全 文 ：　 核 农 学 报　 ２０１３，２７（１１）：１７８３ ～ １７８９
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
收稿日期：２０１３⁃０１⁃１５　 接受日期： ２０１３⁃０５⁃１３
基金项目：国家自然科学基金（３１１７１４５２），国家“９７３”计划项目（２０１２ＣＢ９５５９０４），２０１２ 基本科研业务费项目（ＢＳＲＦ２０１１０５）
作者简介：姜帅，男，主要从事气候变化与适应研究。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｓｈｕａｉ＿２００６＠ １２６． ｃｏｍ
通讯作者：居辉，女，研究员，主要从事气候变化对农业的影响与适应研究。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｕｈｕｉ＠ ｉｅｄａ． ｏｒｇ． ｃｎ
文章编号：１０００⁃８５５１（２０１３）１１⁃１７８３⁃０７
ＣＯ２ 肥效及水肥条件对作物影响研究进展
姜　 帅１ 　 居 辉１，２ 　 韩 雪１，２ 　 刘 勤１
（ １ 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京　 １０００８１；２ 农业部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京　 １０００８１）
摘　 要：ＣＯ２ 是作物光合作用重要底物，其浓度升高对作物产量形成具有正向促进作用。 本文全面介绍
ＣＯ２ 浓度控制及模拟研究方法，具体阐述 ＣＯ２ 浓度升高对作物产量和品质的影响，揭示了氮肥和水分
条件与 ＣＯ２ 肥效的互作关系。 本文分析认为，在适宜条件下，ＣＯ２ 浓度升高会提高作物产量，但对作物
品质影响以负面为主，仅少数特征指标有正向提高。 在大田生产实践中，ＣＯ２ 肥效作用与以往控制气室
试验相比，产量提升作用减低。 水、肥、土以及作物品种等是限制 ＣＯ２ 肥效发挥的重要作用因子。 在一
定施用范围内，ＣＯ２ 肥效随 Ｎ肥量增加而提高，但超过限度后，Ｎ肥对 ＣＯ２ 的增效作用降低，Ｎ肥和 ＣＯ２
肥效作用存在最佳互馈机制。 ＣＯ２ 肥效作用在低水分土壤环境中发挥程度更高，且 ＣＯ２ 浓度升高可提
高作物水分利用效率，对于缓解作物干旱胁迫具有积极作用。
关键词：ＣＯ２ 肥效；作物；水肥；产量；品质
　 　 当前全球各界对温度升高、冰川融化、降水多变等
已发生的气候变化形成共识，认为近 ５０ 年来的气候变
化主要是由于人类活动造成的，包括工业化革命以来
大量化石燃料的使用以及土地利用方式改变等［１］。
ＣＯ２ 是最主要的温室气体，其对全球变暖的贡献率达
到 ６０％ ， 目前 ＣＯ２ 浓度已由工业化革命前的
２８０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １ 增 加 到 了 ２０１２ 年 的
３９４μｍｏｌ·ｍｏｌ － １ ［２］。根据不同的温室气体排放情景，预
估到 ２０５０ 年， 大气中 ＣＯ２ 浓度将达到 ４５０ ～
５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １，２１００ 年大气中 ＣＯ２ 浓度将达到 ６６８
～ ７３４μｍｏｌ·ｍｏｌ － １之间［３］。 政府间气候变化专门委员
会（ＩＰＣＣ）第 ４ 次评估报告明确指出，ＣＯ２ 浓度、温升
以及降水变化会对作物生产系统产生影响，从而影响
世界的粮食安全［２］。 由于 ＣＯ２ 是作物重要的光合作
用底物，通常认为 ＣＯ２ 浓度升高对作物生长发育、养
分吸收以及生理生化过程等产生正向促进作用［４］。
在适宜条件下，大气中 ＣＯ２ 含量增加会提高作物光合
速率，增加干物质合成量，提高作物生产力。 ＣＯ２ 浓度
升高使作物气孔开张度减小或关闭，气孔导度下降，作
物蒸腾作用降低，水分利用效率提高［５］，短期内光合
作用提高，但持续性的高 ＣＯ２ 浓度对光合的促进作用
由于光合适应而有所减弱［６］。
