大气CO2浓度倍增对稻田生态系统钙、镁、硅离子流失的潜在影响

钙、镁、硅元素是土壤圈、水圈和生物圈的重要组成元素,其迁移与转化过程不仅影响到生态系统生产力,而且对全球碳循环起着重要的调控作用．大气CO2浓度升高可能直接通过影响土壤理化性状,或间接通过影响植物而作用于陆地生态系统矿质元素的迁移和转化过程,目前这方面的研究主要集中在旱地生态系统．为此,本研究借助国际上唯一的稻田FACE（Free Air C02 Enrichment）实验（位于江苏省江都市,始于2004年）,于2006年对稻田水体中这3种元素的浓度变化进行了动态监测．结果表明,FACE条件下稻田水体钙、镁、硅离子的浓度显著高于对照稻田（P〈0．01）,三者分别平均提高了32．26％,74．16％和77．88％．FACE条件下,稻田水体中钙离子浓度在水稻生育旺期提高最大,比对照平均提高了33．23％,初期提高最小,为28．66％,后期提高了32．94％;镁离子在初期提高最大,为112．96％,旺期提高最少,平均为62．89％,后期则提高了69．14％;硅离子也是在初期提高最大,为163．19％,后期提高最小,为31．43％,旺期则平均提高了64．92％．不同生育期之间,各离子浓度存在显著差异（P〈0．01）．上述结果表明,大气CO2浓度倍增可能通过田间排水尤其是由水稻生长前期暴雨而导致的洪涝来加重稻田生态系统钙、镁、硅的流失风险,潜在影响陆地生态系统与水生生态系统间矿质元素的交换及生物地球化学循环过程．     

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NEEmin.NEEmin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 2 0 0± 4 0 μmol·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浓度升高对稻田水体细菌及大肠菌群数量的影响

稻田水体中细菌(尤其是其中的大肠菌群)数量的多少及活性深刻影响着水体质量和物质循环,然而大气CO2浓度升高对它们的影响至今鲜有报道.为此,借助国际上唯一的稻麦复种FACE(free air CO2 enrichment)试验(位于江苏省江都市,始于2004年),于2006年对稻田水体中细菌数量、大肠菌群数量、总有机碳量和总氮量等进行了动态监测.结果表明,大气 CO2浓度升高显著提高了以上各指标在稻田水体中的含量(P <0.01),在整个水稻生育期,与对照相比,水体中的细菌数量、大肠菌群数量、总有机碳量和总氮量平均分别提高了45.9%、68.8%、31.2%和25.9%,不同生育期之间上述各指标存在显著差异(P<0.01).可见,大气CO2浓度升高不仅可通过改变稻田水体质量的方式来影响水稻的安全生产,而且还可能通过田间排水尤其是水稻生长前期的暴雨导致的洪涝来加重稻田生态系统向周边居民井水和其它水域的细菌和大肠菌群的输出量,从而可能影响周边水体质量及人体健康.     

大气C02浓度升高对稻田土壤溶液中阴离子浓度的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon Dioxide Enrichment)试验平台,研究了 大气CO2浓度升高对稻季各生育期耕层土壤溶液中Cl-、CO2-3、HCO-3、SO2-4、NO-3和溶解无机磷(DIP)等阴离子浓度的影响,探讨了稻田生态系统土壤元素地球化学循环对大气CO2浓度升高的响应.结果表明:大气CO2浓度升高降低了土壤溶液SO2-4浓度,提高了HCO-3浓度,与5 cm处相比,其在15 cm处的影响程度更大;大气CO2浓度升高有增加土壤溶液NO-3和溶解无机磷(DIP)的趋势;对CO2-3和Cl-未表现出明显的规律性影响.文章还分析了大气CO2浓度升高对土壤溶液阴离子浓度产生影响的可能机理.     

