CO2对不同植物生长发育、产量和品质的影响

首先：二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作息，整理出二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下：

      ·350～450ppm：同一般室外环境

      ·350～1000ppm：空气清新，呼吸顺畅

      ·1000～2000ppm：感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡

      ·2000～5000ppm：感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心

      ·大于5000ppm：可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。

CO2浓度升高对植物的生长发育影响。CO2浓度升高直接影响植物的光合作用和气孔导度、改变碳-氮平衡、细胞周期特性和激素代谢,同时提高作物产量,促进植物中可溶性糖、可滴定有机酸、可溶性固形物、糖酸比、维生素等含量的提高,改善水果蔬菜的风味。

CO2是光合作用的主要底物,高浓度CO2能够提高植物光合作用、促进植物生长,同时刺激光合次生代谢,包括碳和氮代谢、细胞周期功能和激素调节。在当前大气CO2浓度下,光合作用并未达到饱和点,植物的光合作用和生物量有望在高浓度CO2条件下进一步提升。光合效率的提升能够促进植株生长、增加产量。

CO2浓度升高对不同植物生长发育的影响：合适的CO2浓度促进作物的光合作用,可加快作物的生长发育。但是,施加CO2浓度过高则会使叶绿素合成受到阻碍,从而使光合速率下降。随着CO2浓度的升高,作物的株高、周长、叶数等生长指标提高。

高浓度CO2能够增强春小麦圓水稻門、马铃薯、大豆等C3植物的光合作用,促进植株生长。春小麦在CO2浓度为480 ppm 和570ppm的条件下,分别增产8.9%和19.9%。高浓度CO2能够促进水稻幼苗生长,株高、根长、叶面积、产量等。在高浓度CO2下都有显著增长,其中在CO2浓度为550~582ppm 件下,单株产量可增加122%~347%。马铃薯单株结薯数、单个薯重和单株产量显著增加。

玉米在2个高浓度CO2(450mmol/mol 和550mmol/mol)处理条件下,单株籽粒产量分别增加9.64%和11.83%,单株生物产量增幅分别为7.65%。和9.40%。,CO2气体的人工补充被列为日光温室种植作物增产的重要措施。

植物对CO2浓度升高的反应机制

CO2通过改变植物的一系列生理过程,直接和(或)间接地影响植物的生长发育。一方面,CO2可以直接影响光合作用和气孔导度,导致植物生长发生变化;另一方面,CO2增加光合作用中碳的供应,影响植物后期生理生化过程中的碳-氮平衡、细胞周期特性和激素代谢。

促进光合作用

高浓度CO2可以提升CO2固定位点CO2/O2的比例、降低光呼吸速率,从而增加二磷酸核酮糖羧化酶的羧化效率、促进作物生长和提高产量。高浓度CO2可以促进光系统I和光系统Ⅱ的效率,增加三磷酸腺苷(ATP)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的产量。

促进碳-氮平衡

植物光合作用与叶片中碳氮含量高度相关。高浓度CO2促进光合作用,激活蔗糖合成基因,积累大量的糖分,包括葡萄糖、果糖和棉籽糖,对植物器官发育具有重要功能凹。高浓度CO2促进非结构性碳水化合物的积累、抑制叶片中硝态氮的同化,降低氮供应。总之,高浓度CO2导致植物叶片中碳水化合物含量升高、氮含量下降,增加碳氮比,提高植物初期生长速率,但是限制氮的后期供应。

促进气孔关闭,降低气孔导度

高浓度CO2，促进气孔关闭。高浓度CO2能够增加钾离子外排离子通道活性和保卫细胞中钙离子浓度,导致气孔关闭。调节气孔运动的植物激素(如茉莉酸和生长素),同样参与高浓度CO2诱导的气孔关闭。高浓度的CO2可能通过诱导蔗糖在维管束和保卫细胞中的积累,促进气孔关闭。

缩短细胞周期。高浓度CO2能够增加细胞分裂、细胞生长和延伸、缩短细胞周期、促进植物早期生长和发育。高浓度CO2上调细胞扩展蛋白、果胶酶、葡聚糖酶等编码基因的表达,或者下调纤维素代谢关键酶木糖苷酶基因的表达,改变酶含量,使细胞壁变得松弛,进而促进细胞延伸和生长。

CO2浓度升高对植物产量的影响

高浓度CO2使大豆的平均产量增加31%,玉米产量增加25%。玉米和大豆籽粒的铁含量分别相对增加10.5%和73%,玉米籽粒中磷和锰的含量分别比对照增加7.3%和6.5%网。藜麦在600 mmol/molCO2处理后,种子干物质量增加12%~44%。CO2浓度升高,大麦产量增加、种子数量增加约47%,油菜种子数量增加26%。高浓度CO2(800~900ppm)使莴苣、胡萝卜和欧芹的产量分别提高18%、19%和17%。

