2024年3月11日发(作者：潭怀寒)
CO2浓度和施氮量对棉花干物质量、有机碳及全氮含量的影
响
刘瑜;尹飞虎;高志建;陈云;吕宁
【摘 要】通过田间小区试验研究CO2浓度(本底CO2浓度:360 μmol/mol,倍增
CO2浓度:720 μmol/mol)对不同施氮水平(不施氮:0 kg/hm2,低氮:150 kg/hm2,
常规施氮:300 kg/hm2,高氮:450 kg/hm2)棉花干物质积累、有机碳及全氮含量的
影响.结果显示:CO2浓度倍增,除常规施氮处理外各施氮处理地下部干物质量均增
加;地上部干物质量随施氮量不同变化趋势不同;总体上降低了地上部分配比例,增加
了根冠比,提高了干物质含量百分比.降低了土壤有机碳积累量,20 ～40 cm土层降
幅高于0 ～ 20 cm.随生育期延长,CO2浓度倍增和施氮水平对土壤有机碳积累产
生负效应;棉花叶片、蕾、茎秆中有机碳含量均表现为正积累,根中有机碳为负积
累;CO2浓度倍增和增加施氮量,总体均不同程度地增加了棉花不同器官中的全氮含
量.
【期刊名称】《河南农业科学》
【年(卷),期】2015(044)011
【总页数】6页(P28-33)
【关键词】CO2浓度倍增;棉花;干物质量;有机碳;全氮
【作 者】刘瑜;尹飞虎;高志建;陈云;吕宁
【作者单位】新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新
疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新疆农垦科学院,新
疆石河子832000;新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子
832000;新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新疆农
垦科学院,新疆石河子832000
【正文语种】中 文
【中图分类】S562
由于人类活动的影响，大气中的CO2浓度不断增加，已由工业革命前的270
μmol/mol增加到现在的360 μmol/mol，预计21世纪末将增加至现有浓度的1
倍[1]。棉花是我国重要的经济作物，其生育过程对环境条件反应十分敏感[2]。大
气中CO2浓度的持续增加，必然会影响棉花生长和对养分的需求[3]。已有很多专
家学者研究得出，大气CO2浓度增加，作物生物量随之增加，从总生物量来看,大
豆增长最大，其次是冬小麦和棉花，玉米生物量增加最小[4-6]。许育彬等[7]、王
小娟等[8]通过研究CO2浓度升高条件下水稻、棉花、玉米、小麦、油菜等多种作
物器官中氮素含量变化，发现氮素浓度降低。郭金强等[9]通过研究不同施氮量对
棉花氮素吸收的影响后得出，施氮可显著提高棉株对氮素的吸收，且植株氮素累积
量随施氮量的增加而增加。
新疆兵团是中国最重要的的优质商品棉生产基地和优质棉花产区之一。当前关于新
疆兵团CO2浓度倍增及不同供氮水平两因素互作对棉花生长发育的影响鲜有报道，
花铃期作为棉花产量、品质形成的关键时期，也是对外界环境反应最敏感的时期，
本试验通过设置倍增CO2浓度和4个施氮水平，研究盛花期短期CO2浓度倍增
和施肥量对棉花C、N积累及干物质量的影响，以期为大气CO2浓度不断增加的
情况下合理施肥及田间管理提供一定的理论依据。
试验于2012年在新疆农垦科学院农试场进行，该区属典型的温带大陆性气候。供
试土壤为灌耕灰漠土，土壤类型为中壤土。土壤基础养分含量：有机质6.94 g/kg、
碱解氮41 mg/kg、速效磷21 mg/kg、速效钾99 mg/kg，pH值8.48。