自由大气CO2浓度升高对夏大豆生长与产量的影响

IPCC报告指出到本世纪中期全球大气CO2浓度将比目前的浓度增加50%.CO2浓度升高将影响大豆的生长及产量.有关大气CO2浓度对大豆影响的研究大多在温室或开顶式气室中进行的,利用FACE (Free Air CO2 Enrichment)系统对大豆生长发育受CO2浓度升高影响的试验首次在中国进行,FACE圈中心的CO2浓度维持在(550±60)μmol·mol-1,对照浓度(389±40)μmol·mol-1.这是继美国SoyFACE之后世界第二个利用FACE系统对大豆生长发育进行的研究,研究表明:大气CO2浓度升高提高了两个大豆品种全生育期的叶、茎、荚重及地上部分总重,收获后地上部分总干重平均提高52.30%;大豆叶面积对CO2浓度升高的响应存在品种差异,中黄35促进叶面积增加而中黄13抑制叶面积的增加.CO2浓度升高使鼓粒期大豆比叶重增加,中黄35比叶重增加23.08%到达显著水平.CO2浓度升高使大豆节数、分枝数、茎粗提高,特别是茎粗收获期中黄35增加7 18%,中黄13增加26.33%,均到达显著或极显著水平;大气CO2浓度升高使两个品种产量平均增加30.93%,产量的增加主要是由于CO2浓度升高提高了大豆单株荚数和百粒重.大气CO2浓度升高对大豆各器官占地上部分重量的比例影响不明显,对大豆收获指数的影响未达显著水平.大气CO2浓度升高对大豆的影响品种差异明显.结论与美国SoyFACE的研究结果基本一致,如FACE系统下大豆生物量、产量都较对照增高,但变化幅度较SoyFACE的结果高.     

大气CO_2浓度升高对稻田土壤溶液中阴离子浓度的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon Dioxide Enrichment)试验平台,研究了大气CO2浓度升高对稻季各生育期耕层土壤溶液中Cl-、CO32-、HCO3-、SO42-、NO3-和溶解无机磷(DIP)等阴离子浓度的影响,探讨了稻田生态系统土壤元素地球化学循环对大气CO2浓度升高的响应。结果表明:大气CO2浓度升高降低了土壤溶液SO42-浓度,提高了HCO3-浓度,与5cm处相比,其在15cm处的影响程度更大;大气CO2浓度升高有增加土壤溶液NO3-和溶解无机磷(DIP)的趋势;对CO32-和Cl-未表现出明显的规律性影响。文章还分析了大气CO2浓度升高对土壤溶液阴离子浓度产生影响的可能机理。     

大气CO2浓度增高对麦田土壤硝化和反硝化细菌的影响

硝化和反硝化细菌是土壤中与氮转化有关的微生物菌群 ,大气CO2 浓度升高可能对它们的数量产生影响。位于中国无锡的稻 麦轮作农田生态系统FACE平台 2 0 0 1年 6月开始运行。本试验在 2 0 0 3年小麦生长季研究了土壤 (0～ 5cm和 5～ 10cm土层 )中硝化和反硝化细菌在大气CO2 浓度升高条件下的变化。试验采用最大可能法 (MPN)计这两种微生物菌群的数量。结果表明 ,0～ 5cm土层硝化菌数拔节期和成熟期FACE低于对照 ,而孕穗期FACE高于对照 ,5～ 10cm土层硝化菌数越冬期与成熟期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高使得麦田土壤硝化细菌数目减少。 0～ 5cm土层各个生长期反硝化菌数FACE与对照均没有明显差异 ,5～ 10cm土层反硝化菌数拔节期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高对麦田土壤反硝化菌的影响不大。     

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浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响

甲烷氧化细菌是目前已知的稻田甲烷氧化唯一生物,在减少稻田甲烷排放、降低大气甲烷浓度方面发挥着重要作用.利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,采用实时荧光定量PCR技术,研究了大气CO2浓度升高下,典型水稻生长期根际土壤甲烷氧化细菌数量的变化规律,及其对不同施肥处理(高氮HN和常氮LN)的响应.2009和2010连续2a的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长;并可能对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著(P＜0.1)抑制;进一步针对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度.     

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200μmol·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NH+4-N和NO-3-N浓度的影响.结果表明:高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH+4-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NO-3-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.     

