农业废弃物分解产生CO2的影响因素研究

在正交预备试验得出有机废弃物分解产生CO2适宜条件的基础上,逐一进行单因子试验,以获得利用农业废弃物分解产生的CO2进行棚室栽培CO2施肥的最适发酵条件,结果表明,利用有机废弃物(稻草+猪粪)生物发酵产生CO2的最佳条件分别为：温度50℃、含水量70％、初始pH6．0～7．0．初始C／N比因发酵目的不同有较大变化,以堆肥为目的时为30／1,而以产生CO2为目的时,则以40／1为宜,在4个因素中,初始C／N比和含水量对CO2释放的影响较大,其次是温度,初始pH的影响最小。     

玉米和大豆秸秆还田初期对黑土CO2排放的影响

通过恒温培养试验,研究了不同类型秸秆还田后的土壤CO₂排放特征及其与秸秆C、N含量的关系,以明晰黑土区不同类型秸秆还田后的分解特征,探明还田秸秆的C、N含量对固碳效果的影响.结果表明： 在61 d的培养试验中,土壤CO₂排放速率随时间呈现出“下降 稳定 增大(出现‘较高值’) 下降”的过程.不同类型秸秆还田后土壤CO2排放速率随时间变化的特征存在明显差异,主要体现在“较高值”出现和持续的时间不同.秸秆类型对土壤CO₂累积排放量具有显著影响,前21 d和前61 d的土壤CO2累积排放量对秸秆添加的响应不同.在前21 d,玉米根、玉米茎下部、玉米叶、大豆叶的CO₂累积排放量(约160 μmol·g^-1)显著大于其他秸秆;而除大豆叶外,大豆秸秆61 d的CO₂累积排放量均比玉米秸秆大.前21 d CO₂累积排放量与秸秆含碳量的比值(CR)和秸秆的C/N、含氮量之间均呈显著的线性相关;而61 d的CO₂累积排放量与秸秆的C、N含量之间不存在线性关系.综上,在还田条件下,秸秆类型对土壤CO₂的排放有明显影响;大豆秸秆比玉米秸秆容易分解,但与长时间分解不同,大豆秸秆还田最初阶段的分解速率小于玉米秸秆;秸秆的C/N、含氮量只对还田最初阶段的土壤CO₂排放有较大影响.     

玉米和大豆秸秆还田初期对黑土CO2排放的影响

通过恒温培养试验,研究了不同类型秸秆还田后的土壤CO₂排放特征及其与秸秆C、N含量的关系,以明晰黑土区不同类型秸秆还田后的分解特征,探明还田秸秆的C、N含量对固碳效果的影响.结果表明： 在61 d的培养试验中,土壤CO₂排放速率随时间呈现出“下降 稳定 增大(出现‘较高值’) 下降”的过程.不同类型秸秆还田后土壤CO2排放速率随时间变化的特征存在明显差异,主要体现在“较高值”出现和持续的时间不同.秸秆类型对土壤CO₂累积排放量具有显著影响,前21 d和前61 d的土壤CO2累积排放量对秸秆添加的响应不同.在前21 d,玉米根、玉米茎下部、玉米叶、大豆叶的CO₂累积排放量(约160 μmol·g^-1)显著大于其他秸秆;而除大豆叶外,大豆秸秆61 d的CO₂累积排放量均比玉米秸秆大.前21 d CO₂累积排放量与秸秆含碳量的比值(CR)和秸秆的C/N、含氮量之间均呈显著的线性相关;而61 d的CO₂累积排放量与秸秆的C、N含量之间不存在线性关系.综上,在还田条件下,秸秆类型对土壤CO₂的排放有明显影响;大豆秸秆比玉米秸秆容易分解,但与长时间分解不同,大豆秸秆还田最初阶段的分解速率小于玉米秸秆;秸秆的C/N、含氮量只对还田最初阶段的土壤CO₂排放有较大影响.     