供试作物为棉花，品种为新陆早33号。试验采用机械铺膜播种，1膜4行双毛管
配置，棉花宽窄行播种，种植行距为(20+50+20)cm，株距为12 cm。滴灌毛管
铺设在棉花窄行的中间，棉花密度为1.95×105株/hm2。
试验采用裂区设计方法，为两因素完全随机设计；主区设2个大气CO2浓度，新
疆本底CO2浓度：360 μmol/mol(C360)和倍增CO2浓度：720
μmol/mol(C720)；副区设4个施氮水平：不施氮0 kg/hm2(N0)、低氮150
kg/hm2(N150)、常规施氮300 kg/hm2(N300)、高氮450 kg/hm2(N450)；氮
肥为尿素(N含量46%)。试验共8个处理，分别为：处理1(C360-N0)、2(C360-
N150)、3(C360-N300)、4(C360-N450)、5(C720-N0)、6(C720-N150)、
7(C720-N300)、8(C720-N450)，每个处理重复3次，共计24个小区。主区之
间设保护行，主区面积168 m2；副区之间相邻，副区面积为42 m2。主区四周
分别用透光塑料膜包围，膜高度为1.5 m。为准确控制主区内大气CO2浓度，单
独铺设通气管，通气管铺于地膜之上，在棉花盛花期，连续通气20 d，每天12：
00—15：00运用通气管将钢瓶中的CO2气体均匀分布于整个主区内。CO2气体
浓度误差控制在目标值的5%以内。各处理单独设置施肥装置，滴灌设置和管理同
大田。
播种前采用多点混合法在试验地采集0～20、20～40 cm土壤测定土壤本底养分
含量。通气前及结束后采集各副区土壤样品，分别采集表层(0～20 cm)和下层
(20～40 cm)土壤，在不破坏土壤团粒结构的情况下使其自然风干，拣出肉眼可见
的杂物、细根，过孔径为0.149 mm的筛，用于测定土壤有机碳含量[10]。
通气前及结束后，采集各处理小区具有普遍代表性的植株5株，按器官将每株分
叶、蕾、茎、根4部分，分别称质量后放入105 ℃烘箱杀青30 min，然后80 ℃
至恒定质量，取出称质量，将各部分器官粉碎后分别测定有机碳、全氮含量[10]。
干物质含量百分比为干物质占植物总鲜质量的百分比。
试验数据分析时采用多次重复的平均值，数据处理和方差分析用Excel 2003及
SPSS 18.0软件进行，处理间的差异显著性采用Duncan’s新复极差法进行单因
素和双因素多重比较。
由表1可看出，CO2浓度倍增和施氮处理对棉花各器官干质量都会产生影响。正
常CO2浓度下，叶片、蕾干质量均随着施氮量增加表现出增加趋势，茎、根干质
量在常量施氮范围内随施氮量增加而增加，超量施氮反而降低了干质量；随施氮量
增加，地上部分配比例先降后升，根冠比则表现出先升后降趋势；干物质含量百分
比表现为增加。倍增CO2浓度下，随施氮量增加，叶片、蕾、根干质量均表现为
“升—降—升”的变化趋势，茎干质量则显示出先降后逐渐升高的趋势。地上部
分配比例表现为下降趋势，根冠比表现为上升趋势；干物质含量百分比在常量施氮
范围内随施氮量增加而降低。同氮水平下，倍增CO2浓度总体上降低了地上部分
配比例，增加了根冠比，提高了干物质含量百分比。CO2浓度倍增处理棉株根冠
比增大，可能是由于CO2浓度倍增条件下有更多的光合产物运输到地下而有利于
根系生长，该结果与周莉等[11]研究结果一致。
由图1可以看出，棉花盛花期通气后各处理土壤有机碳含量随着大气CO2浓度和
施氮量变化均发生了变化，整体显示倍增CO2浓度处理土壤有机碳含量低于正常
大气CO2浓度处理，0～20 cm土层高于20～40 cm土层。通过对通气后土壤中
有机碳积累量的研究(图2)发现，0～20 cm土壤有机碳含量在正常CO2浓度下，
