大氣CO2 濃度升高和施肥對粳稻產量和稻米營養品質的影響
——FACE 研究

童楷程 戶少武 楊陽 朱建國 王云霞 楊連新*

（1 揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州225009；2 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，江蘇 揚州225009；3 中國科學院南京土壤研究所/土壤與農業可持續發展國

家重點實驗室，南京210008；第一作者：mx120190524@yzu.edu.cn；*通訊作者：lxyang@yzu.edu.cn）

1959 年至2017 年，全球大氣CO2濃度以年約1.56 μmol/mol 的速度持續增加，最新數據顯示，地表CO2濃度已升至410 μmol/mol[1]，預測2050 年至少達到550 μmol/mol[2]。大氣CO2是最主要的溫室氣體，其濃度增加將導致地表溫度升高；同時，它還是植物光合作用碳固定的主要來源，濃度升高將增強C3作物的光合能力，有利于作物生長和產量提高[3]。水稻是重要的C3作物，是亞非地區貧困人群熱量和營養（包括蛋白質和微量元素）的主要來源[4]。盡管高CO2濃度環境下水稻產量均有不同程度的增加，但稻米營養品質的變化不容樂觀。已有研究表明，高CO2濃度可導致稻米的蛋白質、必需氨基酸和非必需氨基酸等營養品質下降[5-8]，這將進一步惡化稻米食用人群的“隱性饑餓”問題[9-10]。

相對稻米蛋白質或氮素含量，大氣CO2濃度升高對稻米礦質營養的影響報道較少，且分歧較大。例如前期封閉或半封閉式氣室試驗發現，高CO2濃度環境下生長的稻米其礦質元素濃度多數情況下呈下降趨勢[10-11]，但近年來越來越多的開放大田研究發現，高CO2濃度對稻米中礦質元素濃度的影響較小。例如，日本FACE（Free Air CO2Enrichment）研究以Akitakomachi為對象，2 年結果表明高CO2濃度環境下稻米11 個礦質元素濃度均無顯著變化，但其中Fe、Mn、Cu、Zn 和B元素濃度均表現出增加的趨勢[12]；隨后，中國的水稻FACE 研究亦發現，高CO2濃度對稻米中多數礦質元素的濃度無顯著影響[13]。這一定程度上反映了高CO2濃度對稻米礦質營養影響的復雜性，也說明進一步開展這方面研究的必要性[10,14]。

大田FACE 試驗基于標準的作物管理技術，在空氣自由流動的大田條件下對作物表現進行研究，與氣室研究相比，有試驗空間大（大10 倍左右）、人為干擾少（無壁箱效應）等優勢[15]。FACE 系統的這種特性為評估各種適應措施對作物生產力的實際影響提供了可能。氮肥施用是稻作生產上重要的農藝調控措施，盡管CO2與施氮量互作對水稻產量形成的影響已有一些報道[16]，但系統報道兩者對稻米礦質元素影響的文獻很少[17]。龐靜等[13]利用FACE 平臺研究了水培條件下CO2與供氮水平互作對稻米礦質營養的影響，但大田水稻是否有相同趨勢尚不清楚。稻米礦質營養不僅與元素濃度有關，也與它的可給性（即生物有效性）有關，后者與稻米中植酸濃度密切有關[18]。目前，這方面的研究尚未受到廣泛關注[10]。為此，本試驗利用稻田FACE 系統平臺，設置2 個CO2濃度（Ambient，Ambient+200 μmol/mol）和2 個肥料水平（常規施肥和不施肥），研究大氣CO2濃度升高、施肥量減少以及兩者交互作用對武運粳23 產量性狀、稻米蛋白質、植酸和礦質元素濃度的影響，以期為闡明稻米營養品質對氣候變化的應答及其調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗平臺

