为了揭示东北地区作物籽粒品质对大气CO2浓度和温度升高的响应,于2019年在中国科学院海伦农业生态试验站气候变化模拟平台开展大田试验。试验采用OTC裂区设计,主区设置对照a Ta CO2(温度为试验区正常气温,CO2浓度值为400μmol mol-1)、增温e Ta CO2(温度为试验区正常气温值+2℃,CO2浓度值为400μmol mol-1),温度和CO2浓度复合增加e Te CO2(温度为试验区正常气温值+2℃,CO2浓度值为700μmol mol-1);副区为大豆、水稻和玉米三种供试作物。待作物收获后,通过凯氏定氮法测定籽粒样品中的氮含量,乘以换算系数得蛋白质含量,通过糖的系统测定方法测定籽粒样品中的还原糖、可溶性总糖、淀粉以及粗纤维的含量,通过钼锑抗比色法测定籽粒样品中的磷含量,通过火焰光度法测定籽粒样品中的钾含量,通过干灰化法和原子吸收分光光度法测定籽粒样品中的微量元素含量,通过发芽试验及相关指标测定方法测定籽粒样品的种子活力以及幼苗中的酶活性等指标。根据以上指标获得如下结果。1)大气CO2浓度和温度升高对作物籽粒营养品质的影响。增温2℃显著降低三种作物的蛋白质含量,而增温和增CO2浓度使大豆和水稻籽粒的还原糖、三种作物的可溶性总糖和粗纤维含量均降低,但玉米籽粒还原糖升高,水稻和玉米籽粒淀粉含量升高。表明增温可能有利于大豆和水稻籽粒营养品质的提高,但对玉米籽粒的营养品质有不利影响,而增温和增CO2浓度降低了大豆和水稻两种C3作物的籽粒营养品质,但对玉米籽粒的营养品质具有有利影响。2)增温增CO2浓度对作物籽粒中矿质元素含量的影响。根据对作物籽粒矿质元素指标变化的分析可知,东北地区作物籽粒中大量元素P和K含量对升温的响应程度较大,微量元素Fe、Zn、Mn和Ca含量的响应较小,而大气中CO2浓度的升高会减小作物籽粒的元素含量对增温的响应程度。此外,高CO2浓度和高温对大豆籽粒矿质元素具有负效应,玉米籽粒矿质元素具有正效应,而对水稻籽粒矿质元素无显著影响。3)温度增加2℃以及大气CO2浓度由400μmol mol-1升高至700μmol mol-1时,种子活力表现为玉米＞水稻＞大豆。其中,玉米和水稻的种子活力分别提高32.21%和81.69%,而大豆的种子活力在增温时提高,增温增CO2浓度时变化虽不明显,但有降低趋势。尽管体积和重量是影响种子发芽的重要因素,但是不能作为判断种子发芽能力的直接判断依据。要将作物对温度和CO2浓度的适应性反应同种子24 h浸出液电导率、发芽率、发芽势和发芽指数结合起来,综合判断大气温度和CO2浓度变化对种子活力的影响。4)大气CO2浓度和温度升高对作物幼苗生理特性的影响。温度升高2℃,大豆、水稻和玉米幼苗中SOD和POD活性均提高,而大豆幼苗中MDA含量增加18.48%,玉米幼苗中APX活性降低18.11%。增温增CO2浓度时,大豆和水稻幼苗中SOD、POD活性和MDA含量均升高,水稻幼苗中APX活性也有提高,玉米幼苗中SOD活性下降,POD活性升高,其他酶活性指标均无显著变化。此外,种子活力越高,幼苗中的SOD活性越强,而POD活性越弱。大气CO2浓度和温度增加对C3作物大豆和水稻幼苗的生长发育会产生不利影响,但可更好地促进C4作物玉米幼苗的生长发育。综上所述,根据增温2℃对东北地区作物籽粒品质的影响并不能准确阐明我国东北作物籽粒品质对未来气候变化的响应,应结合大气CO2浓度与温度的升高对作物籽粒品质的影响进行综合判断。本研究中,增温增CO2浓度会降低东北大豆籽粒品质,水稻籽粒品质也有变劣趋势,但能够提高C4作物玉米籽粒的品质。对于C3作物籽粒品质的劣变,未来或可通过合理增肥来进行缓解。本研究为东北黑土区粮食作物的品质对未来气候变化的响应提供一定的理论依据,对我国未来的粮食安全与保障意义重大。