不施氮和低氮处理降幅分别为5.25%和20.36%，常规施氮和高氮处理增加了其值；
倍增CO2浓度下，高氮处理增加了土壤有机碳含量，其余3个氮水平都降低了有
机碳含量，C720-N150和C720-N300处理降幅分别达到27.19%和17.37%。
20～40 cm土壤有机碳含量在正常CO2浓度水平下，不施氮和高氮处理有机碳积
累量表现为下降，高氮处理降幅高达28.76%，低氮和常规施氮处理增加了下层土
壤有机碳含量；倍增CO2浓度水平下，有机碳含量呈现出“降—升—降”的无规
则变化规律。通过分析得出，CO2浓度和施氮水平共同作用对土壤上下层有机碳
积累量有极显著影响(P<0.01)。
由图3可看出，不同CO2浓度和氮肥处理，棉花叶、蕾、茎、根中有机碳含量虽
然都发生了变化，但是各处理中除C720-N450处理外，棉株器官有机碳含量均表
现为蕾>根>茎>叶。其中，蕾中有机碳含量随着CO2浓度和施氮量变化幅度略高
于其余器官。通过对棉株各器官中有机碳积累量的分析(图4)可看出，正常CO2
浓度水平下，通气结束后叶片和蕾中有机碳均为正积累，其中叶中有机碳积累量
N300处理最高，通气后较通气前增幅为6.7%；蕾中有机碳积累量随着施氮量增
加呈现增加趋势；茎和根中有机碳积累表现出不一致变化规律，不施氮和低氮处理
棉花茎及常规施氮处理棉花根中有机碳出现负积累。
倍增CO2浓度下，通气后，棉花叶片、蕾、茎中有机碳含量均表现为正积累，根
中有机碳为负积累。随着施氮量增加，叶片、根中有机碳积累量呈增加趋势，但超
量施氮反而降低了叶片中有机碳积累量，根中有机碳虽为负积累，但随着施氮量增
加，其积累量表现出缓慢增加趋势；蕾中有机碳积累量呈降低趋势。
通过分析得出，CO2浓度和施氮水平共同作用对棉花各器官有机碳积累量均有极
显著影响(P<0.01)。
正常大气CO2浓度下，叶、蕾中全氮含量随施氮量增加而增加，茎、根中全氮含
量在常规施氮范围内表现出增加趋势，但超量施氮反而降低了其全氮含量。CO2
浓度倍增后，棉花蕾、茎、根中全氮含量总体有不同程度增加；随着施氮量增加，
根中全氮含量呈增加趋势，叶片、蕾、茎中全氮含量表现不一(表2)。与正常CO2
浓度相比，CO2浓度倍增，棉花茎中全氮含量分配比率增加，叶、根中全氮含量
分配比率总体降低；蕾中全氮含量分配比率随施氮量增加而增加，但过量施氮后反
而降低其值。各处理中叶、蕾中全氮含量分配比率之和达到76.73%～79.95%。
随着全球工业化进程步伐的加快，大气CO2浓度不断升高，不但会对全球气候和
整个人类生存环境产生重大影响，而且会影响到农田生态系统。农田作物的生长必
然受到大气CO2浓度升高的影响。寇太记等[12]研究表明，高CO2浓度促进了冬
小麦地上部与地下部的生物量积累。王小娟等[8]研究也得出，高CO2浓度处理的
油菜生物量增加，地下部分增加幅度大于地上部分。本研究显示，倍增CO2浓度
处理总体上增加了棉株根冠比，降低了地上部分配比率。潘红丽等[13]认为，作物
生物量的显著增加是土壤碳积累的主要原因。周莉等[11]通过对前人试验结果分析
表明，随着CO2浓度增加，C3豆类植物根冠比无变化，棉花的根冠比增加，本
研究中CO2浓度倍增下棉花根冠比结果与其一致。李伏生等[6]研究结果表明，随
施氮量的增加，春小麦根冠比减少。王艳哲等[14]通过冬小麦试验，也认为施氮量
增加降低了冬小麦根冠比；与本结论相反，这可能是不同作物组织、生理结构不同
及作物所处生长状况及环境条件不同导致的。
土壤有机碳作为土壤中重要的养分，可为作物生长提供营养元素，改善土壤质量，
提高土壤蓄水保肥能力[15]。对于大气CO2浓度增加是否会引起土壤中有机碳含
