开放式空气CO2浓度增高影响稻田大气CO2净交换的静态暗箱法观测研究

首先介绍静态暗箱法气相色谱法观测确定陆地生态系统地气CO₂净交换通量的基本原理和方法,然后讨论在开放式空气CO₂增加(FACE)试验中应用该原理和方法观测研究大气CO₂浓度升高对稻田生态系统大气CO₂净交换通量的影响.因缺乏必要参数的实际观测值,本文只能根据暗箱观测值计算CO₂净交换通量的最小取值NEE_min.NEE_min计算结果表明,在插秧1个月之后的水稻生长期内,大气CO₂浓度升高200±40μmol·mol^-1使稻田生态系统对大气CO₂的净吸收约为对照的3倍.为根据暗箱观测准确确定NEE,还必须在FACE和对照条件下观测水稻植株的暗维持呼吸系数、地上生物量及根冠比动态.     

开放式空气CO2浓度增高试验中的NO和NO2地-气交换观测研究

介绍了农田FACE(free airCO2 enrichment)试验中的NO和NO2 地 气交换观测方法 ,即静态暗箱采样—NO和NO2 化学发光分析法 ,并对观测结果进行了分析讨论 .此观测方法简单、易于操作 ,并可获得可靠的NO和NO2 净交换通量观测结果 .在稻麦轮作农田的旱地阶段 ,无论FACE还是对照处理 ,NO主要表现为地面净排放 ,NO2 主要表现为地面净吸收 .逐日的NO净排放不依赖于土壤温度 ,但却与土壤含水量呈线性负相关 (R2 =0 .82 ,P <0 .0 0 1) .NO2 净吸收具有明显的季节变化特征 ,逐日的净吸收通量随土壤温度和土壤含水量的变化可分别用抛物线方程拟合 (温度 :R2 =0 .74 ,P <0 .0 0 1;含水量 :R2 =0 .6 9,P <0 .0 0 1) .大气CO2 浓度升高 2 0 0± 4 0 μmol·mol-1使NO净排放减弱 19% (t 检验P =0 .0 96 ) ,NO2 净吸收减弱 10 % (t 检验P =0 .2 6 ) ,这主要是植物生长受到促进的缘故 .     

开放式空气CO2浓度增高条件下旱地土壤气体CO2浓度廓线测定

设计了一套适合于FACE(free-air CO₂ enrichment)平台的旱地土壤气体CO₂浓度廓线测定方法,并将其应用于田间实验.在江苏省无锡市郊区具有太湖地区典型水稻土的稻麦轮作农田,对FACE和对照麦田以及裸土0～30cm土层的土壤气体CO₂浓度廓线进行了观测研究.结果表明,所采用的方法满足进行旱地农田土壤气体CO₂浓度廓线研究的要求;在0～30cm土层中,上层土壤气体中的CO₂向上垂直扩散要比下层土壤快;在作物旺盛生长期,大气CO₂浓度升高200±40μmol·mol^-1使0～30cm土层的土壤气体CO₂浓度显著提高14%±5%(t检验P<0.001).     

黑土稻田CH4与N2O排放及减排措施研究

通过对黑土稻田CH₄和N₂O排放的观测,发现水稻生长季CH₄和N₂O排放量低于全国其它地区稻田.CH₄和N₂O排放之间存在互为消长关系(r=-0.513,P<0.05).但在同样施肥水平条件下,间歇灌溉与长期淹灌相比,CH₄排放明显减少而N₂O略有增加,其相对综合温室效应被大大减少且水稻产量未受影响.为此,间歇灌溉可作为减少稻田温室气体排放的水分管理措施.另外,通过对CH₄和N₂O排放的相关微生物过程探讨,揭示产甲烷菌数与CH₄排放间呈显著性正相关(R²=0.82,P<0.05),硝化菌数和反硝化菌数与N₂O排放有重要关系.     