試驗于2016 年在中國稻田FACE（Free-Air CO2Enrichment）平臺上進行，此平臺位于江蘇省揚州市小紀鎮良種場試驗田內（119°42′0″E，32°35′5″N）。試驗田土壤類型為清泥土，年均降水量980 mm 左右，年均蒸發量大于1 100 mm，年平均溫度14.9℃，年日照時間大于2 100 h，年平均無霜期220 d，耕作方式為水稻-冬閑單季種植。土壤主要礦質營養元素含量如表1 所示。高CO2濃度顯著增加了土壤中堿解氮和速效鉀的濃度，不施肥使土壤堿解氮和有效磷顯著或極顯著下降。

平臺共設有3 個FACE 試驗圈和3 個對照圈（Ambient）。為減少FACE 圈中CO2釋放對周圍圈的影響，試驗中FACE 圈之間以及FACE 圈與對照圈之間的間距大于90 m。FACE 圈設計為正八角形，直徑12 m，平臺運行時通過FACE 圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體，CO2放氣管高度距作物冠層50 cm 左右。FACE圈中利用計算機網絡對平臺CO2濃度進行監測和控制，根據大氣中的CO2濃度、風向、風速、作物冠層高度的實時CO2濃度自動調節CO2氣體的釋放速度和方向，使水稻FACE 圈內CO2濃度保持比大氣背景CO2濃度高200 μmol/mol。對照田塊沒有安裝FACE 管道，其余環境條件與自然狀態一致。

1.2 材料培育與處理

本試驗選用常規粳稻武運粳23 為供試品種。大田旱育秧，5 月18 日浸種，5 月21 日播種，6 月20 日移栽（5 葉期）。栽插行距和株距分別為25.0 cm 和16.7 cm（相當于每m224 叢），每叢2 株。水分管理：6 月21 日至7 月20 日保持水層（約3 cm），7 月21 日至8 月10日多次輕擱田（自然落干后保持3 d 無水，然后灌水保持1 d，其次落干保持無水4 d，接著灌水保持1 d，最后如此4 d 無水1 d 灌水反復），8 月11 日至收獲前10日間隙灌溉，即3 d 保水2 d 無水，之后斷水至收獲。

試驗采用二因素裂區設計，CO2濃度處理為主區，施肥量為裂區，重復3 次。CO2濃度設2 個水平：大氣背景CO2濃度（Ambient，約395 mol/mol，即對照圈）和高CO2濃度（比Ambient 增高200 μmol/mol，即FACE圈。CO2熏氣從6 月29 日起至10 月19 日，每日熏氣時間為日出至日落。肥料處理設置施肥和不施肥2 個水平，各小區之間用塑料薄板隔開，嵌入土層以下40 cm，地面以上保留60 cm。施肥處理的總施氮量為22.5 g/m2，其中基肥、分蘗肥和穗肥分別占40%（6 月19 日施用）、30%（6 月29 日）和30%（7 月28 日），施P 量和施K 量相同，均為9.0 g/m2，全作基肥施用。

1.3 測定內容及方法

1.3.1 產量性狀

于成熟期各小區除去雜株病株，每小區收獲代表性植株5 叢。曬干至恒質量，手工脫粒，用風選儀分離空秕粒和飽粒，測定單叢穗數、穗粒數、空秕粒數、空秕粒質量、飽?？倲?、飽?？傎|量，由此計算出籽粒產量、每穗穎花數、飽粒率和飽粒質量等。將烘干飽粒樣品出糙，糙米稱重后磨成粉，供后續測定使用。

1.3.2 糙米蛋白質濃度

參照國家標準GB/T 17891-1999，用凱氏定氮法測定糙米含氮量，乘以換算系數5.95。

1.3.3 糙米植酸濃度

準確稱量烘干的糙米粉0.2500 g 作樣品，加入5 mL 0.7% HCl 溶液，恒溫振蕩1 h（25℃，150 rpm），離心15 min （4 000 rpm）。取0.6 mL 的上清液加入2.4 mL水及1.0 mL 顯色劑溶液（由FeCl3和磺基水楊酸配置），混合后離心10 min（3 400 rpm），取上清液用分光光度計于500 nm 波長下測定吸光度值。根據標準曲線計算樣品植酸濃度。

