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。     

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(CO_2)和臭氧(O_3)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。CO_2浓度升高增加了陆地生态系统碳汇能力,而O_3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CO_2/O_3-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。     

CO_2浓度升高对媒介昆虫及其所传植物病毒的影响研究

由于全球气候变化,CO_2浓度升高对生态系统产生的影响已成为国际关注的焦点。媒介昆虫传毒引起的植物病毒病是农业生产的一个重要影响因素之一。"CO_2-植物-媒介昆虫-病毒"是一个复杂的系统,围绕CO_2浓度升高对植物的影响、CO_2浓度升高对"植物-媒介昆虫"相互关系以及CO_2浓度升高对媒介昆虫及其传播病毒发生的影响已开展了大量研究。本文主要从CO_2浓度升高对植物、CO_2浓度升高对媒介昆虫和植物以及CO_2浓度升高对媒介昆虫所传病毒发生等方面阐述CO_2浓度升高对媒介昆虫及所传植物病毒发生的影响。研究表明,CO_2浓度升高对于媒介昆虫和病毒本身的直接影响较小,主要影响植物初级和次生代谢过程,主要通过引起植物在基因表达、生理生化、营养水平以及生长等各个层面的变化来影响植物,从而通过级联效应改变"植物-媒介昆虫-病毒"之间的互作关系。     

昆虫对全球气候变化的响应与适应性

昆虫对全球气候变化响应研究是全球变化生物学研究的重要分支,其主要研究气候变化下昆虫响应的特征、机制与规律。自20世纪80年代以来,已逐步成为昆虫学和生态学领域的研究热点。本文综述了国内外有关昆虫响应温度、大气CO_2浓度升高、O_3浓度升高、干旱降雨、大气氮沉降的研究进展,重点解析了我国在这些领域所取得的成就,并通过亮点分析和领域概括,提出了我国与国际上研究在方法、系统、思路上的差异。由此,基于我国现有发展状况和国际前沿发展趋势,提出未来气候变化昆虫学的发展方向。     

气候变化对雌雄异株植物影响的研究进展

雌雄异株植物作为陆地生态系统的重要组成部分,在维持生态系统结构和功能稳定性方面发挥着关键作用。但是,由于雌雄异株植物的不同性别植株在形态特征、生理特征和资源分配等方面均存在明显差异,至今对全球气候变化背景下雌雄植物的性别差异响应机制的认识仍十分有限。本文综述了全球变暖、降水变化和大气CO2浓度升高等主要气候因子变化对雌雄异株植物的影响,探讨了雌雄异株植物对气候变化响应的性别差异,提出了未来雌雄异株植物与气候变化关系研究的重点,以期为揭示陆地生态系统结构和功能稳定性对气候变化的响应机制提供参考依据。     

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。     

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。     

大气CO2浓度升高对光合作用的影响

众多的事实表明,大气的CO_2浓度正不断地升高,从工业化革命时期的270—280ppm 上升到现在的350ppm 左右,平均每年以1.2—1.4ppm 的速率递增,预计21世纪中后期大气CO_2浓度将上升为现在的两倍。CO_2作为温室气体,必然给全球的生态环境带来深刻的变化,因此,植物如何对大气CO_2浓度的升高作出响应,已引起各国科学家的普遍关注,因此此课题已成为目前比较活跃的研究领域。CO_2是光合作用的原料,故弄清楚光合作用如何对大气CO_2浓度升高作出响应,对于了解未来大气CO_2浓度升高对植物的影响尤其重要。本文将讨论大气CO_2浓度升高对光合作用的影响,及其影响的机制。     

陆地森林植被植物细根对全球气候变化的响应研究进展

全球气候变化对陆地森林生态系统与生物多样性造成了较为明显的负面和潜在影响, 由此引发了各种生态环境问题。细根作为植物最活跃的组成部分之一, 在调节陆地森林生态系统碳平衡和养分循环的过程中发挥着重要作用。植物细根对全球气候变化的响应研究已成为当前全球变化背景下陆地生态系统关注的热门课题之一。全球气候变化是以温室气体(CO2、N2O)浓度持续上升、氮沉降加剧、全球气候变暖为主要特征。为此该文从以下几个方面对该领域的研究进展进行综述: (1)CO2浓度升高对植物细根的影响; (2)氮沉降增加对植物细根的影响; (3)温度升高和降水变化对植物细根的影响。最后, 进一步探讨了该领域研究仍存在的科学问题, 提出了未来研究展望。研究结果不仅为进一步研究全球气候变化对植物细根的影响提供重要的理论依据和参考, 也丰富了全球变化背景下根系生态学相关科学理论。     