稻麦轮作FACE系统平台Ⅰ.系统结构与控制

在稻麦轮作水稻田建立FACE系统(Free-Air CO2 Enrichment),即CO2浓度的控制和监测系统平台.利用计算机网络系统对平台的CO2浓度进行监测控制,根据大气中的CO2浓度、风向、风速,作物冠层高度的CO2浓度及昼夜等因素的变化调节CO2气体的释放速度及方向,实现FACE圈的CO2浓度高于周围大气CO2浓度200μmol·mol-1.试验表明,影响控制精度的主要因素有风速、作物和土壤呼吸作用和扩散层高度.经过控制方程参数调整,在白天,控制精度达到80%的时间占总时间的白天达到83%,夜晚为68%.FACE圈内的CO2分布基本均匀.平均CO2设置浓度白天为557mol·mol-1,晚上为608mol·mol-1.圈内CO2浓度分布基本上沿放气管对称分布,由边沿向中心逐步降低.2001年水稻生长季节平均控制精度(TAR)达到白天1.03和晚间1.09.     

大气CO2浓度升高对绿豆叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响

利用FACE系统在大田条件下通过盆栽试验研究了大气CO2浓度升高[CO2浓度平均为(550+60) μmol·mo1-1]对绿豆叶片光合生理和叶绿素荧光参数的影响.结果表明:与对照[ CO2浓度平均为(389+40) μmol·mol-1左右]相比,大气CO2浓度升高使花荚期绿豆叶片净光合速率(Pn)和胞间CO2浓度(Ci)分别升高11.7％和9.8％,气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)分别下降32.0％和24.6％,水分利用效率(WUE)提高83.5％;在蕾期,CO2浓度升高对绿豆叶片叶绿素初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、Fv/Fm和Fv/Fo没有显著影响;在鼓粒期,CO2浓度升高使绿豆叶片Fo增加19.1％,Fm和Fv分别下降9.0％和14.3％,Fv/Fo和Fv/Fm分别下降25.8％和6.2％.表明大气CO2浓度升高可能使绿豆生长后期光系统Ⅱ反应中心结构受到破坏,叶片的光合能力下降.     

稻麦轮作FACE系统平台I.系统结构与控制

在稻麦轮作水稻田建立FACE系统 (Free AirCO2 Enrichment) ,即CO2 浓度的控制和监测系统平台 .利用计算机网络系统对平台的CO2 浓度进行监测控制 ,根据大气中的CO2 浓度、风向、风速 ,作物冠层高度的CO2 浓度及昼夜等因素的变化调节CO2 气体的释放速度及方向 ,实现FACE圈的CO2 浓度高于周围大气CO2 浓度 2 0 0 μmol·mol-1.试验表明 ,影响控制精度的主要因素有风速、作物和土壤呼吸作用和扩散层高度 .经过控制方程参数调整 ,在白天 ,控制精度达到 80 %的时间占总时间的白天达到 83% ,夜晚为6 8% .FACE圈内的CO2 分布基本均匀 .平均CO2 设置浓度白天为 5 5 7mol·mol-1,晚上为 6 0 8mol·mol-1.圈内CO2 浓度分布基本上沿放气管对称分布 ,由边沿向中心逐步降低 .2 0 0 1年水稻生长季节平均控制精度 (TAR)达到白天 1.0 3和晚间 1.0 9.     

FACE系统处理三年后淹水条件下土壤CH4和CO2排放变化

采用淹水培养实验（25（C）,在实验室CO2浓度和高CO2浓度（1000μlL^-1）条件下,研究了稻麦轮作FACE系统运行3a后FACE处理和大气CO2浓度（Ambient）处理土壤CO2和CH4排放的差异。实验结果表明：经过FACE处理后,土壤有机碳含量较Ambient处理提高11%。在实验室和高CO2浓度下淹水培育60d,FACE处理土壤CO2累积排放量较Ambient处理土壤分别增加35%和22%,CH4累积排放量分别是Ambient处理土壤的2.6倍和2.3倍。高CO2浓度下培养,显著促进FACE和Ambient处理土壤的CO2排放量（p〈0.01）,促进CH4排放量,但未达到统计显著水平（p〉0.05）。由此说明,大气CO2浓度升高可能直接影响土壤有机碳的转化速率和CO2及CH4的排放。     