量的增加，还没有统一的结论。Goudriaan等[16]研究显示，CO2浓度升高会减
慢土壤原有机质的分解，最终导致土壤碳的积累。Cardon等[17]通过研究也发现，
暴露于高CO2浓度下的草地，土壤原有有机碳的分解减缓；张继舟等[18]表示，
CO2浓度升高连续运行2个生长季后，三江平原土壤有机碳含量没有显著变化。
但是，Lamborg等[19]认为，CO2浓度升高不会引起土壤中碳的积累。乌兰巴特
尔等[20]认为，短期内CO2浓度富集降低了土壤可溶性无机碳和有机碳储量，但
是施氮量对其影响不显著。本研究结果与乌兰巴特尔等[20]研究结果相似，即短期
CO2浓度倍增降低了土壤有机碳积累量，20～40 cm土层降幅高于0～20 cm。
土壤有机碳积累量降低可能是由于大气CO2浓度增加加速了棉花植株的生长，棉
株需要从土壤中吸取更多的有机物质来提供养分有关。土壤中有机碳含量的变化也
将影响到棉花植株各器官中有机碳含量的变化。郭建平等[21]研究显示，大气中
CO2浓度升高使沙地优势植物种根、茎、叶固定的碳明显增加，分配至茎的碳最
多，其次是叶，根中获得的碳最少；侯晶东等[22]研究发现，大气CO2浓度升高，
枸杞苗木枝的有机碳含量升高，叶的有机碳含量则降低。本研究棉花盛花期短期大
气CO2浓度倍增试验结果显示，CO2浓度倍增，棉花叶片、蕾、茎中有机碳含量
均表现为正积累，根中有机碳为负积累。
氮是植物最重要的结构物质，对植物生长和生理代谢有重要作用[23]。大气CO2
浓度升高会使植物体内氮素积累量发生改变，植株氮素养分积累情况又会直接影响
作物的生长发育。CO2浓度升高对作物氮素积累量的影响已有学者做过研究。
Booker等[24]研究显示，CO2浓度增加降低了植物组织的含氮量。杜启燃等[25]
研究也得出，CO2浓度增加后，栓皮栎叶中氮含量降低，但差异并不显著。
Daepp等[26]研究结果显示，CO2浓度升高使禾本科C3植物叶片氮含量平均减
少9%。Prior等[27]还测定了棉花其他器官的氮含量，结果表明，整个植株的总
氮含量降低了11%，而种子部分降低幅度相对较小，降低了7%。本研究结果显
示，倍增CO2浓度增加了不施氮、低氮处理的棉花叶、蕾、茎全氮含量，常规施
氮增加了蕾和茎中全氮含量，高氮增加了茎和根中全氮含量。随着CO2浓度倍增，
棉花茎中全氮含量分配比率增加，叶、根中全氮含量分配比率总体降低，蕾中全氮
含量分配比率随施氮量增加而增加，但过量施氮后反而降低其值。叶片中全氮分配
比率降低，可能和高CO2浓度对植物的光合速率促进作用随时间延长而逐渐降低，
即“光合下调”作用有关。
2024年3月11日发(作者：潭怀寒)
CO2浓度和施氮量对棉花干物质量、有机碳及全氮含量的影
响
刘瑜;尹飞虎;高志建;陈云;吕宁
【摘 要】通过田间小区试验研究CO2浓度(本底CO2浓度:360 μmol/mol,倍增
CO2浓度:720 μmol/mol)对不同施氮水平(不施氮:0 kg/hm2,低氮:150 kg/hm2,
常规施氮:300 kg/hm2,高氮:450 kg/hm2)棉花干物质积累、有机碳及全氮含量的
影响.结果显示:CO2浓度倍增,除常规施氮处理外各施氮处理地下部干物质量均增
加;地上部干物质量随施氮量不同变化趋势不同;总体上降低了地上部分配比例,增加
了根冠比,提高了干物质含量百分比.降低了土壤有机碳积累量,20 ～40 cm土层降
幅高于0 ～ 20 cm.随生育期延长,CO2浓度倍增和施氮水平对土壤有机碳积累产
生负效应;棉花叶片、蕾、茎秆中有机碳含量均表现为正积累,根中有机碳为负积
累;CO2浓度倍增和增加施氮量,总体均不同程度地增加了棉花不同器官中的全氮含
量.