CO_2浓度升高对水体硝化、反硝化作用的影响研究进展

大气CO_2浓度升高潜移默化地影响着水体生态系统的碳循环过程.然而,该过程如何影响与其耦合的氮循环过程仍不明确.水体硝化、反硝化过程作为水体氮循环的重要环节,必然会对大气CO_2浓度升高产生一系列的响应.本文总结了国内外关于大气CO_2浓度升高对水体理化性质、硝化作用、反硝化作用及N形态转化影响方面的研究工作,发现大气CO_2浓度升高会降低水体的p H,增加水中CO_2和HCO_3^-含量,但对富营养化与寡营养化水体中硝化、反硝化作用的影响具有明显差异.大气CO_2浓度升高抑制寡营养化水体的硝化作用和反硝化作用,降低N2_O的释放通量,抑制富营养化水体的硝化作用,但当水体pH在7～9时,可能促进反硝化作用,增加N2_O的释放通量,最终可能导致水体中NH_4^+的积累及NO_3^-浓度的降低,影响水体中微生物的多样性.在此基础上提出目前相关研究存在的瓶颈问题及值得深入探讨的科学问题,为进一步深入理解温室效应背景下全球CO_2浓度升高对水体生态系统N循环的影响提供参考.     

高浓度CO_2下植物内源激素响应机制研究进展

随着工业化的不断发展,特别是化石燃料的使用迅速增加,大气CO_2浓度随之不断上升。CO_2浓度的不断升高会很大程度的影响植物生长发育,而植物体内各种激素之间的相互协调是调节植物生长发育的重要途径。因此,研究大气CO_2浓度升高后植物内源激素含量的变化及内在响应机制将有重大的意义及发展前景。现阶段,对于高CO_2浓度下植物根系形态、生长发育等研究的比较广泛,但与植物内源激素相结合的研究还甚少。回顾了其他学者的研究成果,研究发现大气CO_2浓度升高能够加速净同化率,改善净光合,同时积累生长促进激素,减少生长抑制激素,从而调节同化物的分配,促进植物生长。并综述了植物的内源激素,包括生长素(IAA)、赤霉素(GA_3)、脱落酸(ABA)、细胞分裂素(CK)和乙烯(ET)对CO_2浓度升高的响应,分析了CO_2对于相关激素合成和信号转导途径中基因表达的影响,包括不同植物内源激素含量变化及其内在响应机制的研究进展,并展望本领域中有待深入的研究方向。     

全球气候变化对陆地植物碳氮磷生态化学计量学特征的影响

全球气候变化背景下生物地球化学循环的响应规律和陆地植物适应对策已受到广泛关注.本文在分析气候变暖和降水变化对不同生态系统植物C∶N∶P的影响、CO₂浓度升高对不同光合途径物种元素的影响,以及氮沉降对土壤 植物元素影响的短期和长期效应等基础上,从植物生理特性和土壤有效营养元素变化等方面揭示了其可能存在的内在机理,以期为研究C、N、P化学元素在土壤 植物之间传递与调节机制、陆地生态系统结构和功能,以及生物地球化学元素循环对气候变化的响应提供理论依据.最后提出了该领域研究中存在的问题及对今后研究的展望.     

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。     

森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述

在大气CO2浓度升高和氮沉降增加等全球变化背景下,森林生态系统减缓CO2浓度升高的作用及其对全球变化的响应和反馈存在诸多不确定性.森林生态系统碳氮循环相互作用及功能耦合规律的研究是揭示这些不确定性的基础,也是反映森林生态系统生物产量与养分之间作用规律,涉及林地持久生产力（sustainability of long-term site productivity）的生态学机理问题.森林生态系统碳氮循环的耦合作用表现在林冠层光合作用的碳固定过程,森林植物组织呼吸、土壤凋落物与土壤有机质分解、地下部分根系周转与呼吸等碳释放过程,这些过程存在反馈机理和非线性作用,最终决定森林生态系统的碳平衡.着重在生态系统尺度上,综述了碳氮循环耦合作用研究的一些进展与存在的问题,对今后研究方向进行了展望.     

