大气CO2增加对陆地生态系统微量气体地气交换的影响

简要综述了近年来国内外在大气CO₂浓度增加对微量气体交换影响方面的研究进展.首先介绍了有关大气CO₂浓度增加的研究技术和方法,比较了目前两种常用技术开顶箱(OTC)和开放式空气CO₂增加(FACE)方法的优缺点,然后着重阐述了用OTC和FACE研究陆地生态系统CH₄、N₂O、CO₂等微量气体的地气交换对大气CO₂浓度增加的响应.综合现有的资料表明,大气CO₂浓度增加,会促进绿色植物生物量增加,同时改变生物质的C/N比,降低有机质的分解速率,增强了陆地生态系统对大气CO₂的固持作用;大气CO₂浓度增加会提高产甲烷菌的活性和影响CH₄的排放过程,有可能导致湿地生态系统CH₄的排放增加;大气CO₂浓度增加对N₂O排放影响的研究较少,且尚无一致的结论.另外,对于其他微量气体,尚没有相关研究报道.鉴于此,今后应加强大气CO₂浓度增加的微量气体地气交换响应研究.     

FACE实验技术和方法回顾及其在全球变化研究中的应用

化石燃料的燃烧和城市化进程的加快导致大气中二氧化碳(CO_2)和臭氧(O_3)浓度日益升高,大气气体浓度的变化会对植物个体和陆地生态系统结构与功能产生影响。CO_2浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力,而O_3导致作物减产和生态系统固碳损失。自由空气中气体浓度增加(FACE)系统是最接近自然的一种模拟大气气体浓度增加对生态系统影响的研究平台,已广泛应用于各种生态系统,为理解陆地生态系统生态过程对全球变化的响应及评估未来情景的生态风险提供了重要科学依据。该文从FACE技术特点出发,介绍了国内外建成的大型CO_2/O_3-FACE系统,分析了FACE系统的不同布气方式在不同生态系统研究过程中的优点与缺点,概述了全球FACE运行的现状和取得的主要成果,并指出了FACE系统存在的主要问题和前沿研究方向。     

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.     

大气CO2和O3浓度升高对水稻根际土壤胞外酶活性的影响

大气二氧化碳(CO₂)和臭氧(O₃)浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者，其活性对于大气CO₂和O₃浓度升高的响应特征及驱动机制研究，以及应对并缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究采用开顶式气室(OTCs)分别模拟大气CO₂浓度升高(环境大气+200μmol·mol^-1,eCO₂)、大气O₃浓度升高(环境大气+0.04μmol·mol^-1,eO₃)及其交互处理(环境大气+200μmol·mol^-1 CO₂+0.04μmol·mol^-1 O₃,eCO₂+eO₃),探究水稻根际土壤胞外酶活性对大气CO₂和O₃浓度升高的响应。结果表明：与对照(环境...     

Impacts of elevated carbon dioxide concentration on terrestrial ecosystems: problems and prospective

理解生态系统对过去、现在和未来CO₂浓度变化的响应,对于在生态进化的时间尺度上认识和预测全球变化的后果至关重要。过去三十多年来CO₂浓度升高相关的科学问题主要集中在对植物生长和生产力的影响, 碳氮周转, 生态系统渐进式氮限制(PNL)形成, 与其他胁迫因子(O₃污染、氮沉降、升温、干旱)之间的交互作用等方面。尽管生态学家在数据累积、基础理论上取得了一定进展, 但是仍然存在较大不确定性和大量未知有待解决。该文探究了近30年来CO₂浓度升高对陆地生态系统影响研究的国际研究进展、重点领域及热点, 回顾了CO₂浓度升高对植物影响的模拟实验研究发展, 重点论述了CO₂浓度升高对粮食产量及品质、碳固定、水分利用效率、生态系统氮利用和土壤微生物响应等国际前沿动态研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来研究中值得关注的前沿研究方向。     

地表臭氧浓度升高对陆地生态系统影响的研究进展

浓度不断升高的地表臭氧(O₃)已成为全球性环境问题, 中国也不例外。目前, 高浓度O₃对叶片光合气体交换、植物生长或生物量的影响已备受关注, 但有关O₃对生态系统层次的研究还相对稀缺且存在较大的不确定性。该文梳理了近40年来地表O₃浓度及其影响相关领域的发展趋势和研究热点, 回顾了地表O₃浓度升高对植物影响的研究手段和评估方法, 综述了地表O₃浓度升高对陆地生态系统影响方面取得的重要进展, 主要包括植物应对O₃胁迫的响应机制、地表O₃对粮食产量和作物品质、生态系统固碳能力、群落结构和地下过程的影响及地表O₃污染区域风险; 此外, 针对目前研究的不足, 对未来研究进行了展望。建议利用先进的完全开放式O₃熏蒸系统模拟O₃浓度升高对生态系统影响的同时加强对地下生态过程的研究, 开展O₃与其他环境因子的复合作用研究; 关注O₃污染对粮食安全的影响; 开展联网研究, 建立统一评价体系; 探索减缓地表O₃污染的生态防控措施; 以期为地表O₃污染生态效应领域的发展提供助力。     