开放式空气CO2浓度增高对中国稻田生态系统线虫营养类群产生的影响

土壤动物在农田生态系统腐屑食物网中占有重要地位 ,它们参与土壤有机质分解、植物营养矿化及养分循环作用 .国内外许多研究表明 ,土壤动物对全球变化 ,尤其是大气CO2 浓度升高能够产生正向、中性和负向的影响 .土壤线虫是这类土壤动物的典型代表 ,因为它们在大多数土壤中分布是丰富的 ,而且营养类群是多样的 .应用自由空气CO2 浓度增高 (FACE)技术设计 3个处理水稻圈暴露在大气CO2 增高(浓度为 5 70 μmol·mol-1)条件下 ,3个对照水稻圈为环境中的CO2 浓度 (370 μmol·mol-1) .在中国无锡稻田生态系统水稻生长期内 ,本项研究监测了 0～ 5cm和 5～ 10cm土层中线虫营养类群 .研究结果显示 ,线虫总数、食细菌线虫、植物寄生线虫、杂食 捕食类线虫在取样深度和取样日期上存在显著差异 ;在整个取样日期中 ,FACE处理 5～ 10cm深度中线虫总数、食细菌线虫数量比对照中的高 ;在 0～ 5cm深度中 ,FACE处理食细菌线虫数量比对照中的高 ,而杂食 捕食类线虫数量则表现出相反的趋势 .食真菌线虫在FACE处理与对照之间也存在极显著差异 .     

CO2浓度升高对毛竹器官矿质离子吸收、运输和分配的影响

为了给大气CO2浓度逐渐升高背景下的毛竹林适应性经营管理提供理论依据,运用开顶式气室(OTCs)模拟大气CO2浓度升高(500、700 μmol/mol)情景,以目前环境背景大气为对照,研究了Na+、Fe2+-Fe3+、Ca2+、Mg2+等矿质离子在毛竹器官中吸收、运输和分配的变化规律.结果显示,除CO2浓度700 μmoL/mol对Ca2+浓度在毛竹器官中大小排序会产生影响外,CO2浓度500、700 μmol/mol并未改变毛竹器官中Na+、Fe2+,Fe3+、Mg2+、Ca2+浓度的大小排序.CO2浓度升高对竹叶Fe2+-Fe3+和竹枝Fe2+-Fe3+、Mg2+浓度无明显影响,但对器官的其它矿质离子浓度会有不同程度的影响,竹叶Ca2+和Mg2+、竹枝Na+和Ca2+、竹秆Na+和Ca2+及Mg2+、竹根Na+和Mg2+浓度明显提高,竹叶Na+、竹秆Fe2+-Fe3+、竹根Fe2+-Fe3+和Ca2+浓度明显降低;随着CO2浓度的升高,竹叶Fe2+-Fe3+/Na+、Mg2+/Na+和Ca2+/Na+,竹枝Ca2+/Mg2+及各器官Mg2+/Fe2+-Fe3+、Ca2+/Fe2+-Fe3+均逐渐增大,而竹枝、竹秆、竹根Fe2+-Fe3+/Na+、Mg2+/Na+、Ca2+/Na+和竹叶、竹秆、竹根Ca2+/Mg2+均逐渐减小;CO2浓度升高后除竹根-竹秆Sca.Na、竹秆-竹枝SMg,Fe和竹枝-竹叶Sca,Mg明显下降外,其余的毛竹器官矿质离子向上运输系数变化平缓或明显提高.研究表明CO2浓度升高增强了毛竹立竹根部积累Na+能力和Fe2+-Fe3+、Ca2+和Mg2+的向上选择性运输能力,提高了光合器官竹叶中矿质养分元素浓度,可维持体内矿质养分元素平衡,有利于提高毛竹对高浓度CO2环境的适应能力.     

