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摘 要 为研究大气CO2浓度升高对作物子代种子发芽的影响，进行了CO2浓度对比处理及发芽试验。结果表明，与对照相比，CO2浓度升高主要影响作物子代种子前期萌发率，小麦、水稻的萌发率降低，大豆和玉米的萌发率增加。因此，在未来CO2浓度升高的大环境下，在农业生产实践中种植小麦和水稻作物要增加播种量。
关键词 作物种子;发芽;CO2浓度
中图分类号：S33 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.11.002
水稻、小麦、玉米和大豆是我国的四大粮食作物，对于维系国家的稳定和发展有着十分重要的意义，分析CO2浓度升高对4种作物的影响，对指导和规划在全球气候变化大背景下作物的生产和确保粮食安全具有重要的理论意义[1]。
CO2是绿色植物光合作用的重要原料，大气CO2浓度是C3植物光合作用的限制因素之一，对植物生理生化过程有制约作用[2]。大气中CO2浓度的不断升高，不仅通过温室效应引起气候变化对植物产生间接影响，而且还直接影响植物光合、生长发育和产量[3]。王云霞等研究表明，高浓度CO2会对干旱条件下C4作物生长和产量有影响[4]。作物的生长环境对收获种子质量产生影响进而影响子代发芽情况。目前，国内外对于CO2浓度升高环境下作物培育后的子代种子发芽情况研究较少，结合前人的研究结果，通过测定长期生活在高CO2浓度环境下的作物子代种子发芽情况，深入分析与探讨其影响并为作物对高CO2浓度生长环境的响应提供理论依据和制定相关措施提供数据。
1 材料与方法
1.1 试验材料及仪器
水稻、小麦、玉米和大豆对比处理后收获种子，烧杯，玻璃棒，培养皿，滤纸等。
1.2 CO2浓度对比处理情况
CO2浓度对比处理试验在黑龙江省海伦市的中国科学院海伦农业生态实验站进行[5]。选取CO2增加定位试验中对照CO2浓度380 μmol·mol-1和CO2倍增处理浓度700 μmol·mol-1两个处理，裂区种植水稻、小麦、玉米和大豆4种作物，成熟后收获种子备用。
1.3 發芽试验设计
对处理后（对照CO2浓度380 μmol·mol-1、CO2升高处理浓度700 μmol·mol-1）收获的4种作物种子进行发芽试验[6]。每种作物试验组、对照组各6个重复，每个重复100粒种子。分别放在100 mL烧杯中用蒸馏水清洗3次，接着将100 mL约50 ℃的蒸馏水用玻璃棒搅拌至室温后定量加入，静置24 h，将种子从浸出液中取出并用滤纸将其吸干。然后把种子转移至培养皿中，培养皿上放3层滤纸，将种子平铺在滤纸上并加入适量蒸馏水，然后覆盖3层滤纸，保持滤纸湿润，防止水分散失过快，放在培养箱28 ℃条件下培养，每天8：00和20：00定时用蒸馏水清洗3次，培养7 d。
每天记录出芽种子数，并观察种子的出芽情况。
1.4 计算公式
发芽势=（3 d发芽种子总数/供试种子总数）×100%。
发芽率=（7 d发芽种子总数/供试种子总数）×100%。
发芽指数GI=∑（Gt/Dt），式中Gt为在不同时间内的发芽数，Dt为对应的发芽日数。
2 结果与分析
CO2浓度对4种作物种子发芽的影响见表1所示。由表1可以看出，1）CO2浓度升高导致大豆、玉米子代种子发芽势升高，小麦、水稻子代种子发芽势下降;2）CO2浓度升高导致大豆、玉米子代种子发芽率升高，小麦、水稻子代种子发芽率下降;3）CO2浓度升高导致大豆子代种子发芽指数升高，小麦、水稻和玉米子代种子发芽指数下降。
3 讨论
发芽势、发芽率和发芽指数是反映种子生长潜势的重要指标，种子活力的下降必然伴随着发芽势和发芽率的下降[7]。与对照相比，本研究中在CO2浓度升高环境下生长收获的种子中，小麦的发芽势、发芽率、发芽指数呈下降趋势，水稻的发芽势、发芽率、发芽指数有不同程度的降低，玉米的发芽指数降低。高厚玉等关于自由空气中CO2浓度和温度增高对水稻种子活力的影响研究结果表明，高CO2浓度使水稻武运粳23子代种子的发芽势和发芽指数均呈下降趋势[8]。Saha等对于鹰嘴豆在CO2浓度升高处理下（580 μmol·mol-1）生长的子代种子发芽率降低了45%～47%，大气CO2浓度上升减少了幼苗的田间出苗[9]。结合前人研究结果，在未来的气候环境下，高浓度的CO2会使小麦和水稻的种子活力下降，进而影响作物产量和品质。本研究中在CO2浓度升高的环境下，作物子代种子的发芽势表明大豆和玉米有2.00%、0.50%的升幅，大豆和玉米子代种子的发芽率有一定的增加，在发芽指数中显示，大豆有少许上升。从所得数据来看，大气CO2浓度升高对大豆和玉米的子代种子萌发率并无明显消极影响。
4 结论
大气CO2浓度升高主要影响作物子代种子前期萌发率，小麦、水稻的萌发率降低，大豆和玉米的萌发率增加。且大气CO2浓度升高增加大豆和玉米作物子代种子发芽，降低小麦和水稻作物子代种子发芽，因此在未来CO2浓度升高的大环境条件下，在农业生产实践中种植小麦和水稻作物要增加播种量，用于指导农业生产。
参考文献：
[1] 陈立春，郭磊，宋波，等.气候变化对小麦生产的影响与对策[J].安徽农业科学，2009，37（32）：15779-15782.