Progress in the effects of elevated ground-level ozone on terrestrial ecosystems

浓度不断升高的地表臭氧(O₃)已成为全球性环境问题, 中国也不例外。目前, 高浓度O₃对叶片光合气体交换、植物生长或生物量的影响已备受关注, 但有关O₃对生态系统层次的研究还相对稀缺且存在较大的不确定性。该文梳理了近40年来地表O₃浓度及其影响相关领域的发展趋势和研究热点, 回顾了地表O₃浓度升高对植物影响的研究手段和评估方法, 综述了地表O₃浓度升高对陆地生态系统影响方面取得的重要进展, 主要包括植物应对O₃胁迫的响应机制、地表O₃对粮食产量和作物品质、生态系统固碳能力、群落结构和地下过程的影响及地表O₃污染区域风险; 此外, 针对目前研究的不足, 对未来研究进行了展望。建议利用先进的完全开放式O₃熏蒸系统模拟O₃浓度升高对生态系统影响的同时加强对地下生态过程的研究, 开展O₃与其他环境因子的复合作用研究; 关注O₃污染对粮食安全的影响; 开展联网研究, 建立统一评价体系; 探索减缓地表O₃污染的生态防控措施; 以期为地表O₃污染生态效应领域的发展提供助力。     

臭氧污染与陆地生态系统生产力

空气污染的严重性、普遍性和不断发展的趋势及其对陆地生态系统生产力造成的重大影响已引起科学工作者的高度重视,成为一个急需解决的重要课题。对流层臭氧(O₃)在空气污染现状与未来发展趋势中占据重要角色,该文重点探讨了O₃对陆地生态系统生产力的光合、分配、生长和产量形成等主要过程的影响及其对整个生态系统的长期效应,并评述了相关研究方法进展。主要结论包括:O₃在生产力形成过程中的每个环节中都有着不同程度的负面影响,通过影响光合作用和气孔导度,减少根冠比改变碳分配量,而最终导致粮食生产和森林生物量损失率高达30%;气候变化、CO₂和O₃协同作用对植物影响较为复杂,有促进也有抑制;生态系统模拟已成为研究O₃污染影响陆地生态系统生产力的主要方法之一,在区域评估和未来气候预测方面都具有重要作用。     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

Global change and ecosystems research progress and prospect

全球变化与生态系统研究是一个宏观与微观相互交叉、多学科相互渗透的前沿科学领域, 重点研究生态系统结构和功能对全球变化的响应及反馈作用, 其目标是实现人类对生态系统服务的可持续利用。《植物生态学报》的《全球变化与生态系统》专辑在对国内外全球变化研究进行历史回顾和综合分析的基础上, 总结了全球变化与生态系统研究的阶段性重大进展及存在的主要问题, 并对全球变化研究的前沿方向进行展望和建议。根据研究内容和对象, 该专辑系统地综述了不同全球变化因子, 包括CO₂和O₃浓度升高、气候变暖、降水格局改变、氮沉降增加、土地利用变化等对陆地植物生理生态、群落结构及生态系统功能等的影响以及全球变化对海洋生态系统的影响; 探讨生态系统关键过程以及生物多样性的变化; 在明确全球变化生态效应的基础上, 阐明这些影响对气候和环境变化的反馈机制, 为构筑全球变化的适应对策提供生态学理论基础。     

全球变化与生态系统研究现状与展望

全球变化与生态系统研究是一个宏观与微观相互交叉、多学科相互渗透的前沿科学领域, 重点研究生态系统结构和功能对全球变化的响应及反馈作用, 其目标是实现人类对生态系统服务的可持续利用。《植物生态学报》的《全球变化与生态系统》专辑在对国内外全球变化研究进行历史回顾和综合分析的基础上, 总结了全球变化与生态系统研究的阶段性重大进展及存在的主要问题, 并对全球变化研究的前沿方向进行展望和建议。根据研究内容和对象, 该专辑系统地综述了不同全球变化因子, 包括CO₂和O₃浓度升高、气候变暖、降水格局改变、氮沉降增加、土地利用变化等对陆地植物生理生态、群落结构及生态系统功能等的影响以及全球变化对海洋生态系统的影响; 探讨生态系统关键过程以及生物多样性的变化; 在明确全球变化生态效应的基础上, 阐明这些影响对气候和环境变化的反馈机制, 为构筑全球变化的适应对策提供生态学理论基础。     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

Interactive effects of ozone and drought stress on plants: A review

Ground-level ozone (O₃) and drought are two key factors limiting plant growth. O₃ can enter into the plant tissue through the stomata, then causing the formation of reactive oxygen species (ROS) which inspires programmed cell death. Drought usually induces the accumulation of ROS due to damage to antioxidant systems of plants. The effects of two kinds of stress on plants are similar due to the accumulation of ROS, resulting in reduced photosynthesis rate and physiological metabolism, eventually decreased plant growth and biomass. Nevertheless, O₃ and drought interacts synergistically to accumulate detrimental effects or antagonistically to reduce harmful effects. Actually, it is complex interactive process between O₃ and drought. On the one hand, O₃ triggers stomatal sluggishness or even dysfunction, which exacerbates water transpiration of leaves, water loss from plants and further O₃ phytotoxicity. On the other hand, drought induces stomatal closure, and thus protecting plants against the O₃ influx and evaporation of water. However, prolonged drought could limit the uptake of CO₂ and thus result in reduced plant growth. The response of plants to both O₃ and drought not only depends on the occurring sequence and duration of any factor but also rely on the difference in physiological metabolism of the plant itself. The interactive effects of O₃ and drought on stomatal characteristics, photosynthetic carbon mechanism, antioxidant response and growth development are reviewed in this paper and the aspects to be further studied are also suggested.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台, 采用稳定¹³C同位素技术, 通过将小麦(C₃作物)种植于长期单作玉米(C₄作物)的土壤上, 研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO₂的δ¹³C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放CO₂的δ¹³C值随作物生长逐渐降低, CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm^-2, HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm^-2, LN)土壤排放CO₂的δ¹³C值, 显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO₂浓度下为24%～48%(HN)和21%～48%(LN), 在正常CO₂浓度下为20%～36% (HN)和19%～32%(LN). 不同CO₂浓度下土壤排放CO₂的δ¹³C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO₂浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.