1.3.4 糙米礦質元素濃度

準確稱取烘干的糙米粉0.5000 g，加入5 mL 優級純（GR）濃硝酸和2～3 滴H2O2后置于微波消解儀（CEM-MARS5, USA）內高溫消解。消解液經稀釋和過濾后，用等離子發射光譜－原子吸收儀（iCAP 6300,USA）測定濾液中大量元素鉀、鈣、鎂、磷、硫及微量元素銅、鋅、鐵、錳、硼的元素濃度。

1.3.5 蛋白質、植酸和礦質元素累積量

蛋白質、植酸或礦質元素累積量= 蛋白質、植酸或礦質元素濃度× 單位面積糙米產量

1.4 統計分析方法

本研究所有數據均用Excel 2013 進行數據處理和圖表繪制，以SPSS 20 進行統計分析。各處理的比較采用最小顯著差法（LSD）。

表1 不同CO2 濃度和施肥處理下土壤速效和全量氮磷鉀含量

表2 大氣CO2 濃度和肥料處理對水稻籽粒產量與產量構成因素的影響

2 結果與分析

2.1 對水稻籽粒產量及產量構成因素的影響

由表2 可知，高CO2濃度使施肥和不施肥條件下水稻產量分別增加7.9%和9.3%，均未達顯著水平；與施肥處理相比，不施肥處理使水稻產量平均減少313.4 g/m2，降幅為33.7%，達極顯著水平；方差分析表明，CO2與肥料處理對水稻產量無互作效應。高CO2濃度使施肥和不施肥條件下水稻穗數分別增加6.1%和16.4%，均未達顯著水平；與施肥處理相比，不施肥處理使穗數平均下降44.6%，達極顯著水平；方差分析表明，CO2與肥料處理對水稻穗數無互作效應。對穎花密度而言，高CO2濃度使施肥和不施肥條件下水稻每穗穎花數分別減少3.1%和5.8%，均未達顯著水平。與施肥處理相比，不施肥處理每穗穎花數平均增加5.9%（P=0.10）。方差分析表明，CO2與肥料處理對水稻每穗穎花數無互作效應。

水稻飽粒率和飽粒質量代表籽粒的結實能力。從表2 可見，高CO2濃度對水稻飽粒率沒有影響，但使飽粒質量平均增加1.9%（P=0.09）；與施肥處理相比，不施肥處理水稻飽粒率、飽粒質量平均分別增加3.4%（P=0.14）和9.3%（P＜0.05）；CO2與肥料處理間的互作對水稻飽粒率和飽粒質量均無顯著影響。

2.2 大氣CO2 濃度升高和肥料處理對稻米營養品質的影響

稻米中各營養成分和抗營養因子的濃度是評價稻米營養品質的主要指標。本研究測定的12 個濃度指標中，蛋白質、K、P、S 和Fe 濃度等5 個指標對大氣CO2濃度升高響應顯著（表3）；除Ca、Cu、Fe 和B 濃度外，其他8 個被測指標均對肥料處理響應顯著；K、Mg、P 和Fe 濃度等4 個指標表現出顯著的CO2與肥料處理的互作效應。

2.2.1 蛋白質和植酸濃度

從圖1、表3 可見，高CO2濃度使稻米蛋白質濃度顯著下降6.6%；與施肥處理相比，不施肥處理稻米蛋白質濃度極顯著下降14.31%；方差分析表明，CO2與肥料處理對稻米蛋白質濃度沒有顯著的互作效應。高CO2濃度對稻米植酸濃度無顯著影響；與施肥處理相比，不施肥處理水稻植酸濃度平均增加0.58 g/kg，增幅為7.4%，達極顯著水平。方差分析表明，CO2與施肥處理對稻米植酸濃度沒有顯著的互作效應。