由于 ＣＯ２ 浓度升高可以在一定程度上提高作物
产量［７］，相当于对作物增施了肥料，因此也常被称为
“ＣＯ２ 肥效作用” ［８］。 ＣＯ２ 肥效作用还体现在提高作
物水分利用率、降低呼吸消耗、延缓叶片衰老以及提高
氮肥利用率等［９］。 很多研究表明，ＣＯ２ 肥效作用和环
境因子密切相关，水、温度、养分等与 ＣＯ２ 交互作用共
同影响作物的生长过程和生理反应［１０］。 单独考虑
ＣＯ２ 对作物产量的影响，并不能准确反映 ＣＯ２ 肥效作
用，尤其在气候变化条件下，ＣＯ２ 浓度升高同步会伴随
温升和降水变化。 因此，本文拟从 ＣＯ２ 对作物影响研
究方法以及 ＣＯ２ 和水肥条件互作关系，综合评估高
ＣＯ２ 浓度条件下作物产量和品质的变化，不同的氮肥
施用量对 ＣＯ２ 肥效发挥的影响，水分充足和亏缺的条
件下 ＣＯ２ 肥效发挥的程度。
１　 ＣＯ２ 肥效研究方法
ＣＯ２ 是作物光合作用的重要原料，近几十年来国
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核　 农　 学　 报 ２７ 卷
内外学者通过利用各种 ＣＯ２ 浓度控制装置来定性或
定量分析 ＣＯ２ 浓度升高对作物的影响机理。 主要的
试验装置包括封闭式气室（Ｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｍｂｅｒ）、开顶式气
室（Ｏｐｅｎ⁃ｔｏｐ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｍｂｅｒ， ＯＴＣ）和开放式 ＦＡＣＥ装置
（Ｆｒｅｅ ａｉｒ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ）等类型，目前相关
的研究定论大部分来自于控制环境的气室研究结
果［１１ － １２］。 ２０ 世纪 ６０ 年代以来，随着人们对作物生理
机制认识的深化和计算机技术的发展，作物生长模型
也成为分析 ＣＯ２ 和作物响应关系的有效工具和常用
方法。
１􀆰 １　 封闭式气室
封闭式气室方法较为传统，一般采用木材或金属
搭建骨架、用玻璃和塑料薄膜等材料罩在骨架外面，箱
内多放置盆栽作物，利用 ＣＯ２ 气源和流量计控制和补
充适量的 ＣＯ２ 气体，形成温度、湿度、光照和 ＣＯ２ 浓度
控制装置［１２］。 该装置的优点是为研究者提供长期稳
定的环境，可以对温度、湿度、光照等因素进行调控，便
于研究不同环境要素共同作用对作物生长发育的影
响，重复性好，ＣＯ２ 用量少，成本低。 缺点是通常条件
下光照减少，昼夜温差降低，光温不能同步，风速相对
静止，与农田生态环境存在明显的差异，因此多用于个
体植株或植株幼苗的模拟试验，对群体及农田情况研
究基本不适用［１３ － １４］，近年来这种方法的应用逐渐减
少。
１􀆰 ２　 开顶式气室
开顶式气室于 １８９６ 年由 Ｓｃｈｒｏｄｃ 和 Ｓｃｈｍｌｔｚ⁃
Ｄｕｍｏｎｔ首先发明，它的基本结构同封闭式气室相似，
一般为八边形或直筒圆柱形金属框架，室壁材料为透
明玻璃或者聚氟乙烯，通过大功率鼓风机将高浓度
ＣＯ２ 经过气室四周或者下部孔眼送入气室，自下而上
流经作物后，从敞开的平口或锥形口顶部排放到大气
中［１２，１５］。 该装置的优点是可自动控制 ＣＯ２ 浓度使气
室内 ＣＯ２ 浓度分布均匀，在通风和不通风的情况下气
室内温度和湿度分布基本一致，气室内外温度和相对
湿度差异不大，作物生长环境基本接近自然状态［１６］。
但开顶式气室的面积小，试验空间受限，二氧化碳用量
比封闭式气室消耗大，而且这种装置光照通常也比外
界减少约 ２０％ ，风速比外界小且为恒定［１６］，气室内温
度比室外有所提高，水蒸气压差也比外界高，并且不能
够获得室外的降水［１０］。 因此此种装置一般不便与其
他环境因素共同调控，与自然农田环境也存在一定差
异。
１􀆰 ３　 开放式 ＦＡＣＥ装置
为克服密闭式气室和开放式气室的局限性，许多
学者尝试发展在无封闭的田间条件下控制 ＣＯ２ 浓度，
以来取代狭小空间的限制因素。 以色列学者 Ｈｅｒｂｅｒｔ