【期刊名称】《河南农业科学》
【年(卷),期】2015(044)011
【总页数】6页(P28-33)
【关键词】CO2浓度倍增;棉花;干物质量;有机碳;全氮
【作 者】刘瑜;尹飞虎;高志建;陈云;吕宁
【作者单位】新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新
疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新疆农垦科学院,新
疆石河子832000;新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子
832000;新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所,新疆石河子832000;新疆农
垦科学院,新疆石河子832000
【正文语种】中 文
【中图分类】S562
由于人类活动的影响，大气中的CO2浓度不断增加，已由工业革命前的270
μmol/mol增加到现在的360 μmol/mol，预计21世纪末将增加至现有浓度的1
倍[1]。棉花是我国重要的经济作物，其生育过程对环境条件反应十分敏感[2]。大
气中CO2浓度的持续增加，必然会影响棉花生长和对养分的需求[3]。已有很多专
家学者研究得出，大气CO2浓度增加，作物生物量随之增加，从总生物量来看,大
豆增长最大，其次是冬小麦和棉花，玉米生物量增加最小[4-6]。许育彬等[7]、王
小娟等[8]通过研究CO2浓度升高条件下水稻、棉花、玉米、小麦、油菜等多种作
物器官中氮素含量变化，发现氮素浓度降低。郭金强等[9]通过研究不同施氮量对
棉花氮素吸收的影响后得出，施氮可显著提高棉株对氮素的吸收，且植株氮素累积
量随施氮量的增加而增加。
新疆兵团是中国最重要的的优质商品棉生产基地和优质棉花产区之一。当前关于新
疆兵团CO2浓度倍增及不同供氮水平两因素互作对棉花生长发育的影响鲜有报道，
花铃期作为棉花产量、品质形成的关键时期，也是对外界环境反应最敏感的时期，
本试验通过设置倍增CO2浓度和4个施氮水平，研究盛花期短期CO2浓度倍增
和施肥量对棉花C、N积累及干物质量的影响，以期为大气CO2浓度不断增加的
情况下合理施肥及田间管理提供一定的理论依据。
试验于2012年在新疆农垦科学院农试场进行，该区属典型的温带大陆性气候。供
试土壤为灌耕灰漠土，土壤类型为中壤土。土壤基础养分含量：有机质6.94 g/kg、
碱解氮41 mg/kg、速效磷21 mg/kg、速效钾99 mg/kg，pH值8.48。
供试作物为棉花，品种为新陆早33号。试验采用机械铺膜播种，1膜4行双毛管
配置，棉花宽窄行播种，种植行距为(20+50+20)cm，株距为12 cm。滴灌毛管
铺设在棉花窄行的中间，棉花密度为1.95×105株/hm2。
试验采用裂区设计方法，为两因素完全随机设计；主区设2个大气CO2浓度，新
疆本底CO2浓度：360 μmol/mol(C360)和倍增CO2浓度：720
μmol/mol(C720)；副区设4个施氮水平：不施氮0 kg/hm2(N0)、低氮150
kg/hm2(N150)、常规施氮300 kg/hm2(N300)、高氮450 kg/hm2(N450)；氮
肥为尿素(N含量46%)。试验共8个处理，分别为：处理1(C360-N0)、2(C360-
N150)、3(C360-N300)、4(C360-N450)、5(C720-N0)、6(C720-N150)、
7(C720-N300)、8(C720-N450)，每个处理重复3次，共计24个小区。主区之
间设保护行，主区面积168 m2；副区之间相邻，副区面积为42 m2。主区四周
分别用透光塑料膜包围，膜高度为1.5 m。为准确控制主区内大气CO2浓度，单
独铺设通气管，通气管铺于地膜之上，在棉花盛花期，连续通气20 d，每天12：
00—15：00运用通气管将钢瓶中的CO2气体均匀分布于整个主区内。CO2气体
浓度误差控制在目标值的5%以内。各处理单独设置施肥装置，滴灌设置和管理同
大田。
播种前采用多点混合法在试验地采集0～20、20～40 cm土壤测定土壤本底养分