三江源地区人工草地的生态系统CO2净交换、总初级生产力及其影响因子

为了揭示三江源区垂穗披碱草(Elymus nutans)人工草地生态系统(100°26′-100°41′ E, 34°17′-34°25′ N, 海拔3 980 m)的净生态系统CO₂交换(NEE), 该研究利用2006年涡度相关系统观测的数据分析了该人工草地的NEE, 总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(R_eco)以及R_eco/GPP的变化特征及其影响因子。CO₂日最大吸收值为6.56 g CO₂·m^-2·d^-1, 最大排放值为4.87 g CO₂·m^-2·d^-1。GPP年总量为1 761 g CO₂·m^-2, 其中约90%以上被生态系统呼吸所消耗, CO₂的年吸收量为111 g CO₂·m^-2。5月的R_eco/GPP略高于生长季的其他月份, 为90%; 6月R_eco/GPP比值最低, 为79%。生态系统的呼吸商(Q₁₀)为4.81, 显著高于其他生态系统。该研究表明: 生长季的NEE主要受光量子通量密度(PPFD)、温度和饱和水汽压差(VPD)的影响, 生态系统呼吸则主要受土壤温度的控制。     

不同灌溉措施下春玉米田间N2O和CO2日变化特征及影响因素研究

为探究西辽河平原浅埋滴灌下春玉米田N₂O和CO₂排放通量日变化特征及其影响因素,并确定1天中最佳观测时间。在春玉米吐丝期,采用静态暗箱-气相色谱法研究大水漫灌(CK)和浅埋滴灌(DG)处理N₂O和CO₂日排放动态变化特征,并分析其与土壤温度和湿度相关性。结果表明,在浅埋滴灌和大水漫灌两种灌溉方式下N₂O和CO₂排放具有明显的日变化特征,日变化趋势与大气温度变化相似,呈单峰型排放曲线,排放峰值均出现在观测当天大气温度达到最高值后2小时左右。大水漫灌N₂O和CO₂日排放通量均值分别为199.21μg·m^-2·h^-1、217.77 mg·m^-2·h^-1;浅埋滴灌N₂O和CO₂日排放通量均值分别为235.82μg·m^-2·h^-1、253.54 mg...     

极端干旱条件下锡林河流域羊草草原净生态系统碳交换特征

采用涡度相关法对2005年生长季内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原净生态系统交换(Net ecosystem exchange, NEE)进行了观测。观测结果表明:作为生长季降雨量仅有126 mm的干旱年,锡林河流域羊草草原生态系统受到强烈的干旱胁迫,其净生态系统碳交换的日动态表现为具有两个吸收高峰,净吸收峰值出现在8∶00和18∶00左右。最大的CO₂吸收率为-0.38 mg CO₂·m^-2·s^-1,出现在6月底,与丰水年相比生态系统最大CO₂吸收率下降了1倍。就整个生长季而言,不管是白天还是晚上2005年都表现为净CO₂排放,整个生长季CO₂净排放量为372.56 g CO₂·m^-2,是一个明显的CO₂源。土壤含水量和土壤温度控制着生态系统CO₂通量的大小,尤其是在白天,CO₂通量和土壤含水量的变化呈现出显著的负相关关系,和土壤温度表现为正相关关系。     

不同水生植物对景观水体CO2与CH4排放通量的影响

城市景观水体是大气CO₂与CH₄的排放热源,而水生植物作为景观水体的重要组成要素,对水体温室气体排放动态的影响并不清楚。选择重庆市观音塘国家湿地公园为研究区,利用漂浮箱法与顶空平衡法对观音塘水域7种不同水生植物分布区进行水-气界面CO₂与CH₄排放通量及CO₂、CH₄溶存浓度进行季节性监测,估算了植物传输对气体通量的贡献。结果表明：1)观音塘水体CO₂与CH₄浓度范围分别为8.0—341.8μmol/L和0.23—5.26μmol/L,排放通量分别为26.5—869.1 mmol m^-2 d^-1和0.40—11.15 mmol m^-2 d^-1,是大气净CO₂与CH₄排放源;2)观音塘开敞水区CO₂与CH₄排放通量低于大部分城市湖泊或景观水体...     

