大气CO2浓度升高对植物、植食性昆虫及其天敌的影响研究进展

自世界工业革命以来,化石燃料的大量使用以及人类对自然环境的过度破坏,致使大气CO₂浓度不断升高.研究大气CO₂浓度升高介导的农业生态系统内植物、植食性昆虫及其天敌的适应机制,对于阐明气候变化下农业害虫爆发危害规律,指导防控与减排具有重要意义.本文综述了大气CO₂浓度升高对农业生态系统中植物、植食性昆虫及天敌的影响,主要包括：1)相关研究方法的改进;2)大气CO₂浓度升高介导的寄主植物营养和次生代谢物质的变化;3)大气CO₂浓度升高对以植物为食的昆虫的个体生长发育、种群数量、行为的影响;4)天敌昆虫的生物学及捕食量与寄生率变化.最后对今后的研究方向进行了展望.     

开放式空气CO2浓度升高与作物/杂草的竞争关系

CO₂浓度升高对植物的光合作用、呼吸作用和水分利用等生理过程产生直接影响,进而影响植物的生长和繁殖.CO₂浓度升高对于具有C₃光合途径的植物较具C₄光合途径的植物更为有益.由于许多重要的杂草是C₄植物,而许多重要的作物是C₃植物,CO₂浓度升高对杂草/作物的相互关系将有重要影响.本文就全球CO₂浓度升高和气候变化对杂草/作物之间竞争关系影响进行综述,同时针对目前研究现状和可持续农业的需要,提出CO₂浓度升高条件下杂草/作物之间竞争关系及未来农田杂草治理方面理论与实践中有待解决的问题.     

气候变化对大豆影响的研究进展

工业革命以来,全球大气中CO₂等温室气体浓度急剧升高,导致全球气温升高和降水格局发生变化.大气CO₂ 浓度升高、全球变暖、水分状况的变化将对大豆的生长发育、产量、品质等产生影响,未来气候变化下大豆生产将发生很大变化.大豆是世界及我国重要的粮食和油料作物之一,未来气候变化下大豆生产的变化将会影响全球粮油安全.本文从大气CO₂浓度升高、温度升高、水分胁迫三方面综述了气候变化对大豆影响的研究,并对未来的相关研究做了展望,为了解未来大豆的生产情况以及制定应对气候变化对大豆生产影响的相关政策提供依据.     

CO2浓度倍增对红松幼苗根尖和叶解剖结构及生理功能的影响

大气CO₂浓度升高对植物的影响是目前植物生态学研究中普遍关注的问题。以往的研究主要关注植物地上部分叶解剖结构及生理功能的改变, 而对根解剖结构和生理功能变化以及根与叶变化之间潜在联系的研究较少。该文以三年生红松(Pinus koraiensis)幼苗为研究对象, 通过CO₂浓度倍增(从350 µmol·mol^-1增加到700 µmol·mol^-1)试验, 研究当年生针叶和根尖解剖结构及生理功能的变化。结果表明: (1) CO₂浓度倍增处理的红松幼苗, 气孔密度显著降低, 叶肉组织面积、木质部及韧皮部面积明显增加; (2) CO₂浓度倍增导致红松幼苗根尖直径增粗, 皮层厚度和层数显著增加, 管胞直径变小; (3)高CO₂浓度处理下, 叶气孔导度和蒸腾速率降低, 光合速率和水分利用效率提高, 同时根尖的导水率显著下降, 但管胞的抗栓塞能力显著提高。这些结果显示, 叶和根解剖结构及生理功能在CO₂浓度升高条件下具有一致的响应。未来研究中应该同时关注全球气候变化对植物地上和地下器官结构与功能的影响。     

大气CO2浓度升高对植物、植食性昆虫及其天敌的影响研究进展

自世界工业革命以来,化石燃料的大量使用以及人类对自然环境的过度破坏,致使大气CO₂浓度不断升高.研究大气CO₂浓度升高介导的农业生态系统内植物、植食性昆虫及其天敌的适应机制,对于阐明气候变化下农业害虫爆发危害规律,指导防控与减排具有重要意义.本文综述了大气CO₂浓度升高对农业生态系统中植物、植食性昆虫及天敌的影响,主要包括：1)相关研究方法的改进;2)大气CO₂浓度升高介导的寄主植物营养和次生代谢物质的变化;3)大气CO₂浓度升高对以植物为食的昆虫的个体生长发育、种群数量、行为的影响;4)天敌昆虫的生物学及捕食量与寄生率变化.最后对今后的研究方向进行了展望.     