2.2.2 礦質元素濃度

從圖2 和表3 可見，高CO2濃度對稻米Ca 和Mg濃度無顯著影響，但K、P 和S 濃度分別減少6.7%、10.5%和11.7%，均達顯著或極顯著水平；高CO2濃度使施肥條件下稻米K、Ca、P、S 濃度分別下降9.8%、11.3%、16.0%和16.2%，除Ca 濃度外均達顯著水平；不施肥條件下稻米的這5 個大量元素濃度均表現為下降趨勢，但未達顯著水平。與施肥處理相比，不施肥處理稻米K、P、S 濃度分別下降5.2%、5.8%和15.6%，但使Mg、Ca 濃度分別增加3.5%、86.8%，除Ca 濃度外均達顯著或極顯著水平。方差分析表明，CO2與肥料處理對稻米K、Mg 和P 濃度的互作效應均達顯著水平。

表3 大氣CO2 濃度和肥料處理對稻米蛋白質、植酸和各元素濃度影響的方差分析

圖1 大氣CO2 濃度和肥料處理對稻米蛋白質（a）和植酸（b）濃度的影響

從圖3 和表3 可見，高CO2濃度對稻米Cu、Zn、Mn和B 濃度沒有影響，但使稻米Fe 濃度增加12.6%（P＜0.05）；高CO2濃度使施肥條件下Fe 濃度增加51.44%，對施肥條件下其他微量元素濃度均無顯著影響，使不施肥條件下稻米Zn 和Fe 濃度分別減少15.5%（P=0.08）和22.3%（P=0.055）。與施肥處理相比，不施肥處理使稻米Mn 濃度平均下降26.1%（P ＜0.01），Zn 濃度平均增加20.6%（P=0.05）。方差分析表明，CO2與肥料處理僅對稻米Fe 濃度有顯著的互作效應。

2.2.3 蛋白質、植酸和礦質元素累積量

從表4 可見，高CO2濃度對單位面積稻米蛋白質和植酸累積量均無顯著影響。與施肥處理相比，不施肥處理使水稻蛋白質和植酸含量分別下降43.8%和29.7%，均達極顯著水平。方差分析表明，CO2與肥料處理對稻米蛋白質和植酸含量的互作效應均未達到顯著水平。

從表4 可見，高CO2濃度對稻米K、Mg、P、S 含量均無顯著影響，但使Ca 含量減少28.1%（P＜0.05）；這些元素的含量對CO2響應有正有負，但均未達顯著水平。與施肥處理相比，不施肥處理使水稻K、Mg、P、S 含量分別下降37.7%、32.4%、38.2%、44.4%，Ca 含量增加19.6%，除Ca 元素外均達極顯著水平。方差分析表明，CO2與肥料處理對稻米5 種大量元素含量的互作效應均未達到顯著水平。

從表4 可見，高CO2濃度對稻米Cu、Zn、Fe、Mn、B含量沒有影響，但施肥條件下，高CO2濃度使稻米Fe含量上升60.64%（P＜0.05），其余元素在2 個施肥水平下均未達到顯著水平。與施肥處理相比，不施肥處理使稻米Cu、Zn、Fe、Mn、B 含量分別下降47.3%、21.1%、47.3%、51.3%和50.4%，均達顯著或極顯著水平。方差分析表明，CO2與肥料處理僅對稻米Fe 元素含量的互作效應達到顯著水平。

3 討論

前人稻田FACE 研究表明，高CO2濃度對水稻產量的影響因品種而異，總體上雜交稻大于常規稻、常規秈稻大于常規粳稻[16]。本研究以本地高產優質粳稻品種武運粳23 為供試材料，結果表明，大氣濃度增加200 μmol/mol 使該品種籽粒產量平均增加8.5%，這一增幅明顯小于雜交稻或常規秈稻，與前期FACE 研究的常規粳稻品種較為接近[19-21]，說明這一高產品種對空氣中CO2濃度的變化鈍感。高CO2濃度環境下水稻增產通常多與穗數增多或籽粒結實能力增加有關[16，22]。本研究表明，高CO2濃度環境下武運粳23 產量增加主要與其穗數（+9.6%）和飽粒質量（+1.9%）增加有關，但其每穗穎花數不增反降（-4.5%）。前期中國FACE 研究亦觀察到CO2熏蒸水稻導致每穗穎花數下降的現象，這主要與生育中期植株含氮率下降導致穎花退化增加有關[20]。