开放式空气CO2增高对稻田CH4和N2O排放的影响

在FACE(free-aircarbondioxideenrichment)平台上,采用静态暗箱气相色谱法观测研究了大气CO₂浓度增加对稻田CH₄和N₂O排放的影响.结果表明,在150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下大气CO₂浓度增加200μmol·mol^-1均明显促进水稻生长,水稻生物量积累.大气CO₂浓度增加对150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下稻田CH₄排放均无显著影响,并简要分析了与现有文献报道结果不一致的原因.大气CO₂浓度增加也未导致150和250kgN·hm^-2两种氮肥水平下稻田N₂O排放的明显变化,与大多数研究结果一致.     

施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO2通量和活性有机碳库的影响

于2012年7月—2013年7月,在浙江省临安市典型板栗林样地采用静态箱-气相色谱法测定了施用竹叶生物质炭后板栗林土壤CO₂排放速率及土壤温度、含水量、水溶性有机碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)含量变化.结果表明： 板栗林土壤CO₂排放通量呈现显著的季节性变化特征.在试验的第1个月中,生物质炭处理土壤CO₂排放通量显著高于对照(无生物质炭),但之后无显著差异;生物质炭处理的土壤CO₂通量年均值和年累积排放量与对照相比无显著差异.生物质炭处理土壤MBC含量年均值(362 mg·kg^-1)显著高于对照(322 mg·kg^-1),而土壤WSOC年均值无显著差异.土壤CO₂排放通量与不同土层土壤温度之间均具有显著相关性;生物质炭处理的土壤呼吸温度敏感系数Q₁₀值显著高于对照;土壤CO₂排放通量与WSOC含量之间具有显著相关性,而与土壤含水量和MBC含量均无显著相关性.综上所述,施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO₂年累积排放量无显著影响,但增加了土壤Q₁₀值;土壤温度和WSOC含量是影响板栗林土壤CO₂排放的主要因素.     

施肥对板栗林土壤CO2通量的影响

2011年6月-2012年6月,在浙江省临安市典型板栗林样地布置施肥试验,研究板栗林土壤CO₂通量与环境因子的关系.试验设置不施肥(对照)、施无机肥、有机肥及有机无机混合肥(1/2无机肥 + 1/2有机肥)4个处理.利用静态箱法测定土壤CO₂排放速率,以及土壤温度、含水量和水溶性有机碳(WSOC)含量.结果表明: 板栗林中土壤CO₂排放呈现显著的季节性变化特征,最小值均出现在2月,最大值均出现在7、8月.施用无机肥、有机肥和有机无机混合肥的土壤年累积CO₂通量比对照分别增加29.5%、47.0% 和50.7%.施用无机肥的土壤WSOC含量(105.1 mg·kg^-1)显著高于对照(76.6 mg·kg^-1),但明显低于有机肥(133.0 mg·kg^-1)和混合肥处理(121.17 mg·kg^-1).无机肥、有机肥和混合肥处理的土壤呼吸Q₁₀值(1.75、1.49和1.57)均高于对照(1.47).土壤CO₂排放速率与土壤5 cm温度、WSOC含量之间呈极显著正相关,但与土壤含水量没有明显的相关性.施肥导致土壤WSOC含量增加可能是板栗林地土壤CO₂排放速率增加的原因之一.     