干旱高温及高浓度CO2复合胁迫对冬小麦生长的影响

研究了不同CO₂浓度、不同温度和水分条件及其组合对冬小麦产量、光合及水分的影响,以阐明气候变化对冬小麦的影响.结果表明: CO₂浓度升高对冬小麦光合速率没有影响,而升温和干旱均使光合速率显著下降.升高CO₂浓度与温度对冬小麦旗叶水分条件没有影响,干旱胁迫下旗叶相对含水量显著降低,而升温与干旱同时发生可降低旗叶水势.气温、CO₂浓度升高以及干旱胁迫共同作用下,冬小麦光合速率和旗叶水分条件显著降低,产量下降41.4%.CO₂浓度升高使冬小麦增产21.2%,温度升高使产量降低12.3%,CO₂浓度和温度同时升高对产量没有影响,干旱胁迫下产量下降程度更大.未来气候变化情景下,保持较高的土壤水分含量是减少气候变暖危害的重要手段.
     

干旱高温及高浓度CO2复合胁迫对冬小麦生长的影响

研究了不同CO₂浓度、不同温度和水分条件及其组合对冬小麦产量、光合及水分的影响,以阐明气候变化对冬小麦的影响.结果表明: CO₂浓度升高对冬小麦光合速率没有影响,而升温和干旱均使光合速率显著下降.升高CO₂浓度与温度对冬小麦旗叶水分条件没有影响,干旱胁迫下旗叶相对含水量显著降低,而升温与干旱同时发生可降低旗叶水势.气温、CO₂浓度升高以及干旱胁迫共同作用下,冬小麦光合速率和旗叶水分条件显著降低,产量下降41.4%.CO₂浓度升高使冬小麦增产21.2%,温度升高使产量降低12.3%,CO₂浓度和温度同时升高对产量没有影响,干旱胁迫下产量下降程度更大.未来气候变化情景下,保持较高的土壤水分含量是减少气候变暖危害的重要手段.
     

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.     

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.     

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.     

AMF colonization and community of a temperate invader and co-occurring natives grown under different CO2 concentrations for 3 years

连续3年不同CO₂浓度下一种温带外来入侵植物和两种共存本地植物丛枝菌根真菌群落及侵染率 大气CO₂浓度升高等全球变化过程不仅能促进外来植物入侵,也能改变土壤丛枝菌根真菌(AMF)的群落结构,但我们并不清楚大气CO₂浓度升高促进外来植物入侵是否与其对外来入侵植物和 本地植物AMF共生的影响有关。为回答这一问题,我们在环境和倍增CO₂浓度下连续3年栽培一年生外来入侵植物瘤突苍耳(Xanthium strumarium)与两种共存的一年生本地近缘植物,比较了AMF侵染率、土 壤养分和土壤AMF群落组成的差异。研究结果表明,大气CO₂浓度升高只在少数情况下提高根系AMF侵染率,并且瘤突苍耳AMF侵染率的提高并不比本地种多。在环境CO₂浓度下,栽培第一年瘤突苍耳的AMF侵染侵染率显著高于两种本地植物;而栽培第二年和第三年与两种本地植物的差异不显著,因为两种本地植物的AMF侵染率随种植时间的增加而增加,而瘤突苍耳AMF侵染率受种植时间的影响较小。物种、CO₂浓度和种植时间对AMF侵染率的影响与它们对土壤养分和AMF群落的影响有关,土壤养分对AMF侵染率的影响可能比AMF群落组成的影响更大,因为后者也受土壤养分的影响。上述结果表明,与本地植物相比,入侵植物能更快地与AMF形成共生关系,有利于其适应和入侵新生境;在探究全球变化如大气CO₂浓度升高等对外来植物入侵的影响时,需要考虑AMF的影响和时间效应。     