Ｚ． Ｅｎｏｃｈ 于 １９８６ 年在美国建成首个 ＦＡＣＥ 装置，１９８７
年用于棉花研究［１８］。 目前全球大约有 ２０ 个国家 ３０
余家研究机构开展了基于 ＦＡＣＥ 装置的试验研究，基
本分布在美国、欧洲、澳大利亚、日本等国家和地
区［１９］。 我国第一个 ＦＡＣＥ系统于 ２００１ 年中国科学院
在江苏省无锡市安镇建立。 目前全球基于 ＦＡＣＥ 平台
开展的试验作物包括小麦、多年生黑麦草、水稻、棉花、
葡萄、大豆和高粱等［２０］。 一般 ＦＡＣＥ 系统主要包括二
氧化碳贮存、通风、控制及数据采集和处理几个部
分［１２］。 每个 ＦＡＣＥ 圈由 ８ 根释放 ＣＯ２ 气体管围成的
八角形，直径为 １ ～ ２０ｍ不等，放气管面向圈内一面有
很多呈锯齿状分布的小孔，放气管高度根据作物生长
进行动态调节，一般在作物冠层上方 ５０ ～ ６０ｃｍ 处，以
保证冠层上方有足够的高 ＣＯ２ 浓度和气体扩散空
间［２１］。 利用计算机网络根据自然状态的风向、风速、
作物冠层高度的 ＣＯ２ 浓度等自动调节 ＣＯ２ 气体的释
放速度及方向，实现作物 ＦＡＣＥ 圈内 ＣＯ２ 浓度的准确
控制［２２］。
ＦＡＣＥ技术在自然状态下进行 ＣＯ２ 升高对作物影
响的试验，其它环境条件如温度、湿度、风速、光照等与
对照区域基本一致，模拟精度较高，是当前国际上研究
ＣＯ２ 浓度增加条件下生态系统响应的相对理想方
法［２３］。 但由于 ＦＡＣＥ系统对仪器设备投入较大、仪器
维护及 ＣＯ２ 消耗费用巨大，因此目前还主要集中在欧
美等发达国家，发展中国家相对很少。
１􀆰 ４　 作物模型模拟
作物模型结合水文、大气、土壤等要素模拟 ＣＯ２
浓度升高对作物影响可以定量描述作物生长、发育和
产量动态变化以及与环境要素关系。 自 ｄｅ Ｗｉｔ 于
１９６５ 年提出作物模拟理论以来［２４］，尤其近 ２０ 多年来，
作物模型应用发展迅速。 目前国际上比较有影响力的
模型有美国的 ＤＳＳＡＴ决策支持系统模型、ＧＯＳＳＹＭ 棉
花模型，荷兰的 ＭＡＣＲＯＳ、ＳＵＣＲＯＳ、ＷＯＦＯＳＴ 模型以
及澳大利亚的 ＡＰＳＩＭ 模型等。 以 ＤＳＳＡＴ 为例，其包
括模拟小麦、玉米、水稻、高粱、大麦、谷子等作物的
ＣＥＲＥＳ模型、模拟豆类作物的 ＧＲＯＰＧＲＯ 模型、模拟
非豆类作物的 ＣＲＯＰＧＲＯ 模型、 模拟马铃薯的
ＳＵＢＳＴＯＲ⁃ｐｏｔａｔｏ模型等［２５］。 近几年我国模型发展比
较迅速，且比较注重将作物生长模型、栽培优化模型或
知识模型与专家知识相结合，开发出了一系列的作物
模型，如水稻 （ ＲＣＳＯＤＳ ）、小麦 （ ＷＣＳＯＤＳ ）、玉米
（ＭＣＳＯＤＳ）、棉花（ＣＣＳＯＤＳ）、油菜 （ＯＣＳＯＤＳ）、大豆
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　 １１ 期 ＣＯ２ 肥效及水肥条件对作物影响研究进展
（ＳＣＳＯＤＳ）等栽培优化决策模型［２６］。
虽然目前作物模型能够对土壤—植物—大气进行
综合动态模拟，但由于其模块内部对作物机理关系设
定依然来自于密闭或开顶式气室量化结果，对于作物
田间限制因子和土地管理等模拟效果并不理想，因此
对 ＣＯ２ 肥效影响模拟依然存在一些不确定性，如 ＣＯ２
浓度对杂草、病虫害的影响，ＣＯ２ 浓度升高对大面积作
物生产影响，田间管理技术对 ＣＯ２ 肥效影响等［２７］。 当
然，随着人们对作物生理机制认识的深入，作物模型模
拟能力也会逐步得到提高。
２　 ＣＯ２ 肥效对作物产量和品质的影响
２􀆰 １　 对生物量和产量的影响
虽然 ＣＯ２ 浓度升高后，作物可能会发生光合适应
的现象［２８］，但是也显著提高了作物光合速率，抑制光
呼吸和暗呼吸消耗，提高水分利用率，从而提高作物生
物量和产量［２９］。 但是由于不同类型作物 ＣＯ２ 同化途
径和 ＣＯ２ 浓度饱和点不同，因此作物生物量和产量的
增加幅度不同。 在 ＣＯ２ 浓度为５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １的气
