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.     

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.     

大气CO2浓度缓增对稻田硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程的影响

硝酸盐型甲烷厌氧氧化(AOM)是控制稻田甲烷排放的一种新途径,大气CO₂浓度升高会对稻田甲烷排放产生重要影响,但有关其对硝酸盐型AOM过程的影响知之甚少。本研究依托开顶式气室组成的CO₂浓度自动调控平台,采用¹³CH₄稳定性同位素示踪技术,从甲烷氧化活性、相关功能微生物Candidatus Methanoperedens nitroreducens (M. nitroreducens)-like古菌丰度与群落组成等方面,系统研究了稻田土壤中硝酸盐型AOM过程对大气CO₂浓度缓增的响应。试验设置背景CO₂浓度和CO₂浓度缓增处理(背景CO₂浓度基础上每年增加40 μL·L^-1,直至增幅达160 μL·L^-1)。结果表明: 稻田土壤硝酸盐型AOM速率为0.7～11.3 nmol CO₂·g^-1·d^-1;定量PCR结果显示,M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度为2.2×10⁶～8.5×10⁶ copies·g^-1。与对照相比,CO₂浓度缓增处理使土壤中硝酸盐型AOM速率和M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度均有一定幅度提高,特别是在5～10 cm深度下两者均显著提高。CO₂浓度缓增处理未显著改变M. nitroreducens-like古菌群落结构,但使其多样性显著降低。相关性分析表明,土壤有机碳含量可能是影响硝酸盐型AOM过程的重要因子。综上,大气CO₂浓度缓增在一定程度上促进了硝酸盐型AOM反应,暗示在未来气候变化背景下其在控制稻田甲烷排放中具有积极作用。     

大气CO2浓度升高对八宝景天生长及光合生理的影响

利用开顶式气室(OTC)系统,设正常大气CO₂浓度和CO₂浓度升高200 μmol·mol^-12个CO₂浓度处理,模拟大气CO₂浓度升高对八宝景天光合生理和生长发育的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高使八宝景天叶片上、下表皮气孔密度分别显著下降16.1%和16.7%,使叶片维管束增粗,导管增多,靠近上表皮细胞增大;CO₂浓度升高可以显著增加傍晚时八宝景天叶片光合色素含量,使夜间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著增加.初花期傍晚,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著下降64.0%,纤维素含量显著增加20.8%.盛花期清晨,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著增加27.0%,对糖类物质含量影响不显著,植株的分枝数、单株茎质量和单株总生物量显著增加.CO₂浓度升高可以促进八宝景天光合作用,有利于植株生长.     

大气CO2浓度升高对八宝景天生长及光合生理的影响

利用开顶式气室(OTC)系统,设正常大气CO₂浓度和CO₂浓度升高200 μmol·mol^-12个CO₂浓度处理,模拟大气CO₂浓度升高对八宝景天光合生理和生长发育的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高使八宝景天叶片上、下表皮气孔密度分别显著下降16.1%和16.7%,使叶片维管束增粗,导管增多,靠近上表皮细胞增大;CO₂浓度升高可以显著增加傍晚时八宝景天叶片光合色素含量,使夜间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著增加.初花期傍晚,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著下降64.0%,纤维素含量显著增加20.8%.盛花期清晨,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著增加27.0%,对糖类物质含量影响不显著,植株的分枝数、单株茎质量和单株总生物量显著增加.CO₂浓度升高可以促进八宝景天光合作用,有利于植株生长.     

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浓度变化对拟柱胞藻生长与光合作用的影响

为了探讨大气CO₂浓度升高对水华藻类的影响,利用水华蓝藻-拟柱胞藻作为实验材料,研究了CO₂浓度升高对其生长生理和光合作用的影响,结果表明CO₂浓度升高,导致拟柱胞藻的生物量、最大光合放氧速率、光合效率显著增加。当CO₂浓度为700 mg/L以下,暗呼吸速率和光饱和点无明显影响,而CO₂浓度为1000 mg/L时,暗呼吸速率和光饱和点显著提高。随着CO₂浓度增加,藻细胞光合作用对无机碳的亲和力降低,同时胞外碳酸酐酶活性显著下降。这表明大气CO₂浓度的增加,有利于拟柱胞藻的生长和光合,进而增加了水华发生的风险。     

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.     