加气灌溉对不同施氮水平的设施甜瓜土壤CO2和N2O排放的影响

为探讨不同加气灌溉施氮模式下设施甜瓜土壤CO₂和N₂O排放的动态变化规律及其与土壤温度、湿度的关系,本研究采用密闭静态箱-气相色谱法对加气灌溉不同施氮水平下土壤CO₂和N₂O排放进行监测,并分析了加气灌溉对不同施氮量下土壤CO₂和N₂O排放的影响.试验采用加气灌溉(AI)和不加气灌溉(CK)两种灌溉方式,施氮量设不施氮(N₁)、传统施氮量的2/3(150 kg·hm^-2,N₂)和传统施氮量(225 kg·hm^-2,N₃)3个施氮水平.结果表明:加气灌溉土壤CO₂和N₂O排放量高于不加气灌溉处理,但是差异不显著;相同灌溉模式下,CO₂和N₂O排放量随施氮量的增加而显著增加,施氮量是土壤CO₂和N₂O排放的主要影响因素.加气灌溉条件下,不同施氮处理N₂O排放通量与土壤温度和湿度呈显著正相关,CO₂排放通量与土壤温度呈显著正相关.加气减氮处理在氮肥减少1/3的情况下,甜瓜产量提高了6.9%,温室气体排放引起的增温潜势值从9544.82 kg·hm^-2下降到9340.72 kg·hm^-2.综上,通过加气灌溉减少氮肥施用量来抑制农业生产系统中温室气体排放是可行的.     

大气CO2浓度升高对稻田土壤氮素的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon=Dioxide Enrichment)试验平台,研究大气CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1(周围大气中CO₂浓度约370 μmol·mol^-1)对稻季各生育期不同深度土壤溶液NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度的影响.结果表明：高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH₄⁺-N浓度在水稻生育前期有所增加,但在生育后期明显下降;大气CO₂浓度升高增加了稻季5、15、30、60和90 cm处土壤溶液NO₃^--N浓度,分别比对照平均提高了46.5%、36.8%、23.3%、103.7%和42.7%,在60和90 cm处差异分别达到统计上的极显著和显著水平.     

CO2排放承载力计算模型的构建与应用

针对现有生态足迹未考虑CO₂排放承载力的问题,从碳吸收角度将净初级生产力与生态足迹法相结合,构建了CO₂排放承载力计算模型,据此对吉林省近15年的CO₂排放承载力进行了动态分析。结果显示,1994～2008年,吉林省人均CO₂排放承载力从2.0345hm²减少到1.9504hm²,呈先升后降波动变化趋势。在CO₂排放承载力构成中,林地、耕地、草地是主体,三者合计占89.54%～94.43%;草地变化最大,从0.5692hm²减少到0.1857hm²,降幅达67.38%;低生产力土地面积和草地面积均与人均CO₂排放承载力呈极显著相关(R²=-0.806、0.716),低生产力土地扩张和草地退化是人均CO₂排放承载力下降的主要影响因素。研究表明,CO₂排放承载力模型反映了自然环境对能源废弃物的消纳能力,符合区域资源禀赋的实际情况。     

呼伦贝尔地区贝加尔针茅草甸草原土壤CO2排放特征

采用Li-8150多通道土壤碳通量自动观测系统,于2009年6月—2010年6月对呼伦贝尔地区贝加尔针茅草甸草原土壤呼吸进行连续野外观测,分析该地区土壤CO₂通量排放特征.结果表明: 生长季内贝加尔针茅草甸草原土壤呼吸日动态呈单峰曲线,最高值出现在13:00—15:00,最低值出现在5:00—6:00,土壤呼吸呈明显的季节变化,与土壤温度和土壤含水量季节动态相吻合.土壤呼吸与各层土壤温度和土壤含水量关系可以用线性模型和指数-乘幂模型来表示;土壤呼吸与各层土壤温度呈显著的指数回归关系,Q₁₀变化范围分别为1.68～2.14和3.03～3.60,非生长季土壤温度对土壤呼吸的影响更为显著;生长季内土壤呼吸与10 cm土壤含水量呈显著正相关.2009和2010年土壤CO₂年排放量分别为488.47和507.20 g C·m^-2·a^-1,生长季排放量约占年排放量的90%.     

