東北地理所在大氣CO2濃度升高影響大豆產(chǎn)量、品質(zhì)及機(jī)制方面研究取得進(jìn)展
大氣CO2濃度不斷升高是全球氣候變化的重要環(huán)境因子，根據(jù)計算大氣CO2濃度已從工業(yè)革命前的270 ppm升高到目前的412 ppm（http://scrippsco2.ucsd.edu/#），預(yù)測到本世紀(jì)中葉大氣CO2濃度將升高到550 ppm，本世紀(jì)末達(dá)到700 ppm。研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度升高促進(jìn)C3作物生物量提高，即肥料效應(yīng)（CO2fertilization effect），但會導(dǎo)致植株氮（N）濃度降低，進(jìn)而抑制產(chǎn)量的持續(xù)增加。大豆是對CO2濃度升高響應(yīng)最敏感的作物之一，由于其本身具有共生生物固氮能力，理論上大氣CO2濃度升高可能顯著改變N吸收模式，進(jìn)而影響CO2肥料效應(yīng)。
黑龍江省是我國大豆的主產(chǎn)區(qū)，大豆種植面積占全國種植面積40%左右，品種資源豐富。針對氣候變化引起的不確定性，研究大氣CO2濃度升高對大豆產(chǎn)量及N吸收機(jī)制的影響，對預(yù)警未來氣候條件下大豆N利用效率、提高大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。同時對進(jìn)一步認(rèn)識全球C、N循環(huán)也有重要的科學(xué)意義。
東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組李彥生助理研究員和金劍研究員等利用開頂式氣室（Open Top Chamber, OTC）模擬大氣CO2濃度升高到550ppm，采用穩(wěn)定同位素15N標(biāo)記方法，選取黑龍江省主栽品種，量化分析了大氣CO2濃度升高條件下共生固氮、土壤氮和肥料氮對大豆產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的CO2顯著增加了大豆植株中N吸收量，這主要與大豆共生生物固氮貢獻(xiàn)提高有關(guān)（圖1）。大氣CO2濃度升高條件下，大豆根瘤數(shù)量和質(zhì)量均顯著提高。揭示高CO2濃度條件下大豆R5期（鼓粒期）至R8期（成熟期）共生生物固氮的增加與產(chǎn)量提高顯著相關(guān)（P< 0.05）。從植株C、N和磷（P）的化學(xué)計量學(xué)角度進(jìn)一步證實(shí)大氣CO2濃度升高顯著增加大豆不同組織的C:N比，但降低N:P比，提出N是限制黑土區(qū)大豆對大氣CO2濃度升高響應(yīng)重要元素，而不是P，大豆固氮能力可能是決定未來大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性的重要因素（圖2）。
解析大氣CO2濃度升高影響大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)對保障未來糧食品質(zhì)安全具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，雖然大氣CO2濃度升高一定程度上增加大豆R8期脂肪含量（P< 0.05），但顯著降低大豆籽粒中蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量（P< 0.05）（圖3）。在營養(yǎng)元素方面，鋅（Zn）和鐵（Fe）濃度在高CO2條件下也呈降低趨勢。在未來CO2濃度升高環(huán)境條件下，大豆蛋白和微量元素等品質(zhì)特征可能降低。
該研究成果分別發(fā)表在環(huán)境和植物領(lǐng)域國際期刊Science of the Total Environment和Frontiers in Plant Science上。此系列研究工作得到中國科學(xué)院人才計劃項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017YFD0300300）和國家自然科學(xué)基金（41201247、31501259、41271261）的資助。
圖1大氣CO2濃度升高對大豆氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)模式的影響
圖2大氣CO2濃度升高對大豆植株C:N:P比例的影響
圖3大氣CO2濃度升高對大豆鼓粒期和成熟期籽粒品質(zhì)的影響
Li Yansheng, Yu Zhenhua, Yang Songchao, Wang Guanghua, Liu Xiaobing Wang Chunyu, XieZhihuang,Jin Jian*. Impact of elevated CO2 on C:N:P ratio among soybean cultivars. Science of the Total Environment, 2019, 12, 694:133784.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719337258
Li Yansheng, Yu Zhenhua,Jin Jian*, Zhang Qiuying, Wang Guanghua, Liu Changkai, Wu Junjiang, Wang Cheng, Liu Xiaobing*. Impact of elevated CO2 on seed quality of soybean at the fresh edible and mature stages. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1413
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2018.01413/full
Li Yansheng, Yu Zhenhua,LiuXiaobing, MathesiusUlrike, Wang Guanghua, Wu Junjiang, Liu Judong, Zhang Shaoqing, JinJian*. Elevated CO2 increases nitrogen fixation at the reproductive phase contributing to various yield responses of soybean cultivars. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 1546
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2017.01546/full
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