大气CO2浓度和温度升高对作物生理生态的影响

论述了大气CO₂浓度和温度升高下的植物生长、光合作用、产量以及水分养分利用效率等方面的研究进展.未来高CO₂浓度下,光合作用速率有不同程度的提高,生物量和产量增加;气孔导度降低,水分利用效率(WUE)提高;一般地上部分和根系尤其是细根生物量增加,凋落物量随之增加,C/N比率提高,植物残体的腐解速率降低.CO₂浓度升高后,会给根际微生物带来更多的底物,从而提高了微生物活性,加速养分的矿化过程,改善植物的养分状况.     

植物生理生态指标对大气CO2浓度倍增响应的整合分析

对 8 4篇文献有关植物对大气CO2 浓度倍增响应进行整合分析(一种对同一主题下多个独立实验进行综合的统计学方法),发现环境因素(土壤水分亏缺、土壤低氮、高温和高浓度O3 )显著地影响植物对高CO2 浓度的响应。无任何环境胁迫时,高CO2 浓度对C3 植物的 12个植物生理生态指标产生负效应,对另 12个则表现正效应,负响应最强的前 5个指标为:气孔导度(gs) >暗呼吸速率(Rd) >单位叶重中的氮含量(Nm) >单位叶重中蛋白质含量(Prm) >单位叶结构重量中氮含量(Ns);正响应最强烈的前 5个指标为:根生物量(Br) >地上部生物量(Bs) >单位叶重中淀粉含量(St) >光饱和时的光合速率(A) >总生物量(Bt)。可见植物的气体交换和生物量受高CO2 浓度影响较大,叶化学成分的变化则以淀粉、单位叶重含氮量和单位叶重蛋白质含量较为明显。无任何胁迫时,C3 植物的总生物量和光饱和时的光合速率分别提高 30.0 1%和 40.36 %;气孔导度下降 30.39%。     

温度和CO2浓度升高对甜椒光合生理和虫害发生的影响

全球温度和CO2浓度持续性升高对农业活动产生了显著影响.研究甜椒光合生理对气候变化的响应,可为甜椒等茄科蔬菜在应对未来气候变化的栽培管理措施及果实加工提供科学依据.本研究利用控制气室,采用盆栽试验研究模拟温度升高(常温+2℃)和CO2浓度升高(600,μmol·mol-1)下甜椒品种'甜椒115'光合生理及虫害发生的响...     

大气CO2浓度升高对不同施氮土壤酶活性的影响

利用中国唯一的无锡FACE（Free-air CO2 enrichment,开放式空气CO2浓度升高）平台,研究了大气CO2浓度升高对土壤β-葡糖苷酶、转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、-氨基葡糖苷酶的影响。研究发现,不同氮肥处理下大气CO2浓度升高对某些土壤酶活性的影响不同。在低氮施肥处理中,大气CO2浓度升高显著降低-葡糖苷酶活性,但是在高氮施肥处理下,大气CO2浓度升高显著增加β-葡糖苷酶活性。在低氮和常氮施肥处理中大气CO2浓度升高显著增加了土壤脲酶活性,但在高氮水平下影响不显著。在低氮、常氮施肥处理中,大气CO2浓度升高对土壤酸性磷酸酶活性没有影响,而在高氮施肥处理中显著增强了土壤中磷酸酶活性。大气CO2浓度升高对土壤转化酶活性和-氨基葡糖苷酶的活性有增加趋势,但影响不显著。研究还发现,在不同的CO2浓度下,土壤酶活性对不同氮肥处理的响应也不同。在正常CO2浓度下,土壤中β-葡糖苷酶活性随着氮肥施用量的增加而降低,而在大气CO2浓度升高条件下,却随着氮肥施用量的增加而增加。在大气CO2浓度升高条件下,高氮施肥显著增加了转化酶和酸性磷酸酶活性,而在正常CO2浓度下,影响不显著。在大气CO2浓度升高条件下,氮肥处理对脲酶活性的影响不大,但在正常CO2浓度下,脲酶活性随着氮肥施用量的增加而增加。氮肥对β-氨基葡糖苷酶活性的影响不明显。     