开垦对黄河三角洲湿地净生态系统CO2交换的影响

近年来, 由于对湿地的不合理利用, 自然湿地被大面积地垦殖为农田, 导致湿地生态系统碳循环的模式发生改变, 从而影响了湿地生态系统碳汇功能。该研究通过涡度相关法, 对山东省东营市黄河三角洲芦苇(Phragmites australis)湿地和开垦多年的棉花(Gossypium spp.)农田的净生态系统CO₂交换(NEE)进行了对比观测, 以探讨该地区典型生态系统NEE的变化规律及其影响因子, 揭示开垦对芦苇湿地NEE和碳汇功能的影响。结果表明: 在生长季, 湿地和农田生态系统NEE的日平均值各月均呈明显的“U”型变化曲线, 非生长季NEE的变幅很小。生长季湿地生态系统日最大净吸收值和释放值分别为16.04 g CO₂·m^-2·d^-1(8月17日)和14.95 g CO₂·m^-2·d^-1(8月9日); 农田生态系统日最大净吸收值和释放值分别为18.99 g CO₂·m^-2·d^-1 (8月22日)和12.23 g CO₂·m^-2·d^-1 (7月29日)。生长季白天两个生态系统NEE与光合有效辐射(PAR)之间呈直角双曲线关系; 非生长季NEE主要受土壤温度(T_s)的影响; 生态系统生长季夜间NEE受T_s和土壤含水量(SWC)的共同影响; 湿地和农田的生态系统呼吸熵(Q₁₀)分别为2.30和3.78。2011年生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的汇, 总净固碳量分别为780.95和647.35 g CO₂·m^-2, 开垦降低了湿地的碳吸收能力; 而在2011年非生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的源, CO₂总释放量分别为181.90和111.55 g CO₂·m^-2。全年湿地和农田生态系统总净固碳量分别为599.05和535.80 g CO₂·m^-2。     

改变凋落物输入对杉木人工林土壤呼吸的短期影响

从2007年1月至12月, 在长沙天际岭国家森林公园, 通过改变杉木林凋落物输入, 研究杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林群落去除凋落物、加倍凋落物土壤呼吸速率及5 cm土壤温、湿度的季节变化。结果表明: 去除和加倍凋落物对土壤温度和湿度产生的差异不显著(p>0.05), 对土壤呼吸全年产生的差异接近显著(Marginal significant)(p=0.058)。按植物生长期分别分析, 去除和加倍凋落物对土壤呼吸产生的差异, 在生长旺盛期差异显著(p=0.003), 在生长非旺盛期差异性不显著(p=0.098)。去除凋落物年均土壤呼吸速率为159.2 mg CO₂·m^-2·h^-1, 比对照处理土壤呼吸速率(180.9 mg CO₂·m^-2·h^-1)低15.0%, 加倍凋落物的土壤呼吸为216.8 mg CO₂·m^-2·h^-1, 比对照处理高17.0%。去除和加倍凋落物土壤呼吸季节动态趋势与5 cm深度土壤温度相似, 它们之间呈显著指数相关, 模拟方程分别为: y=27.33e^{0.087 2t}(R²=0.853, p＜0.001), y=37.25e^{0.088 8t}(R²=0.896, p＜0.001)。去除和加倍凋落物的Q₁₀值分别为2.39和2.43, 均比对照2.26大。去除和加倍凋落物土壤呼吸与土壤湿度之间关系不显著(p>0.05)。这一结果使我们能够在较短时间内观察到改变凋落物输入对土壤呼吸的影响, 证明凋落物是影响土壤CO₂通量的重要因子之一。     