大气CO2浓度升高对水稻秸秆化学组成的影响

水稻秸秆是生物能源生产的潜在材料,大气二氧化碳(CO2)浓度升高改变水稻秸秆的量和质,从而改变其生物能源的生产潜力.本试验水稻秸秆来自中国自由大气CO2富集平台(FACE),选取FACE平台(试验组CO2浓度控制在570μmol·mol^-1左右,比对照组高200μmol·mol-1)3种水稻品种‘武运粳27’、‘Y两优900’和‘日本晴N16’,通过对秸秆化学组成进行分析,探讨CO2浓度升高对水稻秸秆质量的影响.结果表明:大气CO2浓度升高显著提高了水稻秸秆C含量和C/N;增加了秸秆中非结构碳水化合物含量;CO2浓度升高使武运粳27、Y两优900和N16秸秆中释放的总糖分别增加8.8%、6.7%和9.9%;CO2浓度升高显著提高N16秸秆生物量,但对其他两种水稻秸秆生物量没有显著影响;N16的总糖产量在CO2浓度升高下增加最显著,达到19.2%.表明CO2浓度升高可以改善水稻秸秆质和量,从而提高生物燃料利用潜能.     

中国地区稻田CH4和生物质燃烧CO排放对对流层氧化性的影响

利用稻田甲烷排放模型估计中国地区稻田CH4排放,得到排放总量为9.26Tg,排放有明显的季节和空间变化。运用中尺度气象模式MM5以及光化学模式CALGRID,研究上述稻田CH4排放以及Streets等估计的生物质燃烧CO排放对对流层化学的影响。结果表明,这些排放对对流层低层CH4、CO、OH、HO2、O3浓度均有影响。稻田CH4排放在主要水稻种植区附近使得CH4浓度明显增加、最大增量达到66.97μg.m-3。由于大气中存在活性更强的VOC和CO,稻田CH4排放对自由基和O3全国平均浓度的影响不大,使O3增加0.24%、使HO2增加0.4%、使OH减小0.06%。生物质燃烧CO排放使主要排放区附近CO浓度增加大于60μg.m-3,使OH全国平均浓度减小2.2%,使HO2和O3浓度分别增加2.8%和0.9%。生物质燃烧CO排放对中国地区近地面O3浓度影响强于稻田CH4排放。两者的综合影响使得全国对流层低层O3浓度平均增加1.2%,局部地区最大增加量达4.12μg.m-3。上述自然源排放的影响有明显的空间变化,与下垫面类型有关;还有强烈的季节变化,通常夏季影响最为显著。     

植物在硅生物地球化学循环过程中的作用

硅是地球上重要的矿质元素,在许多生物地球化学过程中起着重要作用。传统认为硅的循环主要受岩石风化、矿物溶解和水体沉积的影响。实际上,植物在硅的生物地球化学循环中起着重要作用。植物体本身就是一个相当大的硅库,它们能以无定型硅(SiO2.nH2O)的形式积累硅,称作生物硅(BSi)、植硅石或蛋白石。陆地植物每年以BSi的形式固定约1.68×109～5.60×109t的硅,通过枯枝落叶返回到土壤中的BSi有92.5%被植物再吸收,7.5%进入土壤库。陆地植物从土壤BSi库吸收的硅量远超过从岩石风化释放吸收的硅量,植物-土壤内循环的有效性强烈地影响着陆地生态系统中的硅向河流和海洋的输送。在海洋中,硅藻通过吸收、溶解和沉积在很大程度上影响着海洋里的硅循环,硅藻每年固定的硅约为5.60×109～7.84×109t,同样,在向海底沉积的过程中,97%的BSi重新被硅藻吸收,每年只有1.43×108～2.55×108t(约3%)沉积到海底。可见,植物在陆地生态系统和水生生态系统硅的循环中均起着非常重要的作用,研究硅的全球生物地球化学循环时必须考虑到植物的作用。     

镉胁迫下硫素对嗜鱼外瓶霉生长、矿质元素与镉含量的影响

镉(100 mg/L)胁迫下,研究不同浓度硫素(硫离子)对深色有隔内生真菌(Dark septate endophyte,DSE)——嗜鱼外瓶霉(Exophiala pinsciphila)菌株生长、矿质元素(钙、镁、氮、磷、硫)与镉含量的影响.结果表明:在100 mg/L镉胁迫下,低浓度(0.06和0.30 mmol...