楊凱,楊靖睿,曹培培,呂春華,孫文娟,于凌飛,鄧希
1.中國科學院植物研究所/植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093;2.中國科學院大學,北京 100049;3.中山大學大氣科學學院,廣東珠海 519000
自工業(yè)革命以來,大氣CO2濃度迅速升高,到2021 年,全球平均CO2濃度已達到414 μmol·mol?1,約為工業(yè)革命前CO2水平的1.5 倍(https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html)。中等典型濃度路徑情景下(RCP4.5 與RCP6.0),全球CO2濃度在本世紀末將達到538-670 μmol·mol?1(IPCC,2022)。中國是一個農(nóng)業(yè)大國,水稻產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的32%(http://www.stats.gov.cn/)。65%的中國人以大米為主食,預(yù)計到2030 年中國的水稻需求量將增加20%(Peng et al.,2009)。氣候變化對水稻生產(chǎn)具有直接的影響,研究表明:溫度升高可造成水稻減產(chǎn),但CO2施肥效應(yīng)可能對該損失具有補償作用(Lobell et al.,2011;黃耀,2017;方精云等,2018),從而在一定程度上緩解氣候變暖對糧食安全造成的威脅。
株高作為水稻直觀的形態(tài)指標,與產(chǎn)量密切相關(guān)(嚴定春等,2008);莖蘗的增長與消亡直接影響水稻的成穗率,進而決定產(chǎn)量構(gòu)成中的主要因素——有效穗數(shù)(王萌萌等,2016)。CO2濃度升高條件下,CO2的施肥效應(yīng)主要作用在生育前期,導致水稻在生育前期消耗過多的氮,引起生育后期氮的供給不足,用于光合作用的葉綠素含量降低,從而使生殖生長階段獲得較少的碳吸收(Sakai et al.,2001;Sakai et al.,2006;Wu et al.,2018)。因此,用于表征葉綠素相對含量的SPAD 可作為生育后期功能葉片衰老與氮素營養(yǎng)的參考指標(邊立麗等,2022)。大氣CO2濃度升高一般對農(nóng)作物的株高與分蘗具有正向效應(yīng)(Kim et al.,2003;Hu et al.,2022;黃建曄等,2002;楊連新等,2007),但對葉綠素含量的影響仍無定論(蔣躍林等,2005;Koti et al.,2007;周寧等,2017)。值得注意的是,上述研究大多集中在某一生育期或時間點上,但在CO2濃度升高下,對株高、分蘗與SPAD 動態(tài)變化的研究尚不足。
通過田間試驗數(shù)據(jù)建立作物生長模型,是研究氣候變化情景下作物生長特征的重要方法(Tubiello et al.,2007)。生育期是田間試驗觀測的重要指標,它影響著作物模型在不同生長發(fā)育階段的參數(shù)化。水稻是喜高溫的短日照作物,完成某一階段生長發(fā)育所需要的有效積溫相對穩(wěn)定。因此,以有效積溫(growing degree day,GDD)建立作物生長模型能有效表征作物生長發(fā)育隨時間和溫度變化的特點(Lecoeur et al.,1998;蘇李君等,2020;陳楊等,2022)。常規(guī)條件下,前人已開展了作物株高、分蘗與SPAD 生長動態(tài)模擬的研究(黃耀等,1994;王聲鋒等,2010;楊沈斌等,2016;趙考誠等,2021),但在CO2升高條件下,基于連續(xù)觀測的模型模擬還較為少見(Grant et al.,2001;孫成明,2006a;Tubiello et al.,2002)。
本文通過兩年試驗探究水稻株高、分蘗與SPAD 生長動態(tài)對CO2升高的響應(yīng),并利用模型模擬的方法對動態(tài)特征進行定量描述,從而為未來CO2升高條件下,水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的預(yù)測提供科學依據(jù),這也對未來水稻的栽培、管理與生產(chǎn)具有一定的理論和實踐意義。