大气中CO2浓度升高对植物的影响

大气中CO_2浓度升高以及由此所引起的温室效应已成为人们普遍关注的议题。在未来的世界里,CO_2浓度将持续上升。预计到21世纪中叶,CO_2浓度可能达到700ppm。一些试验结果表明;CO_2浓度升高对多数植物的个体生长发育有促进作用,其中包括种子的发芽率提高,幼苗生长加快,叶面积增大,根系数量增多,气孔数量减少,茎干生长轮加宽,开花期提早,种子产量提高等。但是,CO_2浓度升高对植物也有不利影响。在高CO_2浓度环境中,由于过量产生的碳水化合物在叶片中的积累和矿物质的不平衡,许多植物在生长后期生长缓慢或出现负增长;个体生长发育规律的变化将导致一些增长种群逐渐向衰退种群过渡;C_3类杂草的加速生长将引起农业欠收;群落结构与组成的变化将促使一些植物走向绝灭;植物残渣中碳氮比的改变将引起生态系统生产力的下降等。因此,对于今后大气中CO_2浓度升高的影响还要做大量的研究。     

CO2浓度和气温升高对植物形态结构影响的研究进展

形态结构是植物对气候变化响应研究中的重要内容之一。论文分别综述了CO₂浓度、气温及二者同时升高对植物株高、分枝、冠型、叶片和根系形态结构的影响。结果表明,大气CO₂浓度升高促进植物的枝、茎、节间长和根系的生长,因而改变了植物的冠层结构和根系结构;单独气温升高或CO₂浓度和温度同时升高对植物形态结构的影响因不同功能群、种或区域而显现出不确定性;通过对比研究,探讨了各研究结果出现差异的可能原因。最后分析了目前气候变化对植物形态结构影响研究的特点并提出未来应加强形态结构变化机理及形态结构变化与生态系统功能之间关系的研究。     

土壤呼吸对降雨变化和氮沉降交互作用响应的研究进展

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的关键过程,对大气CO₂浓度变化有直接影响。研究其如何响应降雨变化、氮沉降增加等全球变化因子,成为近年全球变化领域的热点与难点。与土壤呼吸响应降雨变化或氮沉降增加单个因子相比,研究土壤呼吸对这两个因子交互作用的响应更接近真实的自然环境,可更准确地预估未来土壤碳排放的变化趋势。目前,相关研究涉及全球不同的陆地生态系统,从土壤、微生物和植物层面对其响应机理进行揭示。本文从土壤呼吸及其组分、相关的土壤性质、微生物及植物因素方面,较全面地梳理了不同陆地生态系统土壤呼吸响应降雨变化和氮沉降增加交互作用的研究进展,指出了现有研究中的不足及今后需加强的研究方向,以期为进一步揭示土壤呼吸对降雨变化和氮沉降增加交互作用的响应规律及机制提供参考。     

植物光合产物分配及其影响因子研究进展

植物光合产物分配受环境因子和生物因子的共同影响。为增进对植物对全球变化响应的理解, 从植物个体水平与群落/生态系统水平综述了植物光合产物分配的影响因子与影响机理的最新研究进展。植物个体在光照增强及受水分和养分胁迫时, 会将光合产物更多地分配到根系; CO₂浓度升高对植物光合产物分配的影响受土壤氮素的制约, 植物受氮素胁迫时, CO₂浓度升高会促进光合产物更多地分配到根系; 反之, 对植物光合产物分配没有影响。植物群落/生态系统的光合产物分配对环境因子的响应不敏感; 光合产物向根系的分配比例随其生长阶段逐渐降低。功能平衡假说、源汇关系假说和相关生长关系假说分别从环境因子、个体发育和环境因子与个体发育协同作用方面阐述了植物光合产物分配的影响机理。在此基础上,指出了未来拟重点加强的研究方向: 1)生态系统尺度的光合产物向呼吸部分的分配研究; 2)地下净初级生产力(belowground net primary productivity, BNPP)研究; 3)温室和野外条件下及幼苗和成熟林光合产物分配对环境因子响应的比较研究; 4)生态系统尺度的多因子控制试验; 5)整合环境因子和个体发育对植物光合产物分配格局的影响研究。     

CO_2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CO_2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CO_2浓度倍增(从350μmol·mol~(–1)增加到700μmol·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)CO_2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)CO_2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CO_2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CO_2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。     

土壤有效氮及其相关因素对植物细根的影响

细根(直径≤2mm)作为植物吸收水分和养分的主要器官之一,在陆地生态系统养分循环和能量流动中起重要作用。开展土壤有效氮变化对植物细根影响研究对于了解全球气候变化条件下的陆地生态系统养分循环具有重要意义。本文就相关研究进行了综述:1)土壤有效氮变化对植物细根生长、发育、寿命及呼吸的直接影响;2)土壤质地、温度、大气CO2浓度和氮沉积等相关因素对植物细根的影响。由于研究方法及物种间差异等的影响,研究结果不尽相同。今后,应在不同空间尺度上深入研究土壤有效氮对植物细根的影响,而植物细根-土壤-微生物三者间相互关系变化对土壤氮变化的潜在响应将可能成为今后研究的热点问题之一。