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基于FACE技术探究二氧化碳与移栽密度对汕优63颖花形成的互作效应

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球气候变化的大背景下，大气中二氧化碳（CO_2）浓度正持续攀升。自工业革命以来，人类活动，特别是化石燃料的大量燃烧，使得大气CO_2浓度从1750年的约280μmol/mol迅速上升，截至2024年，已突破423μmol/mol，并且预计在21世纪末可能达到800μmol/mol以上。CO_2作为植物进行光合作用的重要原料，其浓度的变化对植物的生长发育、生理代谢以及产量形成等方面都产生了深远的影响。

水稻作为全球近一半人口的主食，为人类提供了约五分之一的膳食能量，在全球粮食安全中占据着举足轻重的地位。其中，汕优63作为一种广泛种植的杂交水稻品种，具有高产、适应性强等特点，在我国乃至世界的水稻生产中都发挥着重要作用。研究表明，CO_2浓度升高通常会增强水稻等C_3植物的光合作用，进而促进其生长和产量提升，这一现象被称为“CO_2施肥效应”。全球自由大气CO_2升高（FACE）实验的荟萃分析显示，CO_2浓度升高可使水稻光合作用增强22%，产量提升14%。然而，水稻的生长发育不仅受到CO_2浓度的影响，还与众多栽培因素密切相关，移栽密度便是其中关键的一环。

种植密度是影响作物通风透光、光合效率、生物量积累和最终产量的重要农艺因子。合理的种植密度能够促进作物苗期的生长，增加通风透光性，有利于提高作物的产量和品质；反之，种植密度过高或过低都可能导致作物生长不良，产量降低。例如，种植密度过大，会使作物个体之间竞争光照、水分和养分等资源，导致单株生长瘦弱，病虫害发生几率增加；而种植密度过小，则无法充分利用土地资源和光能，造成产量损失。在实际生产中，不同地区和种植户往往会根据当地的土壤肥力、气候条件以及品种特性等因素来调整移栽密度，以期望获得最佳的产量和经济效益。

目前，虽然关于CO_2浓度升高对水稻生长发育影响的研究已经取得了一定的成果，但对于CO_2浓度与移栽密度之间的互作效应及其对水稻颖花形成的影响，尚缺乏深入系统的研究。颖花作为水稻产量形成的基础，其分化、发育和数量直接关系到水稻的最终产量。因此，深入探究CO_2浓度和移栽密度互作对汕优63颖花形成的影响，不仅有助于揭示水稻在未来气候变化条件下的生长发育规律，丰富水稻栽培生理理论，还能为制定合理的水稻栽培管理措施提供科学依据，对于保障全球粮食安全具有重要的现实意义。

1.2研究目标与内容

本研究旨在深入探究二氧化碳浓度和移栽密度及其互作效应对汕优63颖花形成的影响，以期为应对气候变化下的水稻高产栽培提供理论依据和技术支撑。具体研究内容如下：

二氧化碳浓度对汕优63颖花分化与退化的影响：分析不同二氧化碳浓度处理下，汕优63颖花分化和退化的动态变化过程，明确二氧化碳浓度升高对颖花分化起始时间、分化速率、分化持续时间以及颖花退化率的影响规律。

移栽密度对汕优63颖花数量与质量的影响：研究不同移栽密度条件下，汕优63单位面积颖花数量、颖花大小、颖花充实度等指标的变化，揭示移栽密度与颖花数量和质量之间的内在联系。

二氧化碳和移栽密度互作对汕优63颖花发育进程的影响：探讨在不同二氧化碳浓度和移栽密度组合下，汕优63颖花从分化到成熟的整个发育进程的变化，包括颖花发育各阶段的持续时间、形态结构变化以及生理生化特性的改变等，明确二者互作效应对颖花发育进程的调控机制。

二氧化碳和移栽密度互作对汕优63颖花相关生理指标的影响：测定不同处理下汕优63颖花的光合特性、碳氮代谢相关酶活性、激素含量等生理指标，分析这些生理指标与颖花形成之间的关系，从生理层面揭示二氧化碳和移栽密度互作影响颖花形成的作用机制。

1.3研究创新点

研究方法创新：本研究采用先进的自由大气CO_2浓度增高（FACE）技术，该技术能够在完全开放的大田条件下，精确模拟未来大气CO_2浓度升高的环境，克服了传统封闭式或半封闭式气室研究存在的局限性，如气体交换不畅、温度和湿度难以控制等问题，使研究结果更能真实反映自然环境下CO_2浓度升高对水稻的影响，为深入研究提供了可靠的数据支持。

研究视角创新：目前关于CO_2浓度升高对水稻影响的研究，多集中在单一因素的作用上，而对CO_2浓度与移栽密度等栽培因素互作效应的研究相对较少。本研究从CO_2浓度和移栽密度两个因素的交互作用角度出发，系统研究其对汕优63颖花形成的影响，填补了该领域在这方面研究的不足，拓展了水稻栽培生理的研究视角，有助于全面揭示水稻在复杂环境条件下的生长发育规律。

二、材料与方法

2.1试验材料

本研究选用汕优63作为实验材料，该品种是由福建省三明市农业科学研究所培育的籼型三系杂交水稻，亲