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。     

植物的臭氧污染胁迫效应研究进展

近地面空气中的臭氧(O₃)属于二次污染物,是由氮氧化物(NO_x)和挥发性有机物(VOCs)等前体物在一定的环境条件下形成的。近年来,全球受O₃污染的区域增加,污染程度也日趋严重。O₃污染对植物的危害引起了国内外研究人员的广泛关注。众多研究发现,不同植物对O₃的敏感性不同,其大小主要取决于植物自身的特性及环境因素;O₃污染降低植物的净同化作用,减缓植物生长,改变同化物的分配,可对物种间的相互关系以及生态系统结构产生深远影响。该文在综述了国内外研究进展的基础上,提出我国在O₃污染研究领域应深入研究以下几个方面:1)选育具有对O₃污染抗性较强的植物尤其是作物品种;2)深入研究减轻O₃污染对植物危害的栽培管理措施;3)加强研究O₃污染对我国自然生态系统的影响;4)研究植被在治理O₃污染中的积极作用。     

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(CO₂)和臭氧(O₃)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。CO₂浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力, 而O₃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CO₂/O₃-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。     

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。     

城市植物挥发性有机化合物排放与臭氧相互作用及其机制

近地面臭氧(O₃)已成为继PM_2.5后影响我国空气质量的一种重要二次污染物。随着氮氧化物浓度的持续下降和气候变暖的加剧,城市O₃的形成对挥发性有机化合物的浓度更加敏感。近年来城市绿色空间显著增长,植物源挥发性有机化合物(BVOCs)排放和浓度逐年增加。针对BVOCs与近地面O₃之间复杂的交互作用,从植物BVOCs的特性与作用出发,综述了不同因素尤其是O₃浓度增加对树木生理状态及BVOCs排放速率的影响,定量分析了已有研究中O₃对不同植物异戊二烯和单萜烯排放速率的影响,以及BVOCs对O₃形成的贡献,总结了BVOCs与O₃相互作用研究领域存在的不足。未来亟需加强的研究包括：(1)城市树种BVOCs排放因子的实测,建立物种的排放速率数据库,优化模型参数,提升精细尺度BVOCs排放量估算模型精度;(2)多种环境因子,比如污染物浓度、温湿度等对城市植物BVOCs排放的交互作用和综合影响的研究;(3)植物BVOCs对O     

四种常见树木叶片光合模型关键参数对臭氧浓度升高的响应

随着城市化进程的加快, 臭氧(O₃)已经成为中国夏季首要大气污染物。已有研究表明O₃通过气孔进入叶片显著抑制光合作用, 影响陆地生态系统碳水循环过程。但是O₃浓度升高对植物光合和气孔导度模型关键参数影响的研究仍然缺乏。该研究利用开顶式气室, 设置两个O₃处理(CF, 过滤空气; E-O₃, 未过滤空气+ 60 nmol·mol^-1 O₃), 选用4种常见的树木(茶(Camellia sinensis)、复叶槭(Acer negundo)、栾树(Koelreuteria paniculata)和蒙古栎(Quercus mongolica)), 通过测定叶片气体交换参数, 探究O₃浓度升高对植物光合和气孔导度模型关键参数的影响。结果表明: O₃浓度升高显著降低了4种植物的饱和光合速率和光合生化模型参数叶肉导度, 但是O₃对光合生化模型参数最大羧化速率和最大电子传递速率的负效应在不同树种间存在差异。此外, 不同植物气孔导度对O₃的响应也存在差异。通过对最优化气孔导度模型进行参数化, 结果表明O₃显著提高了蒙古栎和复叶槭的斜率参数(g₁), 并显著增加了茶的气孔导度模型截距参数(g₀), 但降低了复叶槭的g₀。在不同O₃处理下4种树木的内源水分利用效率与g₁呈显著线性负相关关系。综上所述, O₃浓度升高显著影响光合生化和气孔导度模型关键参数。     

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。     

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...     

大气二氧化碳和臭氧浓度升高对植物挥发性有机化合物排放影响的研究进展

对流层大气中CO₂和O₃浓度变化可对植物挥发性有机化合物(VOCs)的排放产生一定影响,而植物VOCs具有很高的化学活性,可影响低层大气的化学组成,促进光化学污染的形成,对温室效应和全球变化具有潜在的影响.文中总结了大气CO₂和O₃浓度单独及复合作用对植物VOCs排放规律的影响,并对今后植物VOCs排放规律及多重环境胁迫下城市树木VOCs释放机制的研究进行了展望.     