大气CO2浓度和气温升高对麦田节肢动物群落的影响

为了预测气候变化对麦田节肢动物群落多样性的影响, 本研究在麦田开放环境中设置4种处理, 分别是高温(高于当时气温2℃和当前CO₂浓度)、高CO₂浓度(500 μL/L和当时气温)、高温+高CO₂浓度和对照(当前CO₂浓度和气温)等, 采用定期随机抽样方法调查节肢动物群落的多样性, 用经典的多样性指数对整体节肢动物群落以及不同食性节肢动物群落多样性进行分析。共采到节肢动物3纲10目42科52种。仅“高温”和“高温+高CO₂”处理显著增大节肢动物群落的均匀度, 其余处理均无显著影响。“高温+高CO₂”处理的影响随小麦生长发育期不同而略有差异, 在苗期可增大Shannon-Wiener多样性指数, 而在后期使该指数减小; “高温+高CO₂”与“高温”处理的群落多样性较为相似。对不同食性节肢动物群落的分析表明, 与对照相比, 植食性昆虫群落在“高CO₂”下丰富度显著增大; 寄生性昆虫群落的多度在“高温”下显著增大; 腐食性等节肢动物群落的多度在“高CO₂+高温”和“高温”处理下有所增大、均匀度在“高温”下略降低, 但均未达统计上的显著水平; 捕食性节肢动物群落不受影响。本研究说明, CO₂浓度和气温升高不同程度地影响麦田节肢动物群落的物种多样性, 两类因素同时升高与各自单独升高的影响不完全一致。     

全球变化对森林土壤甲烷吸收的影响及其机制研究进展

大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化不仅改变了森林土壤理化性质,而且影响了植物的生长和微生物活性,导致森林土壤碳、氮循环发生改变,进而影响土壤CH₄的吸收.本研究综述了森林土壤CH₄吸收的重要性,森林土壤CH₄吸收对大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化的响应差异及驱动机制.大气CO₂浓度升高抑制土壤CH₄吸收;降水减少倾向于促进土壤CH₄吸收;外源氮输入抑制富氮森林土壤CH₄吸收,而对贫氮森林土壤CH₄吸收则表现为促进或不影响;森林转化为草地、农田或人工林会减少土壤CH₄的吸收量,而植树造林则会增加土壤CH₄的吸收量.今后的研究重点是探讨全球变化对森林土壤CH₄吸收产生长期影响和综合效应,并借助分子生物学方法进一步探究土壤CH₄吸收的微生物学机制.     

CO2浓度升高和氮沉降对南亚热带主要乡土树种及群落生物量的影响

选取荷木、海南红豆、肖蒲桃、红鳞蒲桃和红锥5种南亚热带乡土树种构建混交群落,通过5年人为提高CO₂浓度和氮输入试验,研究碳-氮交互作用对南亚热带主要乡土树种及群落的生物量积累与分配的影响.结果表明：CO₂浓度升高及氮沉降对植物生物量的积累和分配的影响因树种不同而有显著差异.CO₂浓度升高和氮沉降对豆科植物生物量积累相对提高了49.3%和71.0%,且促进了阳生植物生物量的积累;氮沉降能显著提高偏阴生植物生物量积累,但在CO₂浓度升高条件下,其生物量积累低于对照.CO₂浓度升高抑制了阳生植物地下生物量的分配,但促进偏阴生植物地下生物量的分配.CO₂浓度升高、氮沉降以及碳-氮交互作用对南亚热带植物群落生物量积累均具有促进作用;CO₂浓度升高促进群落地下生物量积累,氮沉降显著提高其地上部分生物量分配.在全球变化背景下,南亚热带林业固碳树种适宜选用海南红豆和红锥.     

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...     