含量。通气前及结束后采集各副区土壤样品，分别采集表层(0～20 cm)和下层
(20～40 cm)土壤，在不破坏土壤团粒结构的情况下使其自然风干，拣出肉眼可见
的杂物、细根，过孔径为0.149 mm的筛，用于测定土壤有机碳含量[10]。
通气前及结束后，采集各处理小区具有普遍代表性的植株5株，按器官将每株分
叶、蕾、茎、根4部分，分别称质量后放入105 ℃烘箱杀青30 min，然后80 ℃
至恒定质量，取出称质量，将各部分器官粉碎后分别测定有机碳、全氮含量[10]。
干物质含量百分比为干物质占植物总鲜质量的百分比。
试验数据分析时采用多次重复的平均值，数据处理和方差分析用Excel 2003及
SPSS 18.0软件进行，处理间的差异显著性采用Duncan’s新复极差法进行单因
素和双因素多重比较。
由表1可看出，CO2浓度倍增和施氮处理对棉花各器官干质量都会产生影响。正
常CO2浓度下，叶片、蕾干质量均随着施氮量增加表现出增加趋势，茎、根干质
量在常量施氮范围内随施氮量增加而增加，超量施氮反而降低了干质量；随施氮量
增加，地上部分配比例先降后升，根冠比则表现出先升后降趋势；干物质含量百分
比表现为增加。倍增CO2浓度下，随施氮量增加，叶片、蕾、根干质量均表现为
“升—降—升”的变化趋势，茎干质量则显示出先降后逐渐升高的趋势。地上部
分配比例表现为下降趋势，根冠比表现为上升趋势；干物质含量百分比在常量施氮
范围内随施氮量增加而降低。同氮水平下，倍增CO2浓度总体上降低了地上部分
配比例，增加了根冠比，提高了干物质含量百分比。CO2浓度倍增处理棉株根冠
比增大，可能是由于CO2浓度倍增条件下有更多的光合产物运输到地下而有利于
根系生长，该结果与周莉等[11]研究结果一致。
由图1可以看出，棉花盛花期通气后各处理土壤有机碳含量随着大气CO2浓度和
施氮量变化均发生了变化，整体显示倍增CO2浓度处理土壤有机碳含量低于正常
大气CO2浓度处理，0～20 cm土层高于20～40 cm土层。通过对通气后土壤中
有机碳积累量的研究(图2)发现，0～20 cm土壤有机碳含量在正常CO2浓度下，
不施氮和低氮处理降幅分别为5.25%和20.36%，常规施氮和高氮处理增加了其值；
倍增CO2浓度下，高氮处理增加了土壤有机碳含量，其余3个氮水平都降低了有
机碳含量，C720-N150和C720-N300处理降幅分别达到27.19%和17.37%。
20～40 cm土壤有机碳含量在正常CO2浓度水平下，不施氮和高氮处理有机碳积
累量表现为下降，高氮处理降幅高达28.76%，低氮和常规施氮处理增加了下层土
壤有机碳含量；倍增CO2浓度水平下，有机碳含量呈现出“降—升—降”的无规
则变化规律。通过分析得出，CO2浓度和施氮水平共同作用对土壤上下层有机碳
积累量有极显著影响(P<0.01)。
由图3可看出，不同CO2浓度和氮肥处理，棉花叶、蕾、茎、根中有机碳含量虽
然都发生了变化，但是各处理中除C720-N450处理外，棉株器官有机碳含量均表
现为蕾>根>茎>叶。其中，蕾中有机碳含量随着CO2浓度和施氮量变化幅度略高
于其余器官。通过对棉株各器官中有机碳积累量的分析(图4)可看出，正常CO2
浓度水平下，通气结束后叶片和蕾中有机碳均为正积累，其中叶中有机碳积累量
N300处理最高，通气后较通气前增幅为6.7%；蕾中有机碳积累量随着施氮量增
加呈现增加趋势；茎和根中有机碳积累表现出不一致变化规律，不施氮和低氮处理
棉花茎及常规施氮处理棉花根中有机碳出现负积累。
倍增CO2浓度下，通气后，棉花叶片、蕾、茎中有机碳含量均表现为正积累，根
中有机碳为负积累。随着施氮量增加，叶片、根中有机碳积累量呈增加趋势，但超
量施氮反而降低了叶片中有机碳积累量，根中有机碳虽为负积累，但随着施氮量增
加，其积累量表现出缓慢增加趋势；蕾中有机碳积累量呈降低趋势。
通过分析得出，CO2浓度和施氮水平共同作用对棉花各器官有机碳积累量均有极
显著影响(P<0.01)。
正常大气CO2浓度下，叶、蕾中全氮含量随施氮量增加而增加，茎、根中全氮含
量在常规施氮范围内表现出增加趋势，但超量施氮反而降低了其全氮含量。CO2
浓度倍增后，棉花蕾、茎、根中全氮含量总体有不同程度增加；随着施氮量增加，