試驗區(qū)域位于江蘇省南京市南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象生態(tài)實驗站(32.21°N,118.71°E)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫄夂?,年平均氣?5.6 ℃,年平均降水量約1 100 mm,平均日照時數(shù)超過1 900 h,無霜期為237 d。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,土壤質(zhì)地為粉砂壤土,0-20 cm 耕層土壤中砂土含量為9.5%,粉土含量為85.2%,pH 為6.1,容重1.51 g·cm?3,土壤有機碳9.52 g·kg?1,全氮1.18 g·kg?1,全磷0.85 g·kg?1,全鉀18.17 g·kg?1。
試驗開展于2017 與2018 年的水稻生長季。試驗樣地設(shè)有原位自動小型氣象站(AWS800,Campbell Scientific,Inc.,USA)用以監(jiān)測并記錄試驗期間的氣象數(shù)據(jù)。
CO2控制試驗平臺由應(yīng)用較為廣泛的開頂式氣室(Open-Top Chambers,OTC)和CO2濃度控制系統(tǒng)組成。OTC 外形呈正八邊形棱柱狀,對邊直徑為3.75 m,高3 m,底面積約為12 m2,主體采用鋁合金框架,室壁材料為高透光性玻璃,為了使氣體散失速度放緩,頂部開口向內(nèi)傾斜45o。關(guān)于CO2濃度控制系統(tǒng)的細節(jié),詳見劉曉萌等(2018)和Yang et al.(2021)。
中等典型濃度路徑情景(RCP4.5 與RCP6.0)預(yù)測全球CO2濃度在本世紀末將達到538-670 μmol·mol?1(IPCC,2022)。因此,利用CO2控制試驗平臺進行CO2濃度模擬,共設(shè)置兩個CO2濃度處理:一個是背景大氣CO2濃度(a[CO2],大約400μmol·mol?1),另一個CO2濃度是在a[CO2]的基礎(chǔ)上增加200 μmol·mol?1(e[CO2])。a[CO2]與e[CO2]各有4 個OTC 作為重復(fù)。
供試水稻品種為常規(guī)粳稻“南粳9108”,全生育期為149-153 d。在2017 年,水稻種植在OTC內(nèi)的土壤;在2018 年,水稻種植在OTC 內(nèi)的盆栽土壤(OTC 內(nèi)土壤與盆栽土壤相同,盆缽上口外徑18 cm×18 cm,下口外徑14.5 cm×14.5 cm,高18 cm)。兩年均在5 月20 日播種,6 月20 日移栽,移栽密度為每穴3 株主莖苗。全生育期施氮量約為20 g·m?2,分3 個時期施用,各時期氮肥施用比例為基肥?分蘗肥?穗肥=4?3?3?;什捎脧?fù)合肥(15% N:15% P2O5:15% K2O),分蘗肥和穗肥均為尿素(含氮量為46.7%)。水分管理和蟲害治理等田間管理措施統(tǒng)一按當?shù)爻R?guī)栽培要求執(zhí)行。兩年水稻主要生育時期見表1。
表1 水稻主要生育時期Table 1 Rice calendars
水稻株高的測定為量取植株地表至最高葉頂(抽穗前)或最高稻穗頂(抽穗后);測定時間為移栽緩苗至抽穗后1 周(抽穗后1 周的株高認定為最終株高),每隔5 天測定一次。莖蘗數(shù)的測定為手動觀測且小于3 張葉片的莖蘗不予計入;測定時間為移栽緩苗后至抽穗期,每隔5 天測定一次。使用SPAD-502 plus 型葉綠素儀(SPAD-502,Konica Minolta Optics,Inc.,Japan)測定旗葉、倒二葉與倒三葉的SPAD,測定位置為葉片中間的1/2 部位,且以8 個點測定的平均值代表該葉片的SPAD 值;測定時間為抽穗至成熟期,每隔5-7 天測定一次。2017 年與2018 年均測定了株高動態(tài)與SPAD 動態(tài),而莖蘗動態(tài)的測定僅在2018 年進行。此外,本研究還測定了2016 年(OTC 土壤)、2019 年(OTC 盆栽土壤)與2020 年(OTC 土壤)抽穗1 周后(9 月1 日左右)的株高。