[2] Kimball BA，朱建国，程磊，等.开放系统中农作物对空气CO2浓度增加的响应[J].应用生态学报，2002，13（10）：1323-1338.
[3] 蒋跃林，张庆国，张仕定，等.大气CO2浓度升高对小麦旗叶衰老和产量的影响[J].种子，2006（05）：1-3.
[4] 王云霞，杨连新，Remy Manderscheid，等.C4作物FACE（free-Air CO2 Enrichment）研究进展[J].生态学报，2011（05）：1450-1459.
[5] 乔云发，韩晓增，赵兰坡.长期定位施肥对黑土碳氮储量的影响[J].农业系统科学与综合研究，2011，27（04）：480-484.
[6] 张桂堂，王东彬，刘瑞芳，等.种子发芽试验规范化操作技术[J].种子，2009（06）：117-118.
[7] 章华仙.水稻种子活力，生活力检测方法及计算机视觉的应用研究[D].杭州：浙江大学，2007.
[8] 高厚玉，景立权，陈龙，等.自由空气中CO2浓度和温度增高对水稻种子活力的影响[J].中国水稻科学，2016，30（04）：371-379.
[9] Saha S，Chakraborty D，Sehgal V K，et al. Rising atmospheric CO2：Potential impacts on chickpea seed quality[J].Agriculture Ecosystems Environment，2015，203：140-146.
（责任编辑：刘 昀）
关键词 作物种子;发芽;CO2浓度
中图分类号：S33 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.11.002
水稻、小麦、玉米和大豆是我国的四大粮食作物，对于维系国家的稳定和发展有着十分重要的意义，分析CO2浓度升高对4种作物的影响，对指导和规划在全球气候变化大背景下作物的生产和确保粮食安全具有重要的理论意义[1]。
CO2是绿色植物光合作用的重要原料，大气CO2浓度是C3植物光合作用的限制因素之一，对植物生理生化过程有制约作用[2]。大气中CO2浓度的不断升高，不仅通过温室效应引起气候变化对植物产生间接影响，而且还直接影响植物光合、生长发育和产量[3]。王云霞等研究表明，高浓度CO2会对干旱条件下C4作物生长和产量有影响[4]。作物的生长环境对收获种子质量产生影响进而影响子代发芽情况。目前，国内外对于CO2浓度升高环境下作物培育后的子代种子发芽情况研究较少，结合前人的研究结果，通过测定长期生活在高CO2浓度环境下的作物子代种子发芽情况，深入分析与探讨其影响并为作物对高CO2浓度生长环境的响应提供理论依据和制定相关措施提供数据。
1 材料与方法
1.1 试验材料及仪器
水稻、小麦、玉米和大豆对比处理后收获种子，烧杯，玻璃棒，培养皿，滤纸等。
1.2 CO2浓度对比处理情况
CO2浓度对比处理试验在黑龙江省海伦市的中国科学院海伦农业生态实验站进行[5]。选取CO2增加定位试验中对照CO2浓度380 μmol·mol-1和CO2倍增处理浓度700 μmol·mol-1两个处理，裂区种植水稻、小麦、玉米和大豆4种作物，成熟后收获种子备用。
1.3 發芽试验设计
对处理后（对照CO2浓度380 μmol·mol-1、CO2升高处理浓度700 μmol·mol-1）收获的4种作物种子进行发芽试验[6]。每种作物试验组、对照组各6个重复，每个重复100粒种子。分别放在100 mL烧杯中用蒸馏水清洗3次，接着将100 mL约50 ℃的蒸馏水用玻璃棒搅拌至室温后定量加入，静置24 h，将种子从浸出液中取出并用滤纸将其吸干。然后把种子转移至培养皿中，培养皿上放3层滤纸，将种子平铺在滤纸上并加入适量蒸馏水，然后覆盖3层滤纸，保持滤纸湿润，防止水分散失过快，放在培养箱28 ℃条件下培养，每天8：00和20：00定时用蒸馏水清洗3次，培养7 d。