凋落物添加条件下咸水灌溉对风沙土CO2排放及化学性质的影响

沙拐枣作为塔克拉玛干沙漠公路防护林主要优势物种之一,其凋落物在该区域的碳循环过程中具有重要作用。采用室内培养试验测定了沙拐枣凋落物添加后,在25%、50%、75%、100%田间持水量的咸水(SW)和淡水(FW)灌溉条件下,风沙土CO₂排放、土壤有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、pH和电导率(EC)的动态变化。结果表明: 咸水灌溉对土壤CO₂排放具有抑制作用,在4种土壤含水量处理下,淡水灌溉比咸水灌溉的CO₂累积排放量增加1.9%～29.1%;土壤CO₂累积排放量随土壤含水量的增加而升高;在沙拐枣凋落物添加条件下,SOC在前期迅速下降,但后期所有处理SOC均逐渐升高后趋于稳定;培养结束时,各处理DOC含量比培养前提高了41.3%～92.4%;在培养结束时各处理与培养前相比pH升高了0.20～0.35;EC随土壤含水量的增加而升高,培养结束时在4种含水量条件下,咸水灌溉下EC比培养前增加了0.11～0.79 mS·cm^-1,而淡水灌溉下EC比培养前有增有减。土壤CO₂累积排放量与SOC、DOC、pH呈显著正相关,但与土壤含水量相关性不显著。凋落物添加条件下咸水灌溉以及较低的含水量条件均能抑制风沙土CO₂的排放,EC受灌溉水质和土壤含水量的影响较大。     

利用微藻固定烟道气中CO2的实验研究

为获得能适合于烟道气条件下生长的微藻,找到一种高效的温室气体固定的方法,利用配置烟道气(CO₂和O₂的浓度分别为15%和2%)驯化稻田微藻混合试样,分离出对高浓度CO₂条件有很强适应力的微藻ZY-1,并研究了在不同培养条件下微藻ZY-1的生长情况.微藻ZY-1在CO₂浓度从10%～15%的范围内有较高生长力,在CO₂浓度为10%时,生长最好.微藻ZY-1对温度、气体流速、pH值等物理条件也有很宽的适应范围,在温度为25～30.C、流速为0.25～0.75L·min^-1、pH4～6范围内,生长基本稳定.在培养条件为10%CO₂、25.C、pH5.0时,微藻ZY-1的生长率最高,CO₂的固定率平均值为0.397%.可以认为,利用该藻固定烟道气温室气体具有一定的可行性.     

采伐对小兴安岭森林沼泽非生长季土壤温室气体排放的影响

中高纬度地区非生长季温室气体排放对生态系统碳、氮循环具有重要影响,但采伐干扰如何影响森林沼泽非生长季土壤温室气体排放尚不明确.本研究采用静态箱-气相色谱法,观测小兴安岭4种森林沼泽(毛赤杨沼泽、白桦沼泽、落叶松苔草沼泽、落叶松藓类沼泽)不同采伐方式下(对照、择伐45%、皆伐,试验处理已10年)非生长季土壤CO₂、CH₄、和N₂O通量及其相关环境因子(温度、湿度及碳氮含量等),分析采伐干扰对温带森林沼泽非生长季土壤温室气体排放的影响规律及主控因子.结果表明: 采伐干扰10年后,4种森林沼泽土壤CO₂、CH₄和N₂O非生长季平均通量分别在53.08～81.31 mg·m^-2·h^-1、0.09～3.07 mg·m^-2·h^-1和4.07～8.83 μg·m^-2·h^-1,其中,皆伐显著提高毛赤杨沼泽和落叶松藓类沼泽非生长季土壤CO₂、CH₄和N₂O排放量,择伐显著提高白桦沼泽、落叶松藓类沼泽及降低毛赤杨沼泽的CO₂排放量,且显著降低4种森林沼泽CH₄排放量及落叶松苔草沼泽的N₂O排放量;天然森林沼泽非生长季土壤CO₂排放受土壤温度、有机碳含量及C/N调控,CH₄受土壤温度、有机碳含量调控,N₂O受气温、土壤pH调控,采伐增加了CO₂排放与气温、土壤含水量及积雪深度的相关性,增加了CH₄排放与气温、土壤含水量、C/N的相关性,增加了N₂O排放与土壤全氮和C/N的相关性;温带天然森林沼泽非生长季土壤CO₂、CH₄和N₂O的年贡献率分别为33.2%～46.5%、6.3%～9.1%和61.5%～68.3%,皆伐提高了白桦沼泽和落叶松藓类沼泽CO₂年贡献率和除落叶松藓类沼泽外其他样地的N₂O年贡献率,择伐提高了落叶松苔草沼泽、落叶松藓类沼泽CO₂、CH₄和N₂O年贡献率,但降低了白桦沼泽3种气体年贡献率.温带天然森林沼泽非生长季土壤N₂O和CO₂的年贡献率相对较大,皆伐使两者年贡献率进一步提高,择伐却较大幅度提高了其CH₄的年贡献率.     