大气CO2浓度上升和氮添加对南亚热带模拟森林生态系统土壤碳稳定性的影响

大气CO₂浓度升高和氮(N)添加对土壤碳库的影响是当前国际生态学界关注的一个热点。为阐述土壤不同形态有机碳的抗干扰能力, 运用大型开顶箱, 研究了4种处理((1)高CO₂浓度(700 µmol·mol^-1)和高氮添加(100 kg N·hm^-2·a^-1) (CN); (2)高CO₂浓度和背景氮添加(CC); (3)高氮添加和背景CO₂浓度(NN); (4)背景CO₂和背景氮添加(CK))对南亚热带模拟森林生态系统土壤有机碳库稳定性的影响。近5年的试验研究表明: (1) CN处理能明显地促进各土层中土壤总有机碳含量的增加, 其中, 下层土壤(5-60 cm土层)中的响应达到统计学水平。(2)活性有机碳库各组分对处理的响应有所差异: 不同土层中微生物生物量碳(MBC)的含量对各处理的响应趋势基本一致, 各土层中的MBC含量均为CN > CC > NN > CK, 其中0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm 3个土层的处理间差异都达到了显著水平; 10-20 cm与20-40 cm两个土层中的易氧化有机碳处理间有显著差异; 而对于各土层中水溶性有机碳, 处理间差异均不明显。(3)各团聚体组分中的有机碳含量的响应也有所差异: 20-40 cm与40-60 cm土层中250-2000 μm组分的有机碳含量存在处理间差异; 40-60 cm土层中53-250 μm组分的有机碳对各处理响应敏感, CC处理和NN处理都有利于该组分碳的深层积累, 尤其CN处理下的效果最为明显; 在各处理10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土壤中, < 53 μm组分中的碳含量间差异显著。大气CO₂浓度上升和N添加促进了森林生态系统中土壤有机碳的增加, 尤其有利于深层土壤中微团聚体与粉粒、黏粒团聚体等较稳定组分中有机碳的积累, 增加了土壤有机碳库的稳定性。     

不同化学性质叶凋落物添加对土壤有机碳矿化及激发效应的影响

凋落物输入可显著影响土壤有机碳(SOC)矿化速率,但添加不同化学性质叶凋落物对土壤有机碳矿化释放CO₂及激发效应的影响及其机理仍不清楚。本研究将亚热带6种树种¹³C标记的叶凋落物添加至天然次生林0～10 cm原位土柱中,比较不同树种叶凋落物添加对土壤总CO₂、外源凋落物和土壤来源CO₂释放速率和累积量以及激发效应的影响,并量化叶凋落物化学性质与土壤CO₂释放累积量、激发效应的相关关系。结果表明: 添加叶凋落物能够显著提高土壤总CO₂和土壤来源CO₂释放量,存在显著正激发效应,激发效应值为68%～128%。不同树种叶凋落物添加对土壤有机碳矿化和激发效应的影响存在显著差异。Pearson相关分析和逐步多元线性回归分析发现,凋落物来源CO₂释放累积量与叶凋落物C、P和纤维素含量呈显著负相关,而土壤来源CO₂释放量与叶凋落物C:N和木质素:N呈显著正相关。综上,不同化学性质的叶凋落物对土壤有机碳矿化和激发效应的影响存在异质性,在亚热带地区森林类型转变过程中营造具有高质量叶凋落物的人工林将有助于减少森林土壤碳损失。     

水分对武夷山草甸土壤有机碳激发效应的影响

水分是影响土壤有机碳激发效应的重要因子,但水分如何影响山地草甸土有机碳激发效应尚不清楚。本试验以武夷山高海拔(2130 m)山地草甸土为研究对象,通过室内添加¹³C标记的葡萄糖结合控制土壤水分(30%FWC和60%FWC,FWC为田间持水量),进行为期126 d的室内培养试验,定期测定CO₂浓度和¹³C-CO₂丰度值,研究不同水分条件下土壤有机碳矿化特征和激发效应的差异及其影响因素。结果表明: 山地草甸土碳矿化随着水分增加而增加。不同土壤水分山地草甸土激发效应随培养时间延长呈现逐渐降低的趋势,低含水量土壤激发效应显著大于高含水量土壤,培养结束时低含水量土壤累积激发碳量比高含水量土壤高61.4%。与低含水量土壤相比,高含水量土壤由葡萄糖矿化产生的CO₂量较多,且低含水量土壤的累积激发碳量与葡萄糖矿化量的比值显著大于高含水量土壤,说明高含水量土壤微生物更多地矿化外源添加的葡萄糖,且激发效率较低,最终高含水量土壤激发效应小于低含水量土壤。相关分析表明,土壤激发效应与土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量碳与氮比值(MBC/MBN)和NH₄⁺-N变化量呈显著正相关,说明低含水量条件会通过改变山地草甸土壤微生物数量和组成,进而提高土壤微生物对氮的“挖掘”,最终增加激发效应。因此,全球气候变化背景下若山地草甸土壤水分降低可能会增加通过激发效应引起的碳损失。     