應(yīng)用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理;SPSS 21.0(IBM Crop.Armonk,NY,USA)進行單因素(CO2)與雙因素(CO2與葉位)方差分析;使用R統(tǒng)計軟件(4.1.3,http://www.r-project.org/)進行模型擬合;Origin 2017 軟件進行繪圖。
無論背景CO2還是CO2濃度升高下,水稻株高總體上隨GDD 呈現(xiàn)先迅速增加,后緩慢增長,再逐漸趨于平緩的特征,其動態(tài)變化曲線為“S”型(圖1)。CO2濃度升高對兩年水稻抽穗前的株高均無影響,但2017 年與2018 年的最終株高對CO2的響應(yīng)不同:2017 年,CO2濃度升高顯著增加了最終株高,其增幅為7.1%;但是,2018 年并未觀測到CO2促進效應(yīng)。因此,在2017 年和2018 年分別建立株高動態(tài)模型(孫成明等,2006b)。結(jié)合其他年份(2016、2019 和2020 年)最終株高對CO2升高的響應(yīng),通過整合分析發(fā)現(xiàn):CO2升高對最終株高的促進效應(yīng)與抽穗1 周后(9 月1 日左右)的有效積溫有關(guān),即,當抽穗1 周后的有效積溫大于720 ℃·d 時,CO2濃度升高對最終株高具有促進作用,反之,則無促進效應(yīng)(圖2)。
圖1 2017 年(a)與2018(b)年CO2 濃度升高下株高隨有效積溫(GDD)的動態(tài)變化Figure 1 Dynamics of plant height with growing degree day (GDD) under e[CO2] in 2017 (a) and 2018 (b)
圖2 CO2濃度升高下株高相對變化量與抽穗1 周后有效積溫(GDD)的關(guān)系Figure 2 The relationship between relative change of plant height and growing degree day (GDD) of one week after heading under e[CO2]
因此,本研究將GDD 作為自變量,采用Logistic方程對株高動態(tài)進行擬合。
式中:
TGDD——移栽后的有效積溫(℃·d);
Ti——移栽后第i天的日平均溫度;
10——水稻生長的生物學下限溫度(℃)(高亮之等,1992)。
a[CO2]下的株高動態(tài)模型:
式中:
H——a[CO2]下理論最大株高;
a1、a2——模型系數(shù)。
根據(jù)Ziska et al.(2007)提出的CO2響應(yīng)方程:
式中:
β——CO2響應(yīng)比;
Ya與Ye——a[CO2]與e[CO2]的測定值;
Ca與Ce——a[CO2]與e[CO2]的CO2濃度,分別取400、600 μmol·mol?1。
則,e[CO2]下的株高動態(tài)模型:
式中:
β——株高促進的CO2響應(yīng)比,根據(jù)2017 年實測數(shù)據(jù)取0.139。
株高動態(tài)模型模擬的結(jié)果見表2。該模型可準確模擬出株高對CO2升高響應(yīng)的年際性差異。兩年的均方根誤差(RMSE)分別為2.96 cm 與3.52 cm,表明模擬值與觀測值之間的誤差較小。此外,兩年模型的r2分別為0.970 與0.953,表明模型的模擬結(jié)果較好。圖3a 顯示了兩年株高模擬值與觀測值的比較結(jié)果,其散點基本均落在1?1 線附近,說明模擬值與觀測值間具有很好的一致性。
圖3 株高(a)、分蘗(b)與SPAD(c)動態(tài)觀測值與模擬值的比較Figure 3 Comparison of observations and simulations in plant height (a), tiller number (b) and SPAD(c) dynamics