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.     

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.     

CO2加富与两种供N水平对非洲菊光合生理及生长发育的影响

CO₂加富会促进植物的光合作用和生长发育,但长期的CO₂加富常因植物较低的氮（N）含量而降低这种促进作用。本文在大气CO₂浓度（40 0μmol·mol-1）和CO₂加富（800μmol·mol-1）条件下,研究不同N水平（15 mmol·L-1和30 mmol·L-1）对非洲菊光合生理和生长发育的影响。结果表明,CO₂加富显著提高非洲菊叶片的净光合速率,在整个试验期间CO₂800+N15比CO2400+N 1 5平均增加3 5%;CO₂800+N 3 0平均比CO2400+N 3 0增加了6 5%;在试验末期,CO₂800+N 3 0显著大于CO₂800+N15。非洲菊叶片中可溶性糖和淀粉含量在CO₂加富条件下显著增加,但随着试验处理时间的延长,CO₂800+N30的增加趋势小于CO₂800+N15;CO₂加富降低了非洲菊叶片中蛋白质和N含量,N的增加则缓解了这一下降趋势;在生长发育方面,CO₂加富不但促进了非洲菊的生长,而且提前了非洲菊的花期,增加了非洲菊的花朵数目,增大了花朵直径,增粗了花梗,增加了花朵花色素苷含量,显著提高了非洲菊的观赏品质。同时,增加的N与CO₂互作对非洲菊花部品质也有显著促进作用。以上数据表明,在非洲菊的栽培中,增加CO₂浓度的同时,提高N肥的供给是非常必要的。     

绿色木霉在啤酒糟基质上产纤维素酶条件的优化

对绿色木霉接种到啤酒糟固态发酵产纤维素酶的培养基和培养条件进行优化,考察发酵物料起始含水量、发酵时间、起始pH值等发酵条件,以及啤酒糟培养基中添加麸皮、氮源种类对产酶的影响。结果表明,以啤酒糟为发酵基质接种绿色木霉生产纤维素酶是可行的。经单因素和正交试验获得最适固态发酵的培养条件为:起始pH 5~6,培养温度28~30℃,发酵4 d;最佳发酵培养基组合为:麸皮比例30%,培养基起始含水量50%,(NH₄)₂SO₄添加量为2.0%~2.5%。     

Inverse analysis of coupled carbon-nitrogen cycles against multiple datasets at ambient and elevated CO2

Aims Carbon (C) sequestration in terrestrial ecosystems is strongly regulated by nitrogen (N) processes. However, key parameters that determine the degree of N regulation on terrestrial C sequestration have not been well quantified.Methods Here, we used a Bayesian probabilistic inversion approach to estimate 14 target parameters related to ecosystem C and N interactions from 19 datasets obtained from Duke Forests under ambient and elevated carbon dioxide (CO₂).Important findings Our results indicated that 8 of the 14 target parameters, such as C:N ratios in most ecosystem compartments, plant N uptake and external N input, were well constrained by available datasets whereas the others, such as N allocation coefficients, N loss and the initial value of mineral N pool were poorly constrained. Our analysis showed that elevated CO₂ led to the increases in C:N ratios in foliage, fine roots and litter. Moreover, elevated CO₂ stimulated plant N uptake and increased ecosystem N capital in Duke Forests by 25.2 and 8.5%, respectively. In addition, elevated CO₂ resulted in the decrease of C exit rates (i.e. increases in C residence times) in foliage, woody biomass, structural litter and passive soil organic matter, but the increase of C exit rate in fine roots. Our results demonstrated that CO₂ enrichment substantially altered key parameters in determining terrestrial C and N interactions, which have profound implications for model improvement and predictions of future C sequestration in terrestrial ecosystems in response to global change.     

