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第 15卷 第 2期
1 9 9 5年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGlCA SINICA
f
V0l_15．N0．Z
Jun．．1 9 9 5
模拟大气中 CO：浓度对大豆影响的试验
王春乙 高素华、／潘亚茹 白月明 温 民 ．_——_——一 V
坤 蛳 ⋯ ” ／ f
摘 要 车文利用OTC 1蛩开顶式气室对大豆进行了士之时期不两CO：浓度处理的接触试验．结果表明
不同CO：}盘度处理对大豆生长发育、生物产量 杆柱产量及叶 片光台作用率等孵响显著·且均为正教应．
关t诵 气 螽 霉! 呈二f - 碳
研究大气中 cO 对农业生产的影响，就必须考虑它的问接影响和直接影响，至于间接影
响国内学者已做 了大量的工作“ 。从 70年代起．尤其是 80年代，在西方一些发达国家．利用
开顶式气室进行了不同cO 浓度对农作物生长发育影响的试验研究。我国还未见用开顶式气
室进行这方面的研究。本文是利用作者 自己研制的 OTC—l型开顶式气室来研究不同CO!浓
度对农作物生长发育及产量的直接影响。
1 OTC—l型开顶式气蜜简介
OTC一1型开顶式气室是由中国气象科学研究院农业气象研究 中心和中国防化研究院协
作、并参照国内外开顶式气室优点的基础 上设计的
1．1 OTC一1型开顶式气室的结构
OTC 1型开顶式气室由过蜷、通风、气室、
CO 浓度控制及气体采样系统 5个部舒组成。
图 l为 OTC—l型开顶式气室示 意图；图 2为
CO 浓度控制与数据 自动采集系统示意图
OTC一1型开顶式气室为八边形框架结构．
高 2．4m，每边长 1．15m(相当于直径为 3m的
圆柱形气室)，上部有 45。的收缩 口．收缩 口高
0．4m，收缩 口顶部八边形每边长 0．82mf相当
于直径为 1．07m 的圆柱形)．整个气 室体积为
16．0m ，室壁为无色透 明玻璃(厚度为 3ram)、
气室南面开一高为 1．8m、宽为 0．7m的门供试
验人员进入。
为了排除灰尘、细菌及其它污染气体对试
验的影响．OTC l型开顶式气室选用太原新华
收稿 日期 ：1993 07 26．修改 稿收到 日期 ：1994 01 4
囝 1 开顶式气室示意图
Fig．1 The sketch map 0f,~pen top chamber
1．砂网过槽 器 2 磷过滤 器 3．轴 通 风机 4 带 L栅
板 5 气室
1 Snndv ne E fiher z．C tilter 3 AxI；Il—flow blower
4 Grid phae 5 Chamber
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2期 王春乙等 模拟大气中 CO 浓度对大豆影响的试验
图 2 CO 椎度控制与数据 自动采羹系缝示意图
Fig 2 The sketch map 0f Co2 COiltroller and moma~ic
da*a coRection svs{em
A．CO：锕 瓶 B 斑 量计 C．过 滤器 和轴流 风 机 D．
气室 1至 5．其中 5为对照 E 气泵和电磁阀控耙开
关 F．QGS-08虹外 COz什 析 仪 G MCS-51型单 片
机 H 搬计算 机
A CO±iron bolt B BoIkomet~r C bet and ax1．
l-flow blower D．ChainbeT E．Air口 P lnd elec—
l romagne~i~⋯ lue onIrol⋯ tch F．OGS一0B infra~d
CO2 analyz*r G．M C 51~onoliThk~ mpuTer H．
M ic purer
化工厂生产的高效碳滤器．具有很高的过滤效
率、吸附容量和通风量，而且阻力小(2000m。／h
的风量下+阻力不大于 3465Pa)的特点，在碳滤
器进风口配有砂网预滤器 。
风机是开顶式气室的重要组成部分．它的
作用是将供试气体连续不断地送入气室 为了
保证气室每分钟 2—3次换气要求．通风量要大
于 32—38m ／rain。OTC l型开顶式气室选用
了空 载风量为 80m ／rain，全压 5067Pa．功率
1．1kw 的轴流风机。
通风管为聚乙烯。为了保证气室内供试气