表2 株高動態(tài)模型參數(shù)值Table 2 Parameters of dynamic model of plant height
無論背景CO2還是CO2濃度升高下,水稻群體莖蘗呈現(xiàn)先增長后消亡的動態(tài)變化特征(圖4)。莖蘗增長階段:自移栽緩苗后分蘗開始增加,至拔節(jié)期前后(大約移栽后35 d 左右)達到最高苗,總體上為正“S”型曲線;莖蘗消亡階段:在最高苗出現(xiàn)以后,一部分莖蘗生長減緩,成為無效分蘗,在之后的生長過程中逐漸死亡,總體上為反“S”型曲線。水稻的分蘗數(shù)在CO2濃度升高下總體上呈現(xiàn)增加的趨勢,但是CO2促進效應(yīng)不明顯,尤其是在移栽后10 d 以內(nèi)(圖4)。
圖4 CO2濃度升高下莖蘗數(shù)隨移栽時間的動態(tài)變化Figure 4 Dynamics of tiller number with transplanting time under e[CO2]
根據(jù)水稻莖蘗的動態(tài)變化特征,本研究采用Logistic 修正方程與倒Logistic 修正方程分別對莖蘗增長與消亡的動態(tài)過程進行模擬:
a[CO2]下的莖蘗增長模型:
式中:
T1——a[CO2]下最大分蘗數(shù);
a1、a2、a3——模型系數(shù);
t——移栽后天數(shù)。
a[CO2]下的莖蘗消亡模型:
式中:
T2——a[CO2]下最大死亡分蘗數(shù);
b1、b2、b3——模型系數(shù);
t——移栽后天數(shù)。
根據(jù)方程(3),則e[CO2]下莖蘗消長動態(tài)模型表示為:
式中:
β1與β2——莖蘗增長與消亡的CO2響應(yīng)比,根據(jù)2018 年實測數(shù)據(jù)分別取0.174 與0.167。
莖蘗增長與消亡的動態(tài)擬合結(jié)果見表3。從模擬結(jié)果可知,常規(guī)條件下水稻每盆理論莖蘗最大存活數(shù)與最大死亡數(shù)分別為27 株與10 株。無論是莖蘗增長還是莖蘗消亡模型,均具有較高的擬合度,其r2分別為0.971 與0.996。莖蘗增長與消亡模型的RMSE 分別為0.77 株/盆與0.65 株/盆,說明擬合誤差值較小。此外,從模擬值與觀測值的1?1 關(guān)系圖可知(圖3b),所有點均落在該線附近,莖蘗增長與消亡模型具有較高的模擬精度。
表3 莖蘗消長動態(tài)模型參數(shù)值Table 3 Parameters of dynamic model of tiller growth and extinction
水稻抽穗后旗葉、倒二葉與倒三葉的SPAD 均隨抽穗后天數(shù)呈逐漸降低的動態(tài)變化(圖5)??傮w上,SPAD 的大小為:旗葉>倒二葉>倒三葉,這種趨勢差異在2017 年更為明顯(圖5,表4)。CO2濃度升高對2017 年(OTC 內(nèi)土壤)與2018 年(OTC 內(nèi)盆栽土壤)旗葉與倒二葉SPAD 的影響不同:在2017年,CO2濃度升高增加了抽穗后35 d 旗葉與倒二葉的SPAD,并且隨生育期的進程,其CO2促進效應(yīng)逐漸增加;但是,2018 年旗葉與倒二葉的SPAD 對CO2升高幾乎無響應(yīng)(表4)。此外,CO2濃度升高對兩年內(nèi)倒三葉的SPAD 幾乎均無影響(表4)。
圖5 2017 年(a)與2018 年(b)CO2濃度升高下抽穗后SPAD 的動態(tài)變化Figure 5 Dynamics of SPAD with days after heading under e[CO2] in 2017 (a) and 2018 (b)
表4 不同測定日期下CO2濃度升高與葉位對SPAD 影響Table 4 Effects of e[CO2] and leaf position on SPAD at different measured time