每天记录出芽种子数，并观察种子的出芽情况。
1.4 计算公式
发芽势=（3 d发芽种子总数/供试种子总数）×100%。
发芽率=（7 d发芽种子总数/供试种子总数）×100%。
发芽指数GI=∑（Gt/Dt），式中Gt为在不同时间内的发芽数，Dt为对应的发芽日数。
2 结果与分析
CO2浓度对4种作物种子发芽的影响见表1所示。由表1可以看出，1）CO2浓度升高导致大豆、玉米子代种子发芽势升高，小麦、水稻子代种子发芽势下降;2）CO2浓度升高导致大豆、玉米子代种子发芽率升高，小麦、水稻子代种子发芽率下降;3）CO2浓度升高导致大豆子代种子发芽指数升高，小麦、水稻和玉米子代种子发芽指数下降。
3 讨论
发芽势、发芽率和发芽指数是反映种子生长潜势的重要指标，种子活力的下降必然伴随着发芽势和发芽率的下降[7]。与对照相比，本研究中在CO2浓度升高环境下生长收获的种子中，小麦的发芽势、发芽率、发芽指数呈下降趋势，水稻的发芽势、发芽率、发芽指数有不同程度的降低，玉米的发芽指数降低。高厚玉等关于自由空气中CO2浓度和温度增高对水稻种子活力的影响研究结果表明，高CO2浓度使水稻武运粳23子代种子的发芽势和发芽指数均呈下降趋势[8]。Saha等对于鹰嘴豆在CO2浓度升高处理下（580 μmol·mol-1）生长的子代种子发芽率降低了45%～47%，大气CO2浓度上升减少了幼苗的田间出苗[9]。结合前人研究结果，在未来的气候环境下，高浓度的CO2会使小麦和水稻的种子活力下降，进而影响作物产量和品质。本研究中在CO2浓度升高的环境下，作物子代种子的发芽势表明大豆和玉米有2.00%、0.50%的升幅，大豆和玉米子代种子的发芽率有一定的增加，在发芽指数中显示，大豆有少许上升。从所得数据来看，大气CO2浓度升高对大豆和玉米的子代种子萌发率并无明显消极影响。
4 结论
大气CO2浓度升高主要影响作物子代种子前期萌发率，小麦、水稻的萌发率降低，大豆和玉米的萌发率增加。且大气CO2浓度升高增加大豆和玉米作物子代种子发芽，降低小麦和水稻作物子代种子发芽，因此在未来CO2浓度升高的大环境条件下，在农业生产实践中种植小麦和水稻作物要增加播种量，用于指导农业生产。
参考文献：
[1] 陈立春，郭磊，宋波，等.气候变化对小麦生产的影响与对策[J].安徽农业科学，2009，37（32）：15779-15782.
[2] Kimball BA，朱建国，程磊，等.开放系统中农作物对空气CO2浓度增加的响应[J].应用生态学报，2002，13（10）：1323-1338.
[3] 蒋跃林，张庆国，张仕定，等.大气CO2浓度升高对小麦旗叶衰老和产量的影响[J].种子，2006（05）：1-3.
[4] 王云霞，杨连新，Remy Manderscheid，等.C4作物FACE（free-Air CO2 Enrichment）研究进展[J].生态学报，2011（05）：1450-1459.
[5] 乔云发，韩晓增，赵兰坡.长期定位施肥对黑土碳氮储量的影响[J].农业系统科学与综合研究，2011，27（04）：480-484.
[6] 张桂堂，王东彬，刘瑞芳，等.种子发芽试验规范化操作技术[J].种子，2009（06）：117-118.
[7] 章华仙.水稻种子活力，生活力检测方法及计算机视觉的应用研究[D].杭州：浙江大学，2007.
[8] 高厚玉，景立权，陈龙，等.自由空气中CO2浓度和温度增高对水稻种子活力的影响[J].中国水稻科学，2016，30（04）：371-379.
[9] Saha S，Chakraborty D，Sehgal V K，et al. Rising atmospheric CO2：Potential impacts on chickpea seed quality[J].Agriculture Ecosystems Environment，2015，203：140-146.
（责任编辑：刘 昀）