室条件下，作物的生物量和产量大幅度提高，Ｃ３ 作物
（水稻、小麦和大豆）生物量提高 ２７％ ，产量增加
２４％ ，Ｃ４ 作物（玉米）的产量增加 ２７％ ［１０］。 但是由于
气室条件的限制，ＦＡＣＥ 条件下得到的作物生物量和
产量具有更高的可信度。 在 ＣＯ２ 浓度维持在
５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １的 ＦＡＣＥ 条件下，Ｃ３ 作物生物量提高
３０％ ，产量增加 １０％ ～ ２０％ ，Ｃ４ 作物产量增加 ０ ～
１０％ ［３０］。 近期 ＦＡＣＥ试验证明，ＣＯ２ 浓度升高对作物
的增产效果仅能实现以往气室试验一半的增产能力，
认为以往气室研究可能过高估计了 ＣＯ２ 对产量的促
进作用［２７］。 ＣＯ２ 浓度升高也提高了蔬菜类农作物的
产量。 在气室条件下，增施 ＣＯ２ 能极显著地促进绿叶
类蔬菜的产量的提高，结球莴苣与美国西芹的 ＣＯ２ 同
化量增幅分别为 １６􀆰 １３％和 ２４􀆰 ８２％ ［３１］，番茄产量增
加 ２６􀆰 ４８％ ［３２］。
２􀆰 ２　 对植物化学成分以及作物品质的影响
作物品质的形成是品种遗传特性和环境条件综合
作用的结果，在一定遗传基础上，环境作用至关重
要［３３］，ＣＯ２ 浓度的升高改变了某些植物体内化学成分
的含量，对作物品质也会产生一定的影响。 作物品质
主要包括加工品质、外观品质、蒸煮品质和营养品质等
性状。
大多试验表明，无论在气室条件还是在 ＦＡＣＥ 条
件下，ＣＯ２ 浓度升高对作物品质影响亦因作物品种而
异，对主要农作物品质产生不利的影响［３４］。 在 ＣＯ２ 浓
度为 ５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １的条件下，小麦蛋白质含量和氨
基酸总量下降［３５ － ３７］，面粉整体的粉质仪、拉伸参数降
低，烘烤品质下降［３６］。 另有研究认为，随着 ＣＯ２ 浓度
从 ３５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １上升到 ７００μｍｏｌ·ｍｏｌ － １，小麦粗蛋
白、赖氨酸、粗脂肪含量有不同程度地提高，而粗淀粉
含量有所下降，有利于小麦品质的改善，高浓度 ＣＯ２
与升温共同作用下小麦的品质比单纯增加 ＣＯ２ 得到
更大的提高［３８］。 对于稻米来说，高浓度 ＣＯ２ 提高了稻
米加工品质的出糙率，但稻谷的整精米显著降低；稻米
外观品质降低，垩白粒率和垩白度显著提高；稻米胶稠
度和糊化程度显著提高［３２］；稻米营养品质显著降低，
籽粒蛋白质和氨基酸含量显著降低［３９ － ４１］。 单纯 ＣＯ２
浓度增加，玉米赖氨酸、粗蛋白、粗脂肪及蛋白质含量
下降，总体上呈现出负效应的影响，但是高浓度 ＣＯ２
和温度升高的共同影响下，这种负效应明显减弱，赖氨
酸、粗脂肪和蛋白质品质有不同程度地提高［３８］。 开顶
式气室 ＣＯ２ 浓度升高条件下，大豆蛋白质和氨基酸总
量下降，但蛋氨酸、苏氨酸和胱氨酸含量明显增加，大
豆蛋脂总量略有上升； 大豆籽粒脂肪含量和油酸相对
含量显著增加，亚油酸相对含量无明显变化，亚麻酸
饱、脂肪酸棕榈酸和硬脂酸相对含量有所减少［３９］。
ＣＯ２ 浓度升高条件下，蔬菜类农产品的品质有一
定程度改善，番茄、芹菜、生菜、莴苣、油麦菜和青菜中
维生素 Ｃ含量升高，番茄、油麦菜和青菜中可溶性糖
含量也显著增加。 当 ＣＯ２ 浓度升高时，土豆、番茄、芹
菜、生菜、油麦菜和青菜中的硝酸盐含量下降，这对保
证人体健康有积极意义，另外，土豆块茎中糖苷生物碱
含量下降，减轻了其对人体的潜在危害，而土豆中柠檬
酸含量的降低使其加工品质下降［４２］。
总体而言，ＣＯ２ 浓度升高降低了作物蛋白质含量，
品质有所下降，但是一些研究认为 ＣＯ２ 和温升的同步
作用以及提高氮肥的施用量对作物品质有一定正向提
高作用，目前研究结果的差异可能源于试验手段或者
作物品种不同，还需要进一步深入研究。
３　 氮肥、水分与 ＣＯ２ 肥效的交互作用
由于未来气候变化背景下，大气高 ＣＯ２ 浓度必然
