开放式CO2浓度升高和增温交互作用对水稻产量的影响开题报告

1. 研究目的与意义

随着工业化进程的加快和人类活动的加剧，煤炭、石油等化石燃料的广泛使用以及大规模滥伐森林，大气co₂浓度逐步上升，导致全球气候变暖，预计到2050年co₂浓度将达到450550 μmolmol^-1之间，温度相应增加24 ℃^[1]。全球气候变化将使人类面临前所未有的严峻挑战，而靠天吃饭的农业是受冲击最大的行业之一。在过去的几十年，全球气候变化对我国很多地区的农业生产产生了重大影响，这必将给未来农业生产带来新的挑战。co₂是作物进行光合作用的必要反应物，而温度又能对作物各种生理生化过程起调控作用，co₂浓度升高和温度增加势必会对作物产量造成影响。而另一方面，据联合国粮农组织估计，到2050年世界人口将达到90亿，粮食产量至少增加70 %才能满足人口增长的需求^[2]。全世界种植水稻的国家或地区有112个，每年播种面积1.5亿公顷，中国的水稻播种面积排世界第二，约0.33亿公顷，占全球23 %，而且水稻在我国粮食生产和消费中历来处于主导地位。因此，研究co₂浓度升高和增温交互作用对水稻产量的影响，以此作为依据预测未来气候变化大背景下水稻产量的变化趋势，对于合理控制生长环境以保证水稻产量具有重要意义。

目前，国内外进行了大量关于co₂浓度升高对水稻影响的试验，研究的结果基本一致，都表明co₂浓度升高可以增加水稻产量，但增幅大小有差异、增产原因不同。黄建晔等人利用face处理将空气co₂浓度增加200 μmolmol^-1，试验得到水稻产量平均比对照增加12.8 %，而增产原因是分蘖发生速度快，最高分蘖数多^[3]；baker和allen研究中发现，co₂浓度增加使水稻的产量增加了16 4 %，产量的增加是有效分蘖数增加，进而每亩的有效穗数增加所导致^[4]；赖上坤等人的研究结果为高浓度co₂使Ⅱ优084籽粒产量从810 gm^-2增加到1204 gm^-2，增幅为49%，增产最主要因素是结实率( 36%)明显增加^[5]。前人进行的增温实验结论不尽相同，多数实验表明增温使水稻产量降低，但也有的认为增温造成小幅增产，或是无显著影响。krishnan等的研究表明温度升高1℃，水稻产量分别降低7.20%和6.66%^[6]；dong w等人的试验中也得出类似结论，即全天加温、白天加温、夜间加温其干物质分别减少9.1 %、10.3 %和3.3 %，产量分别减少0.9 %、6.4 %和6.1 %^[7]；何帅奇等以常优5号为试验材料也认为增温处理使水稻产量减少，且减幅更大为27.0 %^[8]。但万运帆等人进行的实验表明增温对早稻的一个不利影响是空穗率增加7 %，单独增温处理较对照仍表现为略增^[9]。蔡威威等对双季早稻进行增温2 ℃的实验，得出增温对水稻产量无显著影响的结论^[10]。而未来气候变化趋势是大气co₂浓度和温度同时升高，单独研究大气co₂浓度升高或者单独研究大气温度升高都不能真实预测未来气候变化对水稻的影响。考虑到co₂浓度的升高和极端温度天气事件的越来越频繁，需要更好的研究大气co₂浓度和温度同时升高对作物的影响。根据现今大多数研究的结果，可以在理论上推测高温会降低co₂对产量增益效应，影响产量的提高；但从另一个角度来说，co₂浓度升高则可以减弱增温对作物的负面影响。然而通过研究co₂浓度升高和增温交互作用对水稻产量的影响，却还未得出一致结论。20世纪90年代的温室^［11］、ctgc^［12］和otc试验^［13］表明，高温可以部分甚至全部抵消大气co₂浓度升高对水稻产量的增益效应。但也出现了相反的研究结果，万运帆等的研究结果显示增温 co₂处理的籽粒产量与对照相比仍增加11.7 %^[9]；赖上坤等也得出高温条件下高浓度co₂使Ⅱ优084增产413 gm^-2，增幅为和64 %^[14]。基于未来气候变化问题日益突出而目前对co₂浓度升高和增温交互作用对水稻产量影响的研究还未得出确切结论的现状，以我国主要粮食作物之一的水稻为研究对象，利用国内首个开放式co₂浓度升高和增温（tface）系统平台，分析co₂浓度升高和增温交互作用对水稻产量的影响则具有重要意义。

本研究不仅为模拟未来气候变化情景下co₂浓度升高和增温交互作用对作物生产的影响提供新方法，而且可以为促进和拓展现有作物生长模型在预测作物产量对未来气候变化响应方面的功能奠定基础，为今后在作物生产中采取合理措施应对气候变化尤其是co₂浓度升高和温度升高问题提供了理论指导。为保障我国粮食安全和制定节能减排的政策与策略提供重要科学依据，具有很好的应用前景。

2. 研究内容和预期目标

1.1 研究目标：明确CO₂浓度升高和增温交互作用对水稻产量的影响。

1.2 研究内容: 测定自然环境、CO₂浓度580 ppm、CO₂浓度580 ppm 2 ℃升温、2 ℃升温四种条件下的水稻产量，包括产量构成因素穗数、每穗粒数、千粒重、结实率；测定干物质分配情况，包括穗、茎、叶干重。

3. 研究的方法与步骤

2.1拟采取的研究方法

本研究以水稻（oryza sativa l.）品种南粳46号为试验材料，利用开放式co₂浓度升高和温度增高平台（free air co₂ enrichment and increased temperature，t-face）（位于江苏省扬州市）开展，模拟co₂浓度和温度升高的气候环境的水稻栽培实验，研究co₂浓度和温度升高对水稻产量的影响。

2.2 技术路线

(1) 选定水稻品种

4. 参考文献

本研究综合考虑未来气候变化中较突出的CO₂浓度升高和增温两个因素对水稻产量的影响，应用大气可以自由流通、可最大限度地模拟自然生态环境的T-FACE平台圈进行研究，量化CO₂浓度和温度两个因子对于水稻产量构成因素及干物质分配的影响，明确CO₂浓度升高和增温对于水稻产量的影响具有交互作用。为未来气候变化大背景中尤其是CO₂浓度升高和温度升高问题下作物生产应采取的合理措施提供了理论指导，并给今后进一步研究CO₂浓度升高和增温交互作用对作物生产影响的研究提供数据支持，同时也为保障我国粮食安全和制定节能减排的政策与策略提供重要科学依据。

5. 计划与进度安排

2022年7月～2022年11月进行田间观测试验。

2022年11月~2022年2月，收获测产及数据整理、分析。