圖3 大氣CO2 濃度和肥料處理對武運粳23 稻米微量元素濃度的影響

與施肥相比，不施肥使水稻產量平均減少34.0%。進一步分析表明，與常規施肥相比，不施肥的水稻每穗穎花數、飽粒率和飽粒質量均呈增加趨勢，其中飽粒質量的增幅達顯著水平（+9.0%）。與此不同，不施肥水稻穗數銳減（-45.0%），說明不施肥水稻減產主要是穗數減少所致。不施肥使土壤堿解氮顯著下降（表1），缺氮顯著影響分蘗發生[23]，這是營養缺乏逆境適應性響應的一種典型表現，使有限的資源集中于少數成熟的部分籽粒，使之更加飽滿。盡管肥料處理對水稻產量性狀多有顯著影響，但CO2與肥料處理對這些指標均無明顯的互作效應（表2），這與ZISKA 等[24]的氣室研究不同，但與前期FACE 研究一致[20，25]。大氣CO2濃度增加對水稻產量性狀的影響不受施肥水平的影響，這可能與實驗圈土壤背景有效態養分的供應充足有關（表1）。

蛋白質含量是評價稻米營養品質的主要指標。前人稻田FACE 研究表明，高CO2濃度環境下，糙米中的蛋白質濃度下降[6，26]。2014 年發表于《自然》的一篇綜合了31 篇文獻的研究結果表明，高CO2濃度環境下水稻籽粒中的蛋白質濃度下降8.9%[10]，與本研究中下降6.6%趨勢一致（圖1），下降幅度的差異可能是由于該品種對空氣中CO2濃度升高的響應比較鈍感。

表4 大氣CO2 濃度和肥料處理對武運粳23 稻米蛋白質、植酸和各元素積累的影響

植酸是抗營養物質，因為它可與礦質元素螯合形成難溶性的植酸鹽，降低其在人或動物消化系統的生物有效性，進而引起相應元素的缺乏[18]。大氣CO2濃度升高對稻米植酸濃度影響的報道甚少，僅有幾例報道表明稻米中的植酸濃度對CO2均無顯著響應[10，27]。本研究也發現，大氣CO2濃度升高對武運粳23 糙米植酸濃度沒有影響，2 個肥料處理下趨勢一致（圖1）。與常規施肥處理相比，不施肥使稻米植酸濃度極顯著上升（+7.4%），這與周三妮等[27]研究結果一致。這說明增施氮肥可使水稻籽粒中的植酸濃度下降，從而使水稻食用部位的元素可給性上升，進而提高人體對微量元素的吸收[28]。然而有文獻表明，高磷處理顯著增加水稻籽粒中植酸磷的濃度[29]。本試驗中同時增加氮肥和磷肥所表現出的植酸濃度顯著下降，可能是由于氮肥起到了主導作用，相關機制還有待進一步研究。

稻米礦質元素濃度是衡量稻米營養品質的重要指標。多數情況下，高CO2濃度生長環境下稻米礦質元素濃度呈下降趨勢或不變，但亦有增加的報道[8，17]?？傮w而言，氣室研究中稻米元素濃度對CO2的響應大于FACE 研究，后者很少觀察到元素濃度的顯著變化[12-13，30]。本FACE 研究觀察了武運粳23 成熟稻米元素濃度的變化，結果發現，除Mg、Cu 和Fe 元素外，大氣CO2濃度升高使測定的其他大量和微量元素濃度呈一致的下降趨勢，其中K、P、S 和Zn 濃度平均分別下降6.7%、10.5%、11.7%和5.2%，均達顯著水平（圖2、3）。其中稻米P 濃度的顯著下降與其他FACE 研究的整合分析結果不盡一致[31]，且數值超過了氣室的降幅，可能與該品種根系生長對于CO2升高的響應較小有關。這說明高CO2濃度環境下稻米元素濃度的下降趨勢FACE 研究并不一定小于氣室研究，但明確這兩類研究的異同點還需要更多有說服力的試驗證據。

