在河南农业大学校内试验基地,开展本次试验。试验时间为2015—2017年4月—11月。苗圃4月底选取幼苗,在种植盒内移栽培育。种植盒高50 cm,长30 cm,宽60 cm。每盒栽种8株。土壤选取农田0—20 cm土层。为防止水泄漏,排水孔在种植盒底部,排水孔下套塑料袋。降水处理以及CO₂熏气时间,选择待缓苗1个月后于5月初开始进行。

为了进行相关的试验效果对比,本试验采取不同CO₂浓度下的试验分析,经过测定发现目前浓度为345～355 μmol/mol,试验中设置浓度为690～7 105 μmol/mol,同时为了提升对比准确性,不同的浓度之下分别进行三次试验,同时设置开顶式CO₂控制气室,长、宽、高分别为2.5,1.5,1.5 m,气源置于液体钢瓶,控制系统进行全天候的监控; 光源为自然光,温度控制在室外温度的±1.5℃,并对温度及湿度进行测量。通过数据统计发现,该地区5—9月的降雨量就达到了全年的85%以上,其月均降雨量近70 mm,多年的降雨数据显示该地区年均降雨量增减幅度约在30%,本试验根据不同的CO₂浓度水平选取不同的降水设置,且进行降水量±15%,±30%,对照(0)的处理,控制5个降水梯度,月均降雨量作为基准,并换算各月的总灌水量,灌水次数为10次。此外,我们每半个月置换两个气候室内的花盆,同时更改CO₂处理的设置以尽量减少气候室差异造成的系统误差。

检测气体交换光合生理特征,使用便携式光合作用测量系统(LI-6400系列,美国LI-COR公司生产)。每隔两小时测定一次,从2015—2017年7月下旬,具体开始于早上7:00,结束是晚上7:00。连续重复测定3 日。每株选取年生的成熟叶片。重复测定,每个处理选择3株健康油茶。从植株顶部数完全展开的成熟叶,第3～6片。为消除时间误差,进行轮流测定。测定选取充分受光、叶位一致的叶片进行,上、中、下当年生成熟叶。空气相对湿度24.6%～45.7%,辐射强度(PAR)为112～1 371 mol/(m²·s),CO₂流量为400 mol/L。红蓝光源光照设定为1 000 mol/(m²·s)。不同测定日期温度变化为22.1～35.4℃。以外界条件为准,为PAR和CO₂浓度。光照强度(PAR)、环境CO₂浓度(Ca)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO₂浓度(Ci)、净光合速率(Pn),用仪器记录。

采取5株完整的小麦,测定生物量,烘干根、茎和叶,分别检测。在每个开顶式CO₂控制气室,以及相同时间选取。然后粉碎,对氮含量、碳含量、根、茎和叶进行检测。

数据采用Excel 2007.0记录,并使用SPSS 18.0进行分析,进行显著性检验,采用最小显著法(LSD)、单因素方差分析(One-way ANOVA)。

小麦的地上生物量、总生物量和根冠比,与CO₂浓度升高显著相关,小麦的总生物量,以及地上、地下生物量与降雨量变化有显著的关系,但对于根冠比来说,CO₂浓度升高、降雨量变化的交互作用,没有明显的关系(表1)。CO₂浓度升高,降雨量从由正常水平,不断上升,增加到高水平,根冠比没有明显的差异,也没有增加小麦单株的总生物量,以及地上、地下生物量。CO₂浓度升高,降雨量由低水平,上升到正常水平,根冠比显著减少,明显增加小麦单株的总生物量,地上、地下生物量。目前的CO₂水平,随着降雨量的增加,增加小麦单株的总生物量,以及地上、地下生物量。表明,对于根冠比、地下生物量,降雨量增加,CO₂浓度升高,有拮抗效应。

CO₂浓度倍增,对小麦生物量有明显的促进作用。降雨量减少,使小麦地上、地下生物量减少。降雨增加,对小麦地上、地下生物量有促进作用。对小麦根冠比,并没有明显的影响(p>0.05)。CO₂浓度升高,高降雨量,以及正常降雨量下,小麦的根冠比明显减少(p<0.05)。在低降雨量时,CO₂浓度升高,对增加小麦的总生物量有明显的影响。但高降雨量时,CO₂浓度升高,对小麦的总生物量没有影响。正常降雨量时,CO₂浓度升高,对地上生物量有明显的促进作用。在干旱时,CO₂浓度升高,会增加根系的分配,使水分吸收。在水分适宜的条件下,CO₂浓度升高,对小麦地上植被的生长有促进作用。