由于SPAD 動態(tài)在2017 年和2018 年差異顯著,本研究采用多項式回歸方程,分年份對水稻不同葉位SPAD 動態(tài)特征進行模擬:
a[CO2]下不同葉位SPAD 動態(tài)模型:
式中:
t——抽穗后天數(shù);
a1、a2、a3——模型系數(shù)。
根據(jù)方程(3),2017 年(OTC 內(nèi)土壤)e[CO2]下不同葉位SPAD 動態(tài)模型:
旗葉與倒二葉:
式中:
β1與β2——抽穗后0-35 d 與抽穗后35 d 之后的 CO2響應(yīng)比,旗葉的取值分別為 0.070 與0.000 4×(t?35)2+0.003 9×(t?35)+0.085 5,倒二葉的取值分別為 0 與 0.001 2×(t?35)2?0.010 8×(t?35)+0.104 8。
倒三葉:
2018 年(OTC 內(nèi)盆栽土壤),e[CO2]下不同葉位SPAD 動態(tài)模型與方程(8)相同。
水稻抽穗后不同葉位SPAD 的動態(tài)擬合結(jié)果見表5。從兩年的擬合結(jié)果可知,所有葉位SPAD 的擬合模型在年際間(不同生長狀態(tài))具有較大差異??傮w上,旗葉與倒二葉的擬合模型相似,但兩者與倒三葉的擬合模型差異較大。兩年不同葉位SPAD模型的r2在0.960-0.985 之間,表明其模擬效果較好。圖3c 顯示了兩年所有葉位SPAD 模擬值與觀測值的比較結(jié)果:盡管兩年所有的點均落在1?1 線附近,但2018 年在抽穗后35 d 內(nèi)的散點大多落于1?1 線之下,并且從RMSE 的結(jié)果也可看出,2017年的擬合精度略優(yōu)于2018 年。
表5 SPAD 動態(tài)模型參數(shù)值Table 5 Parameters of SPAD dynamic model
常規(guī)與CO2濃度升高條件下,株高隨有效積溫的動態(tài)變化均為“S”型曲線(圖1)。無論是溫室、開頂箱還是FACE 試驗,CO2濃度升高一般對農(nóng)作物的株高具有促進作用,增幅為4%-10.6%(黃建曄等,2002;楊連新等,2007;Liu et al.,2008;周寧,2020),且隨生育進程逐漸增加,在抽穗期揚花期最顯著(謝輝,2005;賴上坤,2011)。本文結(jié)果與前人研究基本一致:CO2濃度升高對抽穗之前株高無顯著影響,但增加了抽穗后株高(最終株高增幅為7.1%)(圖1)。進一步的整合分析發(fā)現(xiàn),CO2濃度升高對株高的促進效應(yīng)與有效積溫有關(guān)(圖2)。這表明生長溫度調(diào)控水稻株高對CO2濃度升高的響應(yīng)。水稻是喜高溫作物,其莖鞘伸長的最適溫度為28.5 ℃(Sanchez et al.,2014),且在CO2濃度升高條件下,水稻生理生長的最適溫度將提升2.2-4.8 ℃(Lü et al.,2020)。因此,較高的有效積溫有利于CO2濃度升高對株高的促進。此外,水稻的生長空間也可能影響CO2對株高的促進效應(yīng),但在2016 年與2020 年(OTC 內(nèi)土壤),CO2濃度升高并未影響株高,因而生長空間并不是制約株高對CO2濃度升高響應(yīng)的因素。
以大于10 ℃的有效積溫與CO2響應(yīng)比為驅(qū)動變量,采用Logistic 方程可有效模擬CO2濃度升高下株高的動態(tài)曲線(表2,圖3a)。與大多數(shù)模型以生育期天數(shù)為驅(qū)動變量不同,本研究采用有效積溫建立模型,并將有效積溫進行閾值劃分(720 ℃·d),這能夠反映溫度在CO2濃度升高下對水稻生長的影響。因此,當年際間氣象環(huán)境條件存在差異時,也可有效建立CO2濃度升高下水稻的株高動態(tài)模型,具有較好的適用性。