短期CO2浓度升高和干旱胁迫对白羊草土壤碳氮和微生物根际效应的影响

采用人工气候室和盆栽控水试验研究黄土丘陵区典型草本植物白羊草在倍增CO₂浓度(800 μmol·mol^-1)下和充分供水(75%～80%的田间持水量)、轻度干旱胁迫(55%～60%的田间持水量)和重度干旱胁迫(35%～40%的田间持水量)下根际和非根际土壤碳氮含量和微生物群落结构及其根际效应.结果表明: CO₂浓度升高和干旱胁迫对白羊草根际和非根际土壤有机碳、全氮和水溶性有机碳(DOC)含量及其根际效应均无显著影响.轻度干旱胁迫下CO₂浓度升高显著促进了根际土壤水溶性有机氮(DON)的消耗,导致DOC/DON升高,提高了DON的负根际效应和DOC/DON的正根际效应.干旱胁迫和CO₂浓度升高对土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)和细菌PLFA的根际效应无显著影响.CO₂浓度升高条件下干旱胁迫显著提高了根际土壤G⁺/G^- PLFA,降低了非根际土壤G⁺/G^- PLFA,导致其根际效应显著提高,表明根际微生物群落由自养微生物群落向异养微生物群落的转变.     

短期CO2浓度升高和干旱胁迫对白羊草土壤碳氮和微生物根际效应的影响

采用人工气候室和盆栽控水试验研究黄土丘陵区典型草本植物白羊草在倍增CO₂浓度(800 μmol·mol^-1)下和充分供水(75%～80%的田间持水量)、轻度干旱胁迫(55%～60%的田间持水量)和重度干旱胁迫(35%～40%的田间持水量)下根际和非根际土壤碳氮含量和微生物群落结构及其根际效应.结果表明: CO₂浓度升高和干旱胁迫对白羊草根际和非根际土壤有机碳、全氮和水溶性有机碳(DOC)含量及其根际效应均无显著影响.轻度干旱胁迫下CO₂浓度升高显著促进了根际土壤水溶性有机氮(DON)的消耗,导致DOC/DON升高,提高了DON的负根际效应和DOC/DON的正根际效应.干旱胁迫和CO₂浓度升高对土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)和细菌PLFA的根际效应无显著影响.CO₂浓度升高条件下干旱胁迫显著提高了根际土壤G⁺/G^- PLFA,降低了非根际土壤G⁺/G^- PLFA,导致其根际效应显著提高,表明根际微生物群落由自养微生物群落向异养微生物群落的转变.     

表层和下层免耕黑土有机碳矿化速率及激发效应

激发效应是调控土壤有机质分解的重要机制之一,而土层与激发效应的关系还不清晰.本研究通过室内培养试验,采用¹³C葡萄糖标记和动态碱液吸收的方法,探究免耕农田黑土表层土壤(0～10 cm)和下层土壤(30～40 cm)有机碳矿化速率及其激发效应.结果表明: 表层与下层土壤以单位有机碳表示的矿化速率并未发现显著差异.添加葡萄糖使表层土壤原有机质分解加快36.7%(正激发),但使下层土壤原有机质分解减慢12.4%(负激发).在整个培养期间(30 d),表层和下层土壤的累积激发碳量分别为3.14和-1.24 mg C·g^-1 SOC,但由于新碳(葡萄糖)的补偿作用,即使在产生显著正激发的表层土壤中,仍表现为有机碳净积累.说明外源碳输入使不同土层土壤有机质分解的幅度甚至方向产生明显差别.这为今后免耕和秸秆还田等保护性耕作措施的实践提供了重要的理论基础.