浓度平均值分别为 54.5、55.5 mg/kg，无明显差异。低、中、高密度稻米Na浓度平均值分别为54.7、55.0、55.2 mg/kg，无明显差异。高CO2浓度使汕优63品种稻米Na浓度平均增加2.1%，无显著差异。不同氮肥和密度条件下稻米Na浓度对高CO2浓度均无显著响应。CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米Na浓度均没有显著影响。可见，大气CO2浓度的升高对不同栽培条件下稻米Na浓度的影响趋势一致。

2.5对铜浓度的影响

不同处理对稻米铜浓度的影响见图6、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Cu浓度平均值分别为 2.8、2.7 mg/kg，低氮明显高于常氮。低、中、高密度稻米Cu浓度平均值分别为3.0、2.7、2.6 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Cu浓度减少5.7%，未达显著差异。从不同氮肥和密度水平看，高CO2浓度对稻米Cu浓度均无显著影响，尽管低氮（-10.9%）、高密度（-6.6%）条件下稻米Cu浓度呈明显的下降趋势。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米Cu浓度的影响均未达显著水平。

2.6对铁浓度的影响

不同处理对稻米铁浓度的影响见图7、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Fe浓度平均值分别为 15.1、16.0 mg/kg，无明显差异。低、中、高密度稻谷Fe浓度平均值分别为15.3、15.3、16.1 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Fe浓度增加5.0%，无明显差异。不同栽培条件下，高CO2浓度对稻米Fe浓度均无显著影响。CO2×氮肥、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米Fe浓度均无显著影响，但CO2×移栽密度间的互作效应达0.1显著水平，这与高CO2浓度环境下高密度水稻Fe浓度呈下降趋势，而低、中高密度条件下呈相反趋势有关。

2.7对锰浓度的影响

不同处理对稻米锰浓度的影响见图8、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Mn浓度平均值分别为15.0、14.2 mg/kg，无明显差异。低、中、高密度稻米Mn浓度平均值分别为14.9、13.8、15.1 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Mn浓度减少5.7%，无明显差异。从不同氮肥和密度水平看，高CO2浓度仅使高密度条件下稻米Mn浓度显著下降（-15.6%，P<0.1）。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米Mn浓度无影响。

2.8对锌浓度的影响

不同处理对稻米锌浓度的影响见图9、表1。汕优63品种低氮、常氮处理下稻米Zn浓度平均值分别为 15.5、15.5 mg/kg，无明显差异。低、中、高密度稻米Zn浓度平均值分别为15.4、15.6、15.6 mg/kg，无明显差异。所有氮肥和密度处理平均结果表明，高CO2浓度使汕优63品种稻米的Zn浓度减少0.5%，无明显差异。从不同氮肥和密度水平看，高CO2浓度仅使中密度条件下稻米Zn浓度呈显著下降趋势（-4.4%，P<0.1）。方差分析表明，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度间的互作效应对稻米Zn浓度无显著影响。

3结论与讨论

稻米中微量元素的含量对于以稻米为主食的亚洲国家人民来说非常重要。不同试验中大气CO2浓度升高对籽粒矿质元素的影响存在较大差异[12]。前期气室试验表明，高体积分数CO2环境下水稻籽粒的矿质元素体积分数大多呈下降趋势。Seneweera等在温室试验低磷土壤上设置不同供磷水平，结果表明大气CO2浓度升高使早稻Jarrah籽粒糙米中P、Zn、Fe、Cu浓度平均值分别下降6%、15%、60%、28%，各元素响应幅度因土壤供P水平的不同而有较大差异[19-20]。与此不同，FACE相关研究发现高CO2浓度对稻米元素浓度的影响相对较小[8-9，21]。日本大田FACE试验表明，高CO2浓度对常规粳稻Akitakomachi成熟期籽粒的大量、微量元素浓度均无显著影响[21]。本研究以敏感杂交稻汕优63品种[18]为供试材料，结果表明，CO2浓度增高200 μmol/mol使该品种成熟期稻米K、Mg浓度平均值分别下降13.0%、7.0%，分别达显著、极显著水平；对其他测定元素Ca、Cu、Mn、Zn、Na均无显著影响。此结果总体上与前期FACE研究结果相似，但与气室试验观察到的结果不同。这可能与2种气体熏蒸平台的差异有关。FACE情形下供试水稻的根系生长不受限制（而气室试验多为盆栽水稻），且稻田养分充足，因此试验圈内土壤可利用元素的供应比较充分。另一方面，前期FACE研究表明，高CO2浓度使水稻特别是杂交稻的养分吸收能力明显增强，表现为根量增幅明显大于气室试验[15，22-24]，这可能是本试验没有普遍观察到元素“稀释效应”的主要原因。

开展关于农艺措施与二氧化碳互作效应的研究，对构建未来高浓度CO2背景下新的水稻栽培技术体系至关重要。本试验以杂交稻汕优63品种为供试材料，设置氮肥和密度处理，首次研究了CO2、氮肥、密度3个因子互作对稻米大量和微量元素浓度的影响。方差分析表明，多数情况下，CO2×氮肥、CO2×移栽密度、CO2×氮肥×移栽密度的互作效应对稻米大量和微量元素浓度均无显著影响。可见，在不同施氮水平或移栽密度条件下，大气CO2浓度升高对该品种稻米元素浓度的影响趋势基本一致。本研究结果仅为1个供试材料的试验结果，大气CO2浓度、氮肥、移栽密度对稻米矿质元素的影响尚须其他类型水稻品种（常规粳稻、常规籼稻、超级稻等）进行验证。

致谢：感谢扬州大学杨连新教授对本研究试验设计、数据整理、论文写作的指导。

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