目前，人們對高CO2濃度環境下作物食用部位元素濃度下降的機制尚不清楚[10，32-33]。多數研究者認為這是“稀釋效應”造成的，即CO2熏蒸環境促進作物碳水化合物的生產，從而使籽粒其他化學組分濃度因“稀釋”而下降[34]。本研究數據表明，高CO2濃度導致的元素濃度下降很難用“稀釋效應”來解釋。首先，從產量響應看，武運粳23 是一個低響應的鈍感品種。但是，該品種稻米元素濃度對高CO2濃度的響應較大，其中K、P、S 和Zn 的降幅達到了顯著水平（表3）。另外，盡管武運粳23 糙米元素濃度對CO2的響應多呈下降趨勢，但變幅較大（4%～12%），Fe 濃度還表現出增加的趨勢。這種不同元素的響應差異在其他文獻中亦有報道[8，10，27，30，35]。雖然Fe 濃度的增加趨勢與其他報道的結果不同，但與LIEFFERING 等[12]在日本水稻FACE 試驗中的結果相同。其原因可能與品種或吸收機理有關，有待進一步探明。如果高濃度CO2導致的微量元素濃度下降只是被動稀釋所致，則對一個特定品種而言，各元素濃度的降幅應該是比較接近的。從以上分析可知，高CO2濃度對稻米元素濃度的影響機理可能要遠比“稀釋效應”來得復雜，值得深入研究[10]。

盡管CO2或肥料處理對稻米元素濃度的影響已有較多報道，但兩者之間的交互作用報道甚少[13]。本研究發現，對大量元素而言，除Ca、Mg 外，FACE 對施肥水稻稻米元素濃度的影響多大于不施肥水稻，其中CO2與肥料處理對K、P、S 濃度的交互作用均達顯著或極顯著水平（表3）。具體來講，在充足供肥條件下，CO2濃度升高使糙米K、P 和S 濃度顯著下降，而在不施肥條件下沒有顯著影響。這可能與缺肥植株這些元素的濃度本身較低有關。數據顯示，與施肥相比，不施肥使稻米K、P 和S 濃度極顯著下降，降幅達5%～16%（圖2）；這使得高CO2濃度下缺肥水稻元素濃度下降的空間變小。與大量元素不同，CO2與肥料處理間互作對除Fe外的4 個微量元素濃度沒有影響（表3），這是否與稻米微量元素濃度本身很低有關，有待進一步研究。

稻米元素含量為單位面積糙米產量與元素濃度的乘積。由于高CO2濃度生長環境中水稻產量增加，而元素濃度多呈下降趨勢，故CO2處理對單位面積元素收獲量的影響較小。本研究亦表明，除Ca 元素外，大氣CO2濃度升高對單位面積收獲籽粒的礦質元素含量均無顯著影響（表4）。除Ca 外，不施肥處理使糙米K、Mg、P、S、Cu、Zn、Fe、Mn 和B 含量均顯著下降，這一結果與龐靜等[13]報道的結果相近。這可能與不施肥條件下，植株生長不良、營養吸收能力減弱有關。

4 結論

本文利用稻田大型FACE 技術平臺，設置2 個CO2濃度水平和2 個施肥水平，研究不施肥處理是否會改變水稻產量性狀以及礦質營養對大氣CO2濃度升高的敏感性。結果發現，盡管高CO2濃度環境下武運粳23產量響應較小，但稻米營養相關組分濃度多表現出一致的下降趨勢（除Fe 濃度顯著上升外），其中蛋白質、K、P 和S 濃度達顯著水平。本研究還發現，CO2與肥料處理對稻米K、Mg、P、Fe 元素濃度和Fe 元素含量均有互作效應：對K、P 而言，在肥料供應充足的條件下CO2熏蒸導致的降幅大于不施肥處理，而Mg、Fe 濃度和Fe含量表現相反。本研究結果提示我們，在未來大氣CO2濃度升高情形下減氮節肥措施的使用需考慮不同元素的響應。

致謝：感謝中國科學院南京土壤研究所劉鋼和朱國興老師對FACE 系統的日常維護。