根中全氮含量呈增加趋势，叶片、蕾、茎中全氮含量表现不一(表2)。与正常CO2
浓度相比，CO2浓度倍增，棉花茎中全氮含量分配比率增加，叶、根中全氮含量
分配比率总体降低；蕾中全氮含量分配比率随施氮量增加而增加，但过量施氮后反
而降低其值。各处理中叶、蕾中全氮含量分配比率之和达到76.73%～79.95%。
随着全球工业化进程步伐的加快，大气CO2浓度不断升高，不但会对全球气候和
整个人类生存环境产生重大影响，而且会影响到农田生态系统。农田作物的生长必
然受到大气CO2浓度升高的影响。寇太记等[12]研究表明，高CO2浓度促进了冬
小麦地上部与地下部的生物量积累。王小娟等[8]研究也得出，高CO2浓度处理的
油菜生物量增加，地下部分增加幅度大于地上部分。本研究显示，倍增CO2浓度
处理总体上增加了棉株根冠比，降低了地上部分配比率。潘红丽等[13]认为，作物
生物量的显著增加是土壤碳积累的主要原因。周莉等[11]通过对前人试验结果分析
表明，随着CO2浓度增加，C3豆类植物根冠比无变化，棉花的根冠比增加，本
研究中CO2浓度倍增下棉花根冠比结果与其一致。李伏生等[6]研究结果表明，随
施氮量的增加，春小麦根冠比减少。王艳哲等[14]通过冬小麦试验，也认为施氮量
增加降低了冬小麦根冠比；与本结论相反，这可能是不同作物组织、生理结构不同
及作物所处生长状况及环境条件不同导致的。
土壤有机碳作为土壤中重要的养分，可为作物生长提供营养元素，改善土壤质量，
提高土壤蓄水保肥能力[15]。对于大气CO2浓度增加是否会引起土壤中有机碳含
量的增加，还没有统一的结论。Goudriaan等[16]研究显示，CO2浓度升高会减
慢土壤原有机质的分解，最终导致土壤碳的积累。Cardon等[17]通过研究也发现，
暴露于高CO2浓度下的草地，土壤原有有机碳的分解减缓；张继舟等[18]表示，
CO2浓度升高连续运行2个生长季后，三江平原土壤有机碳含量没有显著变化。
但是，Lamborg等[19]认为，CO2浓度升高不会引起土壤中碳的积累。乌兰巴特
尔等[20]认为，短期内CO2浓度富集降低了土壤可溶性无机碳和有机碳储量，但
是施氮量对其影响不显著。本研究结果与乌兰巴特尔等[20]研究结果相似，即短期
CO2浓度倍增降低了土壤有机碳积累量，20～40 cm土层降幅高于0～20 cm。
土壤有机碳积累量降低可能是由于大气CO2浓度增加加速了棉花植株的生长，棉
株需要从土壤中吸取更多的有机物质来提供养分有关。土壤中有机碳含量的变化也
将影响到棉花植株各器官中有机碳含量的变化。郭建平等[21]研究显示，大气中
CO2浓度升高使沙地优势植物种根、茎、叶固定的碳明显增加，分配至茎的碳最
多，其次是叶，根中获得的碳最少；侯晶东等[22]研究发现，大气CO2浓度升高，
枸杞苗木枝的有机碳含量升高，叶的有机碳含量则降低。本研究棉花盛花期短期大
气CO2浓度倍增试验结果显示，CO2浓度倍增，棉花叶片、蕾、茎中有机碳含量
均表现为正积累，根中有机碳为负积累。
氮是植物最重要的结构物质，对植物生长和生理代谢有重要作用[23]。大气CO2
浓度升高会使植物体内氮素积累量发生改变，植株氮素养分积累情况又会直接影响
作物的生长发育。CO2浓度升高对作物氮素积累量的影响已有学者做过研究。
Booker等[24]研究显示，CO2浓度增加降低了植物组织的含氮量。杜启燃等[25]
研究也得出，CO2浓度增加后，栓皮栎叶中氮含量降低，但差异并不显著。
Daepp等[26]研究结果显示，CO2浓度升高使禾本科C3植物叶片氮含量平均减
少9%。Prior等[27]还测定了棉花其他器官的氮含量，结果表明，整个植株的总
氮含量降低了11%，而种子部分降低幅度相对较小，降低了7%。本研究结果显
示，倍增CO2浓度增加了不施氮、低氮处理的棉花叶、蕾、茎全氮含量，常规施
氮增加了蕾和茎中全氮含量，高氮增加了茎和根中全氮含量。随着CO2浓度倍增，
棉花茎中全氮含量分配比率增加，叶、根中全氮含量分配比率总体降低，蕾中全氮
含量分配比率随施氮量增加而增加，但过量施氮后反而降低其值。叶片中全氮分配
比率降低，可能和高CO2浓度对植物的光合速率促进作用随时间延长而逐渐降低，
即“光合下调”作用有关。