CO2浓度和温度升高对红桦根际微生物的影响

应用自控、封闭、独立的生长室系统,研究升高的大气CO2浓度(环境CO2浓度 350(±25)μmol.mol-1,EC)和温度(环境温度 2.0(±0.5)℃,ET)及其交互作用(ECT)对不同栽植密度条件下红桦根际土壤可培养微生物数量的影响。结果表明:(1)EC显著增加了高密度条件下根际细菌数量;在整个生长季中,最大的根际细菌数量增加出现在7月份;而EC对低密度处理的根际细菌数量影响不显著。除了5月和6月份,ET在其余月份均显著增加了根际细菌数量,但是与密度处理没有有意义的相关;ECT对高低密度处理的根际细菌数量均未产生有统计意义的影响。(2)EC对低密度条件下的根际放线菌数量有显著增加,而对高密度条件下的根际放线菌数量无显著影响;ET和ECT对高低密度条件下的根际放线菌数量均未产生有统计意义的影响。(3)EC和ET对高低密度条件下的根际真菌数量无显著增加,而ECT显著增加了根际真菌数量。     

大气CO2浓度升高对土壤微生物的影响

自人类进入工业化时代以来,由于化石燃料的燃烧和森林的大面积破坏,大气中ＣＯ２的浓度已由工业革命以前的２８０μｌ·Ｌ－１增加到现在的３５０μｌ·Ｌ－１,仅从１９５７年至今的几十年间,大气中ＣＯ２的浓度就增加了２０％,预计到下个世纪下半叶,大气中ＣＯ２的...     

大气CO2浓度升高对农产品品质影响的研究进展

大气中不断升高的CO2浓度以及人类饮食的营养质量是目前我们面临的两个重大问题.目前,大气中CO2浓度已达到380 μmol·mo1-1,预测到2050年大气CO2浓度将达到550 μmol·mol-1.农产品的品质不仅取决于遗传基因,而且受生长环境条件的影响.大量研究表明,农作物的生长发育和产量形成都对CO2浓度升高做出了响应,而且这种变化对农产品的品质也产生了重要影响.本文对目前国内外模拟CO2浓度升高对农产品品质影响研究中采用的常见方法进行了比较,并综述了近年来在CO2浓度升高对水稻、小麦、大豆和其他一些蔬菜类农产品品质影响方面的研究进展.大量试验结果表明,CO2浓度升高条件下,大宗作物籽粒中蛋白质含量下降,微量元素总体上有下降趋势,而蔬菜类农产品的品质有一定程度改善.最后,本文根据目前研究现状对一些问题进行了讨论并提出了今后的研究方向.     

大气CO2浓度升高对植物根系的影响

植物长期生长在CO2浓度不断升高的环境中,其结构和功能都将受到影响,这种影响不仅表现在植物的地上部分,同时也表现在植物的地下部分(根系),尤其是细根的长度、直径、产量、周转以及根与枝的分配模式等方面。植物根系结构和功能的改变影响植物地上部分和生态系统物质循环中的碳动态及土壤中碳库的变化。目前有关大气CO2浓度升高对根系动态影响的研究报道主要包括大气CO2浓度升高对根系结构(直径、分枝、长度、数量等)和根系生理(周转率、产量、碳分配模式等)的影响2个方面。目前,该领域研究还存在一些不足,例如在CO2浓度升高条件下,对植物根系内部的调控机制,以及由其引起的物质循环和能量流动的动态变化的了解较少;至今没有令人信服的证据说明大气CO2浓度升高使根系周转升高还是降低。今后应加强研究在CO2浓度升高条件下根系的周转变化和光合产物分配模式变化,CO2浓度升高和外界环境因素的共同作用对根系的影响,以及采用不同研究方法和研究对象在不同立地条件下开展升高CO2浓度对根系影响的对比研究等。     

