氮素添加和CO2浓度升高对白羊草根际和非根际土壤水溶性有机碳、氮的影响

采用盆栽控制试验对黄土丘陵区白羊草在不同CO₂浓度(400和800 μmol·mol^-1)和施氮水平(0、2.5、5.0 g N·m^-2·a^-1)条件下根际和非根际土壤水溶性有机碳(DOC)和水溶性有机氮(DON)的变化特征进行研究.结果表明: CO₂浓度升高对白羊草根际和非根际土壤DOC、水溶性总氮(DTN)、DON、水溶性铵态氮(NH₄⁺-N)、水溶性硝态氮(NO₃^--N)含量均无显著影响.施氮显著提高了根际和非根际土壤DTN、NO₃^--N含量和根际土壤DON