CO2浓度增加和水分亏缺对典型绿肥植物光合性能及水分利用效率的影响

探讨大气CO₂浓度和水分变化对3种典型绿肥植物光合性能及水分利用效率的影响,可为未来气候变化情形下草地生态系统适应性管理提供理论支持。本试验利用可精准控制CO₂浓度的人工气候室,设置400(自然大气)和800 μmol·mol^-1(倍增)两个CO₂浓度,80%土壤田间持水量(FC)(充分灌水对照)、55%～60%FC(轻度水分亏缺)、35%～40%FC(中度水分亏缺)、<35%FC(重度水分亏缺)4个水分梯度,研究CO₂浓度增加和水分亏缺对甘蓝型油菜、白三叶和紫花苜蓿叶绿素含量、气体交换参数及水分利用效率(WUE)的影响。结果表明: 同一CO₂浓度下,与充分灌水对照相比,当土壤水分<40%FC时,3种植物的叶绿素含量和气体交换参数均显著降低;土壤水分为55%～60%FC时,3种植物的叶绿素总含量无显著变化,而白三叶和紫花苜蓿的光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)降低了6%～25%,但WUE无显著性差异。与大气CO₂浓度相比,CO₂浓度倍增使充分灌水处理下甘蓝型油菜的P_n显著降低了21.5%,而显著增加了轻度水分亏缺下3种植物的P_n,且增加了中度水分亏缺下甘蓝型油菜和紫花苜蓿的P_n,但只对重度水分亏缺下紫花苜蓿的P_n有所改善;CO₂浓度倍增显著增加了白三叶和紫花苜蓿在所有水分处理下的WUE,但只增加了甘蓝型油菜在轻度水分亏缺下的WUE。CO₂浓度和水分的交互作用对3种植物的P_n均有显著影响,但仅对甘蓝型油菜的WUE有显著影响。综上,3种植物对大气CO₂浓度倍增和水分亏缺的响应存在明显差异,CO₂浓度升高能改善轻度水分亏缺对3种植物光合性能和WUE的不利影响,但只改善了重度水分亏缺下紫花苜蓿的光合性能。     

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。     

大气CO2浓度升高对不同层次水稻土有机碳稳定性的影响

研究大气CO₂浓度升高对不同层次土壤有机碳(SOC)稳定性的影响对深入理解高浓度CO₂下SOC转化具有重要意义.以FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)平台长期定位试验水稻土为研究对象,通过SOC物理分级及矿化培养试验,研究大气CO₂浓度升高对稻田SOC含量、颗粒有机质(POM)含量、SOC矿化强度和酶活性变化的影响,探讨CO₂浓度升高对不同层次稻田SOC稳定性的影响.结果表明:大气CO₂浓度升高对表层SOC含量无显著影响,但使表层土壤POM-C显著增加了93.7%,同时使表层土壤蔗糖酶和多酚氧化酶活性分别提高了61.1%和83.7%,从而降低了表层SOC稳定性;大气CO₂浓度升高对深层SOC含量及其稳定性均无显著影响.研究结果将有助于评估土壤固定和储备碳的能力,为今后温室效应下农田管理提供科学依据.     

CO2浓度倍增影响转Bt水稻非靶标害虫褐飞虱的生长发育及取食行为

近年来,大气CO₂浓度升高等全球气候变化和转Bt作物非靶标害虫抗虫性等问题备受关注.大气CO₂浓度升高直接或间接地影响植食性昆虫,而迄今为止有关大气CO₂浓度升高对刺吸式昆虫(同时也是转Bt作物的非靶标害虫)的影响结论不一,且对其刺吸取食行为的影响研究少有报道.本研究利用智能人工气候箱设置CO₂浓度,研究大气CO₂浓度倍增(800 μL·L^-1)对转Bt水稻的非靶标害虫褐飞虱取食行为及其生长发育和繁殖等的影响.结果表明: 大气CO₂浓度倍增对褐飞虱卵和若虫历期、成虫体质量和寿命,以及4龄和5龄若虫的刺吸取食行为等都具有显著影响,但对其繁殖力影响不显著.与对照CO₂浓度(400 μL·L^-1)相比,倍增CO₂浓度处理下褐飞虱的卵和若虫历期及雌成虫寿命分别显著缩短了4.0%、4.2%和6.6%;长翅型成虫比例显著增加了11.6%;初羽化成虫体质量降低,且雌成虫体质量显著降低了2.2%;此外,倍增CO₂浓度处理下褐飞虱4龄和5龄若虫口针的刺探效率都显著增加;其中,N4b波的持续时间分别显著延长了60.0%和50.1%,频次分别显著增加了230.0%和155.9%.可见,CO₂浓度倍增可通过提高褐飞虱的刺吸取食而促进其生长发育,并缩短其世代历期、提高长翅成虫比例,最终导致大气CO₂浓度升高下转Bt水稻的非靶标害虫褐飞虱发生危害严重,并面临其迁飞扩散为害加重的风险.