木本植物对CO2浓度和温度升高的相互作用的响应

CO2浓度和温度是影响木本植物生长和发育的两个关键因子,二者在全球变化中的相互作用对木本植物生长和发育具有显著的影响。大多数研究表明：CO2浓度增加和温度升高的相互作用可能影响木本植物的生长发育,促进光合作用;呼吸作用对CO2浓度增加和温度升高的相互作用存在长期和短期响应差异;二者的相互作用促进生物量增加和生产力的增长。木本植物对CO2浓度和温度升高的相互作用的响应程度因植物种类而异。     

模拟大气CO2浓度和温度升高对亚高山冷杉(Abies faxoniana)林土壤酶活性的影响

采用控制环境生长室研究了川西亚高山森林生态系统中与C、N、P循环有关的土壤转化酶、脲酶、硝酸还原酶和酸性磷酸酶活性的月动态及其对模拟大气CO2浓度增加、温度升高以及交互作用的动态响应。在一个生长季节内,土壤有机层和矿质土壤层的转化酶、脲酶、硝酸还原酶和酸性磷酸酶的活性高峰均出现在温度较高的夏季。其中,土壤有机层的转化酶活性高峰出现在6月份,但土壤矿质层的转化酶活性高峰出现在7月份,土壤有机层和矿质土壤层的脲酶和酸性磷酸酶的活性高峰均出现在7月份,而硝酸还原酶的活性高峰均出现在8月份。升高大气CO2浓度处理(EC)对土壤有机层和矿质土壤层的转化酶、脲酶、硝酸还原酶和酸性磷酸酶活性没有显著影响。升高温度处理(ET)显著增加了土壤有机层和矿质土壤层的酶活性,并且土壤有机层的转化酶、硝酸还原酶和脲酶活性增加更显著。大气CO2浓度增加和温度升高之间的交互作用(ECT)对土壤有机层和矿质土壤层酶活性的影响主要是温度升高引起的。     

绿藻CO2浓缩机制的研究进展

单细胞绿藻是淡水水体中浮游植物的重要组成部分,也是淡水生态系统中主要的初级生产者,其在适应外界CO2浓度变化的过程中,细胞内形成了一种主动转移无机碳的机制－CO2浓缩机制（CO2 concentrating mechanism,CCM）。该机制能使细胞在核酮糖－2－磷酸羧化氧化酶（rubiscol)固碳位点提高CO2浓度,以增加光合作用和减少光吸收。本文综述了这种机制中的无机碳转移模型和不同环境因子（光,温度,CO2浓度和营养水平）对它的调控作用,以期促进深入开展浮游植物对大气CO2浓度升高响应的研究。     

CO2浓度、氮和水分对春小麦光合、蒸散及水分利用效率的影响

研究了不同土壤氮和土壤水分条件下,大气CO2浓度升高对春小麦光合作用、气孔导度、蒸散和水分利用效率的影响。结果表明,CO2浓度升高,干旱处理的春小麦（Triticum aestivum L.）叶片光合作用速率幅度增加大于湿润处理,随着氮肥用量增加光合速率相应增加,而不施氮脂增加有限;干旱处理气孔导度幅度减少大于湿润处理,不施氮肥的大于氮肥充足的CO2浓度升高,干旱处理的蒸散量减少比湿润处理多,不施氮肥的蒸散量减少较为明显;但干旱处理单叶WUE增加大于湿润处理;随着氮肥用量增加,冠层WUE提高,而不施氮肥的冠层WUE最低。因而CO2浓度升高、光合速率增加和蒸散量减少会减缓干旱的不利影响,增强作物对干旱胁迫的抵御能力。     

CO2浓度、氮和水分对春小麦光合、蒸散及水分利用效率的影响

研究了不同土壤氮和土壤水分条件下,大气CO₂浓度升高对春小麦光合作用、气孔导度、蒸散和水分利用效率的影响.结果表明,CO₂浓度升高,干旱处理的春小麦(Triticum aestivum L.)叶片光合作用速率幅度增加大于湿润处理,随着氮肥用量增加光合速率相应增加,而不施氮肥增加有限;干旱处理气孔导度幅度减少大于湿润处理,不施氮肥的大于氮肥充足的.CO₂浓度升高,干旱处理的蒸散量减少比湿润处理多,不施氮肥的蒸散量减少较为明显;但干旱处理单叶WUE增加大于湿润处理;随着氮肥用量增加,冠层WUE提高,而不施氮肥的冠层WUE最低.因而CO₂浓度升高、光合速率增加和蒸散量减少会减缓干旱的不利影响,增强作物对干旱胁迫的抵御能力.     