伴随着温度、降水的改变，因此作物产量将受到多重因
素的限制，而以前研究多基于水、肥充足条件，因此增
产效果可能偏高。 因此在考虑高 ＣＯ２ 浓度对作物产
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核　 农　 学　 报 ２７ 卷
量的促进作用时，需要客观考虑其它因子的影响。
３􀆰 １　 氮肥对 ＣＯ２ 肥效的作用
高浓度 ＣＯ２ 提高作物光合作用，促使作物叶中非
结构性碳水化合物如淀粉、多糖含量提高，而蛋白质含
量所占的比例呈现不同程度的降低［４３］。 在化学组成
方面，ＣＯ２ 浓度升高使 Ｃ３ 植物体内的 Ｃ∶ Ｎ 比均有不
同程度的升高［４４］，这是由于高浓度 ＣＯ２ 可以显著提高
叶片光合速率，并抑制光呼吸强度，植株碳水化合物含
量增加明显；另一方面，在高浓度 ＣＯ２ 背景下，植株对
Ｎ素需求减少且根系吸收 Ｎ 素能力下降，导致大部分
作物 Ｎ含量降低，一般降幅为 １０％ ～１５％ ［４５］。
氮素直接参与作物体内的各项生理活动，不同水
平氮肥含量会影响 ＣＯ２ 肥效发挥。 研究表明，作物光
合作用对 ＣＯ２ 浓度升高的响应会受到低氮肥的限制，
而在高氮肥的条件下能够提高作物的光合能力［４６］，即
高 ＣＯ２ 浓度条件下，低氮肥处理作物生物量和产量增
加不明显，而高氮处理产量均显著提高［４７］。 例如，在
气室条件下高 ＣＯ２ 浓度使高氮肥处理的小麦生物量
和产量明显增长，地上部碳固定量增加 １０％左右，而
低氮条件下无明显增加［４８］。 在 ＦＡＣＥ 条件下作物最
大表观羧化速率降低 ２２％ ，而在高氮肥条件下却仅降
低 １２％ ［４９］。 分析认为，在氮素缺乏的条件下，ＣＯ２ 对
作物生长的促进作用由于氮素不足而受到制约，加剧
了植株内部源汇不平衡，然而土壤中氮肥的含量并不
是越多越好，在气室条件下水稻的产量在施氮量 ３５０
ｋｇ·ｈａ － １处理虽然比对照低氮量高，但实际产量却显著
低于施氮量为 ２５０ ｋｇ·ｈａ － １的处理［５０］，由此说明在高
浓度 ＣＯ２ 下，随着施氮量水平的提高，施氮量达到最
适值后，氮肥对作物 ＣＯ２ 肥效的促进作用将逐渐下
降，甚至消失。
３􀆰 ２　 水分条件对 ＣＯ２ 肥效的作用
对于作物生产系统而言，水是限制其生长和产量
形成的首要因子之一［５１］。 水分胁迫会引起作物光合
速率下降，气孔阻力增加，蒸腾速率下降，阻碍作物干
物质积累。 ＣＯ２ 浓度升高可以促进作物光合、抑制蒸
腾以及削弱干旱对光合作用的抑制作用，在一定程度
上缓解了水分不足对冬小麦生长的不利影响，有助于
提高作物抗旱性［５２］。 在气室条件下 ＣＯ２ 倍增使春小
麦光合速率增加，湿润和干旱处理分别增加 ２７％和
６４％ ［４７］。 在 ＣＯ２ 浓度为 ５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １的干旱条件
下 ＦＡＣＥ使小麦光合速率提高了 ３０％ （与大气 ＣＯ２ 浓
度干旱条件相比） ［５２］。 高浓度 ＣＯ２ 可能通过多种途
径改善干旱胁迫影响，一种是高浓度 ＣＯ２ 增加了根部
营养吸收，根冠比提高，根的分支数和细根数量增多，
根系统体积以及面积增加，以此提高作物吸水能
力［５１ ，５３］；第 ２ 种是在干旱条件下，高浓度 ＣＯ２ 诱导气
孔部分关闭，叶片气孔阻力增大，叶面蒸腾降低，减少
水分消耗，提高了作物水分利用率，增强了抗旱能力，
如试验证明，在 ＣＯ２ 浓度为 ５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １时，较正
常大气 ＣＯ２ 处理，水分胁迫下作物水分利用效率增加
１５％ ～２４％ ，而水分满足时的利用效率仅增加 １３％ ～
１８％ ［５４］；第 ３ 种是高浓度 ＣＯ２ 可保持作物叶片较高的
水势，干旱条件下作物萎蔫程度减小，试验证明在 ＣＯ２
浓度为 ５５０μｍｏｌ·ｍｏｌ － １的 ＦＡＣＥ 条件下，在干旱胁迫
下的小麦水势增加 １１％ ，延长了其在干旱期的生理活