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。     

地表臭氧浓度升高与干旱交互作用对杨树非结构性碳水化合物积累和叶根分配的短期影响

人类活动加剧和全球变化导致植物在生长季同时受到高浓度地表臭氧(O₃)和干旱的双重胁迫。为了探究两者对植物非结构性碳水化合物(TNC)积累和分配的影响, 该实验采用开顶式气室研究了2种O₃浓度(CF, 过滤空气; NF40, NF (未过滤空气) + 40 nmol·mol ^-1 O₃)和2个水分处理(对照, 充分灌溉; 干旱, 非充分灌溉)及其交互作用对杨树基因型‘546’ (Populus deltoides cv. ‘55/56’ × P. deltoides cv. ‘Imperial’)叶片和细根中TNC及其组分(葡萄糖、果糖、蔗糖、多糖、总可溶性糖和淀粉)含量的影响。结果表明: O₃浓度升高显著降低杨树叶片中淀粉和TNC的含量, 增加葡萄糖、果糖和总可溶性糖含量, 但对细根中淀粉和总可溶性糖含量的影响不显著。干旱胁迫显著增加细根中果糖和多糖含量, 降低蔗糖含量, 但对叶片中淀粉和总可溶性糖含量的影响不显著。充分灌溉下O₃浓度升高显著增加了杨树叶片多糖和总可溶性糖含量, 而干旱下O₃浓度升高显著增加了TNC含量的根叶比。该研究结果发现O₃主要影响叶片中TNC及各组分的含量, 而干旱主要影响细根中TNC及各组分的含量。从杨树叶片TNC的响应来看, 适度的水分限制有助于减缓O₃的负面伤害。     

大气臭氧浓度升高对银杏叶片活性氧代谢及相关基因表达的影响

采用开顶式气室熏蒸法,设置自然条件下臭氧(O₃)浓度(对照,约40 nmol·mol^-1)、80、160及200 nmol·mol^-14个臭氧浓度,观测了不同浓度臭氧条件下银杏叶片可见伤害、活性氧生成量、抗氧化酶活性及相关基因表达变化情况,分析大气臭氧浓度升高对植物活性氧代谢的影响.结果表明: 160和200 nmol·mol^-1 O₃熏蒸明显伤害银杏叶片,80 nmol·mol^-1与对照无差异,无可见伤害.O₃处理20 d后,160和200 nmol·mol^-1条件下银杏叶片的超氧自由基(O₂^-·)产生速率显著高于80 nmol·mol^-1和对照,而80 nmol·mol^-1与对照无差异;O₃处理40 d后,160和200 nmol·mol^-1熏蒸下叶片过氧化氢(H₂O₂)含量显著高于80 nmol·mol^-1和对照,而过氧化氢酶(CAT)活性显著高于80 nmol·mol^-1和对照,各臭氧处理抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均低于对照.熏蒸40 d后,CAT、APX基因的转录表达持续加强;防御素(GbD)的表达强度则随着臭氧浓度的增加及熏蒸时间的延长而呈显著加强.高浓度臭氧胁迫可使银杏叶片活性氧生成量增加、抗氧化酶活性下降、相关基因表达水平上调,有明显可见叶片伤害.     

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。     

高浓度O3对城市蒙古栎凋落叶分解和养分释放的影响

采用开顶箱(OTCs)模拟法和分解袋法,以O₃自然浓度(40 nmol·mol^-1)为对照,研究高浓度O₃(约120 nmol·mol^-1)对城市自然环境下生长的10年生蒙古栎凋落叶分解和养分释放的影响,分解时长达150 d.结果表明：高浓度O₃未对蒙古栎凋落叶的分解产生显著影响.高浓度O₃抑制了蒙古栎凋落叶C、K释放,分解150 d,高浓度O₃处理K残留率为23.9%,显著高于对照(17.1%).高浓度O₃在分解前期(0～60 d)抑制了凋落叶N、木质素的释放,在分解后期(60～150 d)起促进作用.高浓度O₃处理与对照木质素/N变化趋势一致且无显著差异.除分解中期(60 d)外,对照P残留率始终高于高浓度O₃处理.C/P变化趋势与P相反,在整个分解过程中,高浓度O₃处理C/P高于对照,而且C、N、K残留率以及C/N与凋落叶干质量剩余率呈显著正相关.因此,高浓度O₃将对蒙古栎林的营养循环产生一定影响.