陆生植物气孔参数与大气CO2浓度变化

陆生植物的起源与演化与全球气候和环境的变化密不可分,利用植物气孔参数(气孔密度和气孔指数)来指示或重建古大气CO₂浓度变化是近年来全球变化研究的热点之一。就陆生植物气孔参数的研究进行了概述,对研究中存在的问题及其前景作了简要探讨,并对植物生物学方法在定量研究古气候和古环境变化的趋势进行了分析。     

陆生植物气孔参数与大气CO_2浓度变化

陆生植物的起源与演化与全球气候和环境的变化密不可分,利用植物气孔参数(气孔密度和气孔指数)来指示或重建古大气CO2浓度变化是近年来全球变化研究的热点之一。就陆生植物气孔参数的研究进行了概述,对研究中存在的问题及其前景作了简要探讨,并对植物生物学方法在定量研究古气候和古环境变化的趋势进行了分析。     

不同植物叶片水分利用效率对光和CO2的响应与模拟

植物叶片水分利用效率的高低取决于气孔控制的光合作用和蒸腾作用两个相互耦合的过程,模拟水分利用效率对环境变化的响应特征和机制是理解生态系统碳循环和水循环及其耦合关系的基础。研究通过人工控制光强和CO₂浓度,对叶片水分利用效率进行了研究。提出了植物水分利用效率在光强和CO₂浓度共同作用下的估算模型。数据分析表明,该模型在包括C3和C4植物、草本和木本植物在内的9种植物上能很好地模拟水分利用效率对光强和CO₂浓度共同作用的响应。该模型可以用于估算CO₂浓度升高条件下光合速率的提高和蒸腾速率的降低对水分利用效率提高的贡献量。CO₂浓度变化条件下,水分利用效率在不同植物之间有巨大差异,研究区域尺度植物的水分利用效率时至少需要将植物区分为C4植物和C3植物,其中C3植物区分为草本和木本植物3种生态功能型才能较为准确地估算植物的整体水分利用效率。应用本研究提出的水分利用效率估算模型和植物水分利用效率生态功能型分类标准,可以为建立以植物的水分利用效率为基本参数的陆地生态系统水循环模型和陆地生态系统生产力模型提供重要依据。     

不同植物叶片水分利用效率对光和CO2的响应与模拟

植物叶片水分利用效率的高低取决于气孔控制的光合作用和蒸腾作用两个相互耦合的过程,模拟水分利用效率对环境变化的响应特征和机制是理解生态系统碳循环和水循环及其耦合关系的基础.研究通过人工控制光强和CO2浓度,对叶片水分利用效率进行了研究.提出了植物水分利用效率在光强和CO2浓度共同作用下的估算模型.数据分析表明,该模型在包括C3和C4植物、草本和木本植物在内的9种植物上能很好地模拟水分利用效率对光强和CO2浓度共同作用的响应.该模型可以用于估算CO2浓度升高条件下光合速率的提高和蒸腾速率的降低对水分利用效率提高的贡献量.CO2浓度变化条件下,水分利用效率在不同植物之间有巨大差异,研究区域尺度植物的水分利用效率时至少需要将植物区分为C4植物和C3植物,其中C3植物区分为草本和木本植物3种生态功能型才能较为准确地估算植物的整体水分利用效率.应用本研究提出的水分利用效率估算模型和植物水分利用效率生态功能型分类标准,可以为建立以植物的水分利用效率为基本参数的陆地生态系统水循环模型和陆地生态系统生产力模型提供重要依据.