图1 不同CO2浓度和降雨量下小麦生物量和根冠比的变化

如表2所示,进行双因素方差分析,结果显示,小麦根、茎、叶碳含量,受CO₂浓度升高、降水量变化,以及交互作用的明显影响(p<0.05)。降雨量增加,对小麦根茎叶的碳含量有明显的促进作用,降雨量减少,对小麦根茎叶的碳含量有明显的抑制作用,CO₂浓度倍增,小麦根、茎、叶的碳含量明显增加,如图2所示。在-30%,-15%,0,15%,30%这五种降雨条件下,根碳含量比自然CO₂浓度下,有明显增加,-30%条件下是44.86%,叶碳含量增加32.51%,茎碳含量增加9.36%,-15%是44.82%,叶碳含量增加35.56%,茎碳含量增加12.50%; 0是41.07%,叶碳含量增加35.56%,茎碳含量增加9.96%; 15%是37.23%,叶碳含量增加33.95%,茎碳含量增加13.84%; 30%是30%,叶碳含量增加31.86%,茎碳含量增加15.79%。可以看出,CO₂倍增条件下,降雨量增加时,小麦根、茎、叶中的碳含量积累比降雨量减少是高。

双因素方差分析结果显示,小麦茎、叶氮含量,与降水量变化、CO₂浓度升高交互作用,以及单独作用都有明显相关关系(p<0.05)。小麦根氮含量受降水量变化及与CO₂的交互作用明显影响(p<0.05),但与CO₂浓度升高没有明显关系(p>0.05)。降雨量增加可促进小麦根、茎、叶的氮含量增加。随着CO₂浓度倍增,小麦根、茎、叶的氮含量明显下降。在-30%,-15%,0,15%,30%这五种降雨条件下,-30%时,根氮含量比自然CO₂浓度下降低12.21%,叶氮含量降低72.60%,茎氮含量降低了38.05%; -15%时,根氮含量降低13.30%,叶氮含量降低72.37%%,茎氮含量降低了37.07%; 0时,根氮含量降低16.57%,叶氮含量降低91.03%,茎氮含量降低了37.07%; 15%时,根氮含量降低11.22%,叶氮含量降低76.22%,茎氮含量降低了29.60%; 30%时,根氮含量降低17.73%,叶氮含量降低62.91%,茎氮含量降低了22.46%。由此看出,CO₂浓度倍增条件下小麦茎和根系氮的含量下降,明显低于叶片中氮的含量下降幅度。

表1 CO2浓度升高及降水变化对小麦生物量和根冠比影响的双因素方差分析结果

双因素方差分析结果显示,CO₂浓度升高,与小麦根碳氮比明显相关(p<0.05),降水量变化、CO₂浓度升高交互作用、单独作用,都明显影响小麦茎、叶碳氮含量(p<0.05)。小麦根碳氮与降水量变化、CO₂浓度升高交互作用没有明显的关系。降雨量增加可促进小麦根、茎、叶的C/N。随着CO₂浓度倍增,小麦根、茎、叶的C/N明显增加。在-30%,-15%,0,15%,30%这五种降雨条件下,-30%时,相比自然CO₂浓度下,根C/N增加50.86%,叶碳氮比增加60.90%,茎C/N增加34.35%; -15%时,根C/N增加47.76%,叶碳氮比增加62.62%,茎C/N增加36.16%; 0时,根C/N增加49.45%,叶碳氮比增加67.14%,茎C/N增加30.53%; 15%时,根C/N增加35.62%,叶碳氮比增加62.52%,茎C/N增加31.07%; 30%时,根C/N增加28.28%,叶碳氮比增加58.17%,茎C/N增加28.28%。因此,CO₂浓度倍增条件下叶片中氮的含量下降幅度比小麦茎和根系氮的含量下降幅度高。CO₂增加,降雨量减少时,小麦根茎叶C/N增幅比降雨量增加时更高。CO₂浓度倍增,茎和根系中氮含量下降幅度,比叶片中低,C/N增加幅度比叶片中明显小。

表2 CO2浓度升高及降水变化对小麦根、茎、叶中碳氮含量的双因素方差分析结果

如表3所示,小麦叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO₂浓度(Ci)、气孔导度(Gs),与CO₂浓度升高、降雨量变化有明显的影响(p<0.05)。在目前CO₂水平下,增加降雨量,蒸腾速率增长的幅度高于净光合速率,蒸腾速率、气孔导度、净光合速率明显上升。相比正常降雨量、低降雨量条件下,在高降雨量时,水分利用效率更低(p<0.001)。在CO₂倍增时,相比正常降雨量,高降雨量条件下净光合速率更高,但差异不显著。

如图3所示,CO₂浓度倍增显著性地促进了小麦叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO₂浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr),降雨量增加促进了小麦叶片净光合速率(Pn)和胞间CO₂浓度(Ci),而抑制了小麦叶片气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr),5种降雨条件下(-30%、-15%,0,15%,30%)小麦叶片净光合速率(Pn)分别比自然CO₂浓度下增加了31.44%,29.04%,24.64%,21.27%和12.53%; 胞间CO₂浓度(Ci)分别增加44.22%,40.60%,39.16%,40.65%和41.33%; 气孔导度(Gs)分别降低了20.93%,23.21%,16.67%,25.20%和18.62%; 蒸腾速率(Tr)分别降低了64.21%,74.79%,136.99%,131.63%和119.75%。

图2 不同CO2浓度和降雨量下小麦根、茎、叶中碳氮含量

表3 CO2浓度升高及降水变化对小麦叶片光合特性的双因素方差分析结果