氮肥对不同无机碳含量土壤二氧化碳释放的影响

施用氮肥会导致土壤pH值降低,其对不同无机碳含量的土壤二氧化碳(CO₂)释放的影响如何,尚不清楚.采用室内密闭培养试验研究了氮肥及其配施硝化抑制剂(DCD)对不同无机碳含量土壤pH、矿质态氮和CO₂释放的影响.结果表明:与不施氮肥相比,施用氮肥不同程度地降低了水稻土、砂姜黑土、塿土3类供试土壤的pH,提高了土壤碳累积释放量,49 d培养结束时,土壤碳累积释放量分别提高了39.4%、23.4%和71.8%;氮肥配施DCD后显著抑制了土壤硝化作用的进行,至培养结束时,3类供试土壤pH值均显著高于仅施氮肥处理,水稻土、砂姜黑土CO₂平均释放量与仅施氮肥相比无显著性差异,塿土CO₂平均释放量比纯施氮肥平均降低了12.5%.土壤无机碳能有效缓冲由氮肥施入而导致的土壤酸化,氮肥施入后石灰性土壤CO₂释放不仅来源于土壤有机碳的矿化,可能还有一部分来源于无机碳的溶解释放.我国不同地区间土壤无机碳含量各有差异,长期大量氮肥投入下土壤酸化和无机碳库消耗问题应引起足够的重视.     

氮素对高大气CO2浓度下小麦叶片光合作用的影响

通过测定小麦拔节期叶片的光合气体交换参数和光强-光合速率（P_n）响应曲线,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度（760 μmol·mol^-1）下小麦叶片光合作用的影响.结果表明：在长期高大气CO₂浓度下,增施氮肥能提高小麦叶片P_n、蒸腾速率（T_r）和瞬时水分利用效率（WUE_i）;与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i增加,气孔导度（G_s）和胞间CO₂浓度(C_i）降低.随光合有效辐射的增强,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i均高于正常大气CO₂浓度处理,G_s则较低,而C_i和T_r无显著变化.高氮水平下小麦叶片G_s与P_n、T_r、WUE_i呈线性正相关,G_s与C_i在正常大气CO₂浓度下呈线性负相关,但高大气CO₂浓度下二者无相关性;低氮水平下小麦叶片的G_s与P_n、WUE_i无相关性,而与C_i和T_r呈线性正相关,表明高大气CO₂浓度下低氮水平的小麦叶片P_n由非气孔因素限制.     

氮素对高大气CO2浓度下小麦叶片光合作用的影响

通过测定小麦拔节期叶片的光合气体交换参数和光强-光合速率（P_n）响应曲线,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度（760 μmol·mol^-1）下小麦叶片光合作用的影响.结果表明：在长期高大气CO₂浓度下,增施氮肥能提高小麦叶片P_n、蒸腾速率（T_r）和瞬时水分利用效率（WUE_i）;与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i增加,气孔导度（G_s）和胞间CO₂浓度(C_i）降低.随光合有效辐射的增强,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i均高于正常大气CO₂浓度处理,G_s则较低,而C_i和T_r无显著变化.高氮水平下小麦叶片G_s与P_n、T_r、WUE_i呈线性正相关,G_s与C_i在正常大气CO₂浓度下呈线性负相关,但高大气CO₂浓度下二者无相关性;低氮水平下小麦叶片的G_s与P_n、WUE_i无相关性,而与C_i和T_r呈线性正相关,表明高大气CO₂浓度下低氮水平的小麦叶片P_n由非气孔因素限制.     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.