体浓度均匀．OTC一1型开顶式气室采用的通风
方式为：供试气体和经过过滤的 自然空气混 台
后首先进入气室栅板底部空间，再从栅板上直
径为 l2ram的孔眼通入气室 ．栅板上均 匀舒布
3000多个通气孔。
1．2 CO：浓度控制系统
利用钢瓶 CO 作为气源 c0：流量根据试
验要求由转子流量计控制．CO 由钢瓶释放经
过转子流量计后再经过供气管路借助于风机进
入气室 。
1．3 CO 浓度的自动采集系统
c0 由位于气室中央的取样管 ．通过气泵
吸入．经过电磁阀控制开关 自动切换 后．送入
QGS一08型红外 c0：分析仪 ，再 将结 果送 入
MCS一51型单片机 ，最后通过标准的 232一通讯接 口将单片机的所有信息送入微机。整个控制与
采集流程详见图 2。
2 试验设计
2．1 c0 浓度 、
该项试验 CO2浓度设有 4个处理。分别为 222(400×10 mg／m )、278(500×10 rag／
m )、333(600×l0-6mg／m )、389(700×10 mg／m )，以不通气的气室为对照，4个处理．4个
气室、4个钢瓶、4个流量计 ．电磁阀控制开关设有 8个通道 ，5套过滤器和风机。采样时间为
200 s一次 ，每个气室每小时采样 3次 ．3次平均值作为该小时CO。浓度值．每天供气时间为O9
：00一 l6：00·共7h。取 7h平均值为该日CO：浓度平均值 从 7月 21日开始供气，9月 21日
供气结束 ，共通气 63d
2．2 供试作物
该项试验供试作物为大豆(c 类)。试验分两个播期．第一播期为 6月 lO日．第二播期为 6
月 2O日．采用盆栽方法．定檀后每盆保留 5株大豆．在 7月 2t日(开花初期)把供试大豆移入
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气室，每个气室井故入 30盆大豆．其中第一播期 1 4盆 ，第二播期 1 6盆。从 8月 5日起·每 lod
取样一状，分别测定叶、茎、根的干、鲜生物量的重量 ．大豆成熟后进行考种。大豆整个生育期
水、肥不是限制因子 (有保证)。
2．3 环境监测
为了消除环境因素对作物的影响，在每个气室 内装有 自动采集的有效辐射、气温、相对湿
度观测系统。气温、湿度设有两个高度，分别为 50cm、200cm．有效辐射为 150cm。每 6min采样
一 次 ，数据直接进入微机 。观测时间与 CO 供气时间同步 。
3 结果分析
3．1 cO 对大豆叶片光 合速率的影响
采用美国拉哥公司 LI一6200型光合作用分析系统分别在晴天(9月 1 6日)和阴天(9月 l8
日)的中午(12：30—1 4：00)循环测定各处理和对照 5个气室内大豆叶片的光合速率．晴天叶
片数为 55个 ，阴天为88个。图3为 CO：浓度与光合速率的关系．由围 3可见．CO!浓度与光合
圉 3 CO 2堆度与光合作用章 的关系
Fig．3 T relatio．ship between CO，eoncenlrali~n n(1 photosynthesis r tc
a晴 夭中午 fi⋯ n．h．胡 夭中午 cloudy noon
速率呈线性关系。晴天时，相关系数为 0．9261．标准差为 1．96l8．方程为：
一 一 7．28l6— 0．0344
阴天时，相关系数为 0．9638．标准差为 1．121 7．方程为：
v 一 一 1 2．4937+ 0．0368x
表1 CO 浓度与大豆叶片光台速率的关系(晴天) 式中， 为光合作用 速率
1铀Ie 1 The e i 01． bet een c02 c们ctnt _Ii帅 州^ph0t删 度。
thuig rateof soybean Ieat in fine d_v
(晴天 )
(阴 天 )
为 CO：浓
晴天中午，CO 浓度 由 206×10
mg／m 升高到 389×l0 mg／m ，大豆
叶片的光 合速率 由 5．5~mol／m。s升高
到 l6．8~mol／m!s 由表 1可见．CO!浓
度 由 206×l0 mg／m (相 当大气 本底 )
升高到 222×10 mg／m。时．光 合速率
增高 18％．c0 浓度升 高到 278、333、
389×10 mg／m 时．光 合速率分别增
高 80 、143 、Z05 。阴天变化趋势与
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2期 王春己等：模拟大 气中 CO：浓度对大豆影响的试验