泉州湾红树林湿地土壤CO2通量周期性变化特征

福建泉州湾红树林湿地生态系统所处地属正规半日潮,为新近栽植的人工修复林带.采用Li-840便携式土壤二氧化碳分析仪测定主要红树群落土壤CO₂排放通量,研究土壤CO₂通量周期性变化特征.结果表明: 泉州湾红树林处于幼林期,其土壤CO₂通量较小;早、晚潮潮间期,秋茄和桐花树群落土壤CO₂浓度和通量随退潮时间变化趋势基本一致;泉州湾红树林湿地土壤CO₂浓度和通量分别为557.08～2211.50 μmol·mol^-1和-0.21～0.40 μmol·m^-2·s^-1,早、晚潮潮间期和晚、早潮潮间期CO₂通量平均值分别为0.26和-0.01 μmol·m^-2·s^-1;对于同一退潮时刻,早、晚潮潮间期CO₂通量大于晚、早潮潮间期.早、晚潮潮间期CO₂通量与对应的即时CO₂浓度呈“钟”型变化,CO₂通量随CO₂浓度的增加呈先增加后降低的趋势,近似高斯分布,据此可建立该系统土壤CO₂通量与CO₂即时浓度的数学模型.     

青海湖北岸草甸草原CO2通量年际动态及其驱动机制

青藏高原草甸草原是生态系统中重要的植被类型,准确评估高寒草甸草原生态系统碳源汇状况及碳储量变化尤为重要。基于涡度相关系统观测,分析了2009年至2016年8年期间青海湖北岸草甸草原环境因子以及碳通量的变化特征,运用结构方程模型(SEM)分析环境因子对总初级生产力(GPP)、净生态系统CO₂交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)的调控机制。结果表明：2009—2016年8年NEE日均值在-2.02—0.88 gC m^-2 d^-1之间,5—9月NEE为负值,表现为碳吸收,雨热同期的6、7、8月是CO₂净吸收最强的时期,平均每月吸收CO₂ 39.85 gC m^-2 month^-1,NEE负值日数约占全年的48%,10月—翌年4月为正值,表现为碳释放,初春3月和秋末11月是CO₂净释放最强的时期;Re日均值为1.69 gC m^-2 d^-1,受季节温度的影响,呈夏季强,冬季弱的态...     

基于光谱法-图像灰度法高通量筛选高效固定CO2的苯甲酸脱羧酶*

目的:苯甲酸脱羧酶能够催化羧化反应固定CO₂,为了获得高效的苯甲酸脱羧酶,需要利用高通量分子克隆与突变体筛选系统对产生的大量突变体进行筛选,因此建立、开发高效的筛选评价方法对于获得高羧化效率的突变体至关重要。方法:利用2,3-二羟基苯甲酸脱羧酶催化邻苯二酚固定CO₂的反应体系,建立了光谱法-图像灰度法高通量筛选和评价固定CO₂的苯甲酸脱羧酶突变体。利用分光光度法在308 nm快速定量羧化产物2,3-二羟基苯甲酸。同时利用高效液相色谱(HPLC)法对分光光度法的测定结果进行了校正,确定了分光光度法估算的2,3-二羟基苯甲酸浓度与HPLC方法测定的准确浓度之间具有良好的线性关系(R² = 0.996)。利用HPLC-分光光度法的相关性可以获得实际样品中准确的2,3-二羟基苯甲酸浓度。利用Image J软件获得蛋白质标准品和突变体的灰度均值,根据灰度法定量蛋白质标准品的标准曲线计算突变体的蛋白质表达量。利用单位酶量催化邻苯二酚获得2,3-二羟基苯甲酸的浓度比较突变体的催化活性。结果:纯酶和粗酶体系下HPLC法测定的2,3-二羟基苯甲酸浓度与分光光度法测定的吸光度值的关系分别为C₁=0.500A₁-0.010(R² = 0.996)和C₂=1.458A₂+0.431 9(R² = 0.991)。从13个突变体中获得了两个正向突变体,羧化活性分别是WT的3.5倍和1.7倍。结论:基于光谱法-图像灰度法可以实现高通量筛选固定CO₂的苯甲酸脱羧酶,该方法可用于具有相似功能的苯甲酸脱羧酶对其他取代基的酚类和水杨酸类似物的底物选择性筛选。