动， 干物质累积量增加［５２］；第 ４ 种是高浓度 ＣＯ２ 条件
下，受旱的作物能够进行渗透调节并保持较大的膨压，
这种渗透调节可以使作物保持较高的相对含水量和膨
压，防止气孔完全关闭，使光合作用在更低的水势下继
续进行，从而提高作物的耐旱性［５３ ，５５］。 因此，ＣＯ２ 浓
度升高对作物水分利用率以及抗旱能力而言，具有积
极的促进作用。
４　 讨论和展望
本文研究认为，ＣＯ２ 浓度升高可对作物产量产生
正向促进作用，但是在大田生产实践中往往无法达到
和气室试验同样的增产效果，这是由于建立于封闭气
室或开顶式气箱的研究，基本处于环境理想调控状态，
主要考虑了 ＣＯ２ 的单因素作用，而在大田实际情况
下，需要全面分析其他环境要素和 ＣＯ２ 的多重组合影
响。 虽然 ＦＡＣＥ试验装置由于其更接近于大田情况，
近年来逐渐得到采用，但由于其造价和维护费用较高，
且 ＣＯ２ 浓度和温湿同步协调性上还存在一定的困难，
在研究应用上也还具有一定的局限性，因此还需要在
更大尺度上和更近似的模拟环境中做系统研究。 为正
确评价未来 ＣＯ２ 浓度增高对作物的影响，还需要在研
究方式和设施配置上有新的探索和考虑。
本文分析表明，ＣＯ２ 浓度升高对作物品质影响以
负面为主，仅少数特征指标有正向提高，研究结果和具
体的研究方法、品种以及 ＣＯ２ 浓度有关。 但如果结合
温度上升等多重影响，部分研究认为正向更为明显。
ＣＯ２ 肥效研究多关注于产量效应，随着研究技术手段
的丰富以及内容的拓展，品质影响研究也逐渐得到重
视，但研究时间相对较短，因此未来研究 ＣＯ２ 浓度升
高对品质影响仍需要多角度多要素的综合分析，才能
权衡具体的利弊影响。
当前对于 ＣＯ２ 肥效的研究一直以来存有争议，即
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　 １１ 期 ＣＯ２ 肥效及水肥条件对作物影响研究进展
以往的研究结果多基于水肥满足条件的控制环境试
验，和大田实际相距甚远，水肥条件是 ＣＯ２ 肥效作用
的限制因素。 本文分析认为，在一定范围内，ＣＯ２ 肥效
作用随着田间 Ｎ 肥量提高而提高，但超过限度后，Ｎ
肥对 ＣＯ２ 的增效作用降低，因此对于不同土壤条件以
及作物而言，Ｎ肥促进作用的最佳施用量还需要具体
分析。 ＣＯ２ 浓度升高与水分互作的结果表明，ＣＯ２ 浓
度升高后可能通过多种途径改善干旱胁迫影响，ＣＯ２
肥效在干旱地区表现的更加明显。 此外，目前的试验
对于机理性的探讨还不够深入，例如 ＣＯ２ 对作物生理
的影响和水、肥、土环境条件的相互关系、作物对 ＣＯ２
的生理反应在细胞甚至是基因水平上是如何表达、不
同区域、不同品种以及不同生产水平之间的作物反应
差异等都有待进一步的研究和探索。
参考文献：
［ １ ］　 ＩＰＣＣ． Ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ２００７： ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ ｂａｓｉｓ ［ Ｒ ］．
Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ： Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， ２００７
［ ２ ］　 ＣＯ２ Ｎｏｗ． ｏｒｇ． Ａｎｎｕａｌ Ｄａｔａ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ＣＯ２ ［ ＥＢ ／ ＯＬ］． （２０１３ ／
０４ ／ ０５） ． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｃｏ２ｎｏｗ． ｏｒｇ ／
［ ３ ］ 　 Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｉ Ｃ， Ｆａｒｑｕｈａｒ Ｇ Ｄ， Ｆａｓｈａｍ Ｍ Ｊ Ｒ， Ｇｏｕｌｄｅｎ Ｍ Ｌ，