晴天完全一致。
3．2 CO 对大豆生物量 的影响 ．
大豆生物量与 cO 浓度呈直线关系．详
见图4。大豆根、茎及总生物量都是随cO：浓
度的升高而增加 ，通过 统计分析得到如下方
程 ：
= L26．6982+ 0．6103x 茎与cO：
=一9．9023+ 0．1 260x 与 CO：
s= 132．9297+ 0．761 5x 总生物量与CO2
上述 t、 z、 分 别 为大 豆 茎、根、总 生物 量
(g)．r为 COz浓度 ，3个 方程的相关 系数分别
为：0．9596、0．9636、0．9678；标准差分别 为
25．6275、L3．1163、28．3604．样本数均为 l0。
表2为收获时大豆的生物量(第一播期) 由表
2可见，无论茎、根、还是总生物量．随 CO!浓
度的升高其重量都有明显的增加．与对照相
比，增重最为明显的是根，根的增重有利于大
豆吸收土壤中的养分和水分及固氮作用。cO
浓度由 222×10 mg／m 升高到 389×l0
mg／m ，每升高 lmg／m。．茎平均增重 0．72g，
根为 0．13g，总生物量 为 0．89g。由此可见．
CO。浓度升高，有利于大豆生物量的累积，正
效应明显 。
3．3 CO z对大豆籽粒产量的影响
cO：浓度的升高有利于大豆生物量的累
积 大豆籽粒产量也是随 cO 浓度的升高而
增加，如图 5。两者的线性方程为：
。}／
。({前1 1打—对r1打—茹广 —肃 9
／
墨 4 不同椎度 与大 豆生物量 的美 秉
Fig．4 The r~h,tions[p bt-I⋯ n C0 concentration n【f s1)v
b⋯ biomas~
a．大 豆茎 St~t[kweight．b．大 豆根 Root weight．
c．总生物妻 Totaf bicm~
相关系数为 0．9636．标准差为 l 3．11 63．样本数为 l0。
表z CO 浓度与大豆哆生物■
tab J~ 2 CO z concentr~llOn and soybeaa blou s
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l52 生 态 学 报
大豆平均 单株籽粒产量同 CO 浓度的关系见表 3。由表 3可见，CO 浓度 由目前 升高到 222
×10 mg／m 时 ，大豆籽 粒产量 可增加 8 ，升高到 389×10 mg／m (约为 目前的 2倍 )时 ．产
量可提高66 。这个结果是在水肥条件得到满足而叉无杂草和病虫害影响的条件下c0：的直接
影响程度．如果把间接影响加进去情况就一样了(因本文只讨论直接影响，其它影响在此不加以
分析)
图 5 CO：椎度 与大豆 产量 的*系
Fig 5 The l t10nshlp between CD：co⋯ T1。n and
yield
表 3 CO 浓度与大豆产量的关系
"table 3 COt concentration and soybean frlin yield‘g
il)planT~)
cU 曼t ， 、 ． (×i0一Em ，m) (Ⅱ／10 )⋯ ⋯⋯⋯⋯ ’
3．4 COz对大豆产 品质量 的影响
本文利用上述 5个处理的籽粒产量样品，对粗蛋白、粗脂肪、脂肪酸进行了化验．此项工作是
在农业部各物品质监测检验测试中心进行的．所用设备有气相色谱仪、YG 2脂肪提取器和半自
动定氮仪等，化验结果详见表 4 从表 4可知．CO：浓度在 333×10 mg／m 以前．粗蛋白、租脂
肪随 CO。浓度增加呈上升趋势，而 CO。浓度达到 389×10-~mg／m 时．粗蛋白、粗脂肪则呈下降
趋势 CO。浓度升高 ．脂肪酸变化不明显
表 4 CO 对大豆品质的影响
Table 4 The influence 4r COt oB Buality of soybeeBn
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2期 王春乙等 模拟大气中 CO：浓度对大豆影响的试验
圈 6 不同处理气室 中 CO 2浓度 的时 l可变化
Fig．6 The time￡h~nge ol CO：in d；Ifetent chamber
1． 0O× l《|_ mg，m Z．600× 10 3 500×10一
4．400×l0 5 本I芭 IMekground B 对照 CK
4 结语
4．1 OTC—l型开顶式气室的性能稳定