CO2富集技术对植物生长发育的研究应用于多种水果蔬菜,如葡萄、草莓、番茄、黄瓜、辣椒、芹菜等。CO2的升高对马铃薯具有重要影响,CO2浓度升高能够增加可溶性糖、淀粉和有机酸的含量,从而增加产量。提高CO2和氮的浓度还可以使黄瓜产量、生物量增加33%。CO2浓度升高,可促进植物的生长,但植物高生长与CO2浓度升高并非是始终呈正相关关系,当CO2浓度持续升高,植物加速生长一段时间后,生长速度就会下降,甚至出现停止生长的现象,这是由于CO2浓度过高时会严重损伤细胞,导致植物体受害。高浓度CO2能够提升番茄的光合速率和水分利用效率、降低气孔导度和蒸腾速率,不仅能够提高番茄产量(增幅10.8%~33.9%),还能提升番茄品质。高浓度CO2处理下,黄瓜的株高、茎粗、叶面积、地上部鲜重、干重、黄瓜长度和重量都显著增加。1200ppm Co2对辣椒净光合速率的促进作用最为显著,可使辣椒生物产量和经济产量分别提高15.2%和13.0%4。高浓度CO2可增加白菜、芹菜的、茄子鬥、葡萄、草莓的产量,增产最显著的是葡萄,增幅为44.4%。

CO2浓度升高对植物品质的影响

CO2浓度升高能够促进蔬菜可食部分可溶性糖的积累,CO2富集可使蔬菜可食部分果糖、葡萄糖、总可溶性糖、总酚、总黄酮、抗坏血酸和钙的含量均增加。可滴定酸度、总叶绿素、类胡萝卜素、番茄红素、花青素、磷、钾、硫、铜和锰的含量不受影响。

高浓度CO2,(700~800mmol/mol)可使樱桃番茄贝妮可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物、VC、番茄红素的含量提高。CO2施肥使樱桃番茄千禧和贝妮的鉴评口感分别提高10.5%和94%。增施CO2后番茄对氮、磷、钾累积吸收量相比对照分别增加了42.5%、61.1%和50.6%5。CO2施肥不仅可以增加番茄果实各个成熟时期可溶性固形物、可滴定有机酸、可溶性糖、糖酸比、维生素、番茄红素和类胡萝卜素的含量,还可以改变乙烯的释放量,以及番茄的挥发性芳香物质的释放量,从而提高番茄的风味品质。在CO2浓度为800 ppm 件下,芹菜中可溶性固形物增加24%、VC含量增加61.7%、蛋白质含量增加10.1%、叶绿素含量增加5.9%53。1000 mmol/mol CO,可使油麦菜中ⅤC增加20.9%、可溶性糖增加35.7%、硝酸盐增加20.2%。CO2浓度为1000~1200 mmol/mol ,黄瓜中VC和可溶性糖含量分别增加6.7%和9.8%。高浓度CO2可以提高草莓可溶性固形物含量、增加草莓硬度,促进植株氮素转移,以降低母本植株的生长能力为代价增加了种子的竞争能力;高浓度CO2(950ppm)可使草莓果实中的总可溶性糖含量增加20%。

CO2浓度升高对植物其他性状的影响

高浓度CO2能够促进苹果树根的生长,提高根长、根长密度、根重密度和根系活力,促进根系向深层土壤扩展。在高浓度CO2下,中上层叶片光合速率增加,但上层叶面积大大减少,可能引起冠层结构和功能发生改变。随着CO2浓度的增加,豌豆叶片中可溶性糖的浓度和相对含水量逐渐增高,耐旱性增加。700mmol/mol Co2,处理后,苜蓿种子的发芽率、发芽指数、发芽势、株高、叶面积、生物量均升高。

综上所述,关于CO2对农作物生长发育的影响及生理生化的研究已经获得了大量数据。CO2浓度升高可增加农作物的产量;不仅能够提高蔬菜水果产量,还可以增加ⅤC、可溶性糖的含量,从而提高风味品质。CO2之所以能够影响植物,主要是因为改变了光合作用过程中的碳-氮平衡、气孔导度、细胞周期特性及激素代谢。因此,将CO2技术应用于农作物,实现未来粮食作物的供求平衡,改善粮食的品质,从而满足人类缺失的营养元素需求,将成为一项研究热点。但是,选取合适的CO2浓度在研究中没有得到统一的数值,CO2浓度或高或低都会抑制植物的产量增加。增加CO2浓度在提高农作物产量的同时也会改变营养元素含量,因此,对于不同的农作物寻找合适的CO2浓度,从而研究满足人类生存所需的粮食产量及营养元素含量.