CO2濃度升高條件下,水稻產(chǎn)量增加的主要原因是有效穗數(shù)的增加(Lü et al.,2020;Hu et al.,2021)。有效穗數(shù)的多少不但取決于水稻品種自身的分蘗能力、移栽密度和水肥管理,還與最大莖蘗密度等有著密切的聯(lián)系(黃耀等,1994)。水稻莖蘗消長由產(chǎn)生的新生分蘗與死亡的無效分蘗共同體現(xiàn),其增長階段呈正“S”型,而消亡階段呈反“S”型(圖4)。以往的研究結(jié)果表明,CO2濃度升高提高了水稻的分蘗能力(Ziska et al.,1997;Kim et al.,2003;Hu et al.,2022;孫成明等,2006b)。本研究也發(fā)現(xiàn)CO2升高增加了分蘗數(shù),但總體上這種促進效應(yīng)并不明顯,尤其是在移栽后10 d 內(nèi)(圖4)。
以移栽后天數(shù)與CO2響應(yīng)比為驅(qū)動變量,采用Logistic 修正方程與倒Logistic 修正方程可有效模擬CO2升高下水稻莖蘗增長與消亡的動態(tài)(圖3b,表3)。Yang et al.(2006)發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高下莖蘗增長速率與消亡速率有差異,從而導致成熟期最終有效穗數(shù)與拔節(jié)期最大莖蘗數(shù)的比例不一致。因此,本研究在孫成明等(2006a)莖蘗動態(tài)模型的基礎(chǔ)上,進一步區(qū)分了莖蘗增長與消亡階段的CO2響應(yīng)比。
前人的研究表明,CO2升高對葉綠素含量的影響無一致性規(guī)律,或增加(蔣躍林等,2005;Zhu et al.,2009;謝立勇等,2015)、或不變(Koti et al.,2007)、或降低(Bindi et al.,2002;周寧等,2017)。本研究發(fā)現(xiàn),SPAD 對CO2濃度升高的響應(yīng)因葉位選擇(旗葉、倒二葉vs倒三葉)與測定時間而異(表4)??傮w上,CO2濃度升高增加了2017 年抽穗后35 d 旗葉與倒二葉的SPAD,但對其他時期或葉位的SPAD 無顯著影響。此外,CO2濃度升高對SPAD 的影響在年際間差異較大。造成這種差異的原因可能是:相較于2017 年種植在大田的水稻(根系呈傘狀發(fā)散形),2018 年種植在盆栽的水稻(根系圍繞著土壤呈圓柱形),其根系生長空間較小,從而導致養(yǎng)分吸收受限。
以移栽后天數(shù)與CO2響應(yīng)比為驅(qū)動變量,采用多項式回歸模型可對CO2升高下抽穗后不同葉位SPAD 的動態(tài)曲線進行有效模擬(圖3c,表5)。盡管兩年不同葉位SPAD 模型的r2均大于0.96,但CO2濃度升高對SPAD 的影響因多種外界因素而異,其擬合模型可能具有局限性。
本研究主要基于兩年的田間觀測,觀測時間較短、觀測數(shù)據(jù)有限,模型并未進行不同年份的驗證。但基于兩年的結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)CO2效應(yīng)因年際而異。田間試驗和實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,年際間氣象因素的差異可能是造成年際間CO2效應(yīng)差異的原因,這需要進一步開展長時間以及多因子的試驗研究,建立CO2響應(yīng)比與氣象等環(huán)境因素的關(guān)系,并進行有效驗證,從而使模型更具有普適性。
水稻株高對CO2升高的響應(yīng)由生長溫度調(diào)控,可采用以大于10 ℃的有效積溫和CO2響應(yīng)比為驅(qū)動變量的Logistic 方程進行有效模擬。CO2升高總體上提高了水稻的分蘗能力,以移栽后天數(shù)和CO2響應(yīng)比為驅(qū)動變量,可采用Logistic 修正方程與倒Logistic 修正方程有效模擬莖蘗增長與消亡動態(tài)曲線。SPAD 對CO2升高的響應(yīng)因葉位選擇與測定時間與而異,多項式回歸模型能有效模擬抽穗后不同葉位SPAD 動態(tài),其中抽穗后天數(shù)和CO2響應(yīng)比是驅(qū)動變量。
致謝:南京信息工程大學劉超與商東耀對CO2控制平臺維護與管理;北京天航華創(chuàng)科技股份有限公司對CO2濃度控制系統(tǒng)提供技術(shù)支持;江蘇省農(nóng)業(yè)科學院王才林研究員提供水稻種子,一并致謝。