Ｈｅｉｍａｎｎ Ｍ， Ｋｈｅｓｈｉ Ｈ Ｓ， Ｑｕｅｒｅ Ｌｅ Ｃ， Ｓｃｈｏｌｅｓ Ｒ Ｊ， Ｗａｌｌａｃｅ Ｄ Ｗ
Ｒ， Ａｒｃｈｅｒ Ｄ， Ａｓｈｍｏｒｅ Ｍ Ｒ， Ａｕｍｏｎｔ Ｏ， Ｂａｋｅｒ Ｄ， Ｂａｔｔｌｅ Ｍ，
Ｂｅｎｄｅｒ Ｍ， Ｂｏｐｐ Ｌ Ｐ， Ｂｏｕｓｑｕｅｔ Ｐ， Ｃａｌｄｅｉｒａ Ｋ， Ｃｉａｉｓ Ｐ， Ｃｒａｍｅｒ
Ｗ， Ｄｅｎｔｅｎｅｒ Ｆ， Ｅｎｔｉｎｇ Ｉ Ｇ， Ｆｉｅｌｄ Ｃ Ｂ， Ｈｏｌｌａｎｄ Ｅ Ａ， Ｈｏｕｇｈｔｏｎ Ｒ
Ａ， Ｈｏｕｓｅ Ｊ Ｉ， Ｉｓｈｉｄａ Ａ， Ｊａｉｎ Ａ Ｋ， Ｊａｎｓｓｅｎｓ Ｉｖａｎ， Ｊｏｏｓ Ｆ，
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Ｃ， Ｐｉｐｅｒ Ｓ， Ｐｌａｔｔｎｅｒ Ｋ， Ｒａｙｎｅｒ Ｐ Ｊ， Ｓｉｔｃｈ Ｓ， Ｓｌａｔｅｒ Ｒ， Ｔａｇｕｃｈｉ Ｓ，
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Ｌｏｎｇ Ｓ Ｐ， Ｏｓｂｏｒｎｅ Ｃ Ｐ， Ｈｅｎｄｒｉｘ Ｄ Ｌ， Ｗｅｃｈｓｕｎｇ Ｆ， Ｗｅｃｈｓｕｎｇ Ｇ，
Ｌｅａｖｉｔｔ Ｓ Ｗ， ＬａＭｏｒｔｅ Ｒ Ｌ， Ｉｄｓｏ Ｓ Ｂ． Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｅｄ
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８８７１
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
２０１３，２７（１１）：１７８３ ～ １７８９
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＣＯ２ Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ， Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ｎｕｔｒｉｅｎｔ
Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｒｏｐｓ： Ａ ｒｅｖｉｅｗ
ＪＩＡＮＧ Ｓｈｕａｉ１ 　 ＪＵ Ｈｕｉ１，２ 　 Ｈａｎ Ｘｕｅ１，２ 　 Ｌｉｕ Ｑｉｎ１
（ １ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ； ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ　 １０００８１； ２Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｇｒｏ⁃Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ＆ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ； Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ　 １０００８１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＯ２ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｅｒａｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｅｄ ＣＯ２ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄｓ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ
ｅｘｔｅｎｔ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ， ｗａｙｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｅｄ
ＣＯ２ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ， ｗａｔｅｒ ａｎｄ
ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｅｄ ＣＯ２ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄｓ， ｂｕｔ ｉｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｃｒｏｐ ｑｕａｌｉｔｙ
ｉｎ ｔｈｅ ｆａｖｏｕｒａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｏｎｌｙ ｆｅｗ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｃｒｏｐ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｈａｍｂｅｒ， ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ
ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｒｏｐ ｙｉｅｌｄｓ ｆｅｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｗａｔｅｒ， ｎｕｔｒｉｅｎｔ， ｓｏｉｌ ａｎｄ ｃｒｏｐ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ
ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ． ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｗｉｔｈｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｎｇｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｉｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓｅｄ ａ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ， ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
ｄｅｃｒｅａｓｅｄ． Ｔｈｕｓ， ｔｈｅｒｅ ｍｉｇｈｔ ｂｅ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ． Ｉｔ ｗａｓ
ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｅｌｅｖａｔｅｄ ＣＯ２ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗａｔｅｒ
ｕｓｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐａｒｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｌｅｔｅｒｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｃｒｏｐｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＯ２ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ； Ｃｒｏｐｓ； Ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ； Ｙｉｅｌｄ； Ｑｕａｌｉｔｙ
９８７１