本试验共有 4个 cO 浓度，通气时间为
63d+在 63d过程中各气室 c0 是否能保持设计
浓度+是试验成功与否的关键。图 6给出了不同
处理气室中cO：浓度的时问变化．由图 6可见．
不同处理气室中 CO 浓度变化是 比较稳定的．
达到了设计要求+各处理的变异 系数均小于
2．5 ．详见表5。由表 5可见+4个浓度变异系数
均小于本底和对照，说明了 OTC—l型开顶式气
室性能是稳定的．用该装置进行长时问或短时间
cO 浓度控制试验可以得到较为满意的结果。
4．2 试验结果表明．cO：浓度变化对大豆光合
作用率、干物质积累和籽粒产量均有明显的正效应。CO。浓度在 333×10 mg．／m 前．粗蛋
白、粗脂肪随 CO 浓度增加呈上升趋势 ．而CO：浓度达到 389×10 mg／m。的．则呈下降趋势。
表 5 不同CO：浓度处理的变异系数
"rabte 5 The varittio! ~~ tfleitnls‘ )口r difteren!cO±Concentration m蛐 l㈣ e
4．3 该试验对开项式气室的通风部分做了较大的改进．使得气室内CO 浓度分布均 匀 ，
控制稳定，气室内外环境要素的差异低于国外同类气室．进而使得这项试验所获得的结果更接近
于自然状况，更具有实际意义。
参 考 文 献
1 Ga0 Sahuz df The pos~ible imp．¨1t 0f the greenhouse elfec：on main food cr0p yield in Chin Ith the t~ospheric
CO!i ase．A⋯ d Report Chine Me：eorolog~cal Press 1鲫 j一 1992 171— 1 76
2 Wang Futong I 口 A mcddIling analysis of Ef cts oI l㈣ 【 th~nge on rice yield in 1he midd ．nd IoweT hes of
ChangJ g Riwr and winter production in 1he Huang—Huai-Hal plain．A．nua~R~port．BeO~ng．China Meteorological
P⋯ l991一 l992．15B— l64
3 W ang Futong， 口 ．The T^udies 0nthe weather-f0。‘}produ lionin China ChimlMe~eorologieaI Pre~s．1989 Z7Z
‘ 矢岛正晴．美于二氧化硪对作物生长、产量的影响的酐究．气象科拄，1992．(6)：B4—89
5 王鲁乙等．OTC-1型开疆式气室的结伪和致据栗蔓杀坑 气象 J’(4)；15-19
6 王軎乙等．OTC-1型开顶式气室铸理性能的测试与评价．气象 J(5)：23—26
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l54 生 态 学 报 l5卷
EXPERIM ENT W ITH INFLUENCE 0F C02 C0NCENTRAT10N
IN SIM ULATED ATM 0SPHERE 0N S0YBEAN
W ang Chunyi Gao Suhua Pan Yaru Bai Yueming W en M in
(Ch／m~ 如口 Mcteological S⋯ c ，Beljlng 10008i)
The touch experiment of long time measurement with different CO2 concentrations on
soybean was by using open top chamber OTC l_The result shows that the influences of dif—
ferent CO2 concentrations on soybean growth and development，mass and grain yield and pho
tosysthesis rate are remarkably positive effects
Key words：open top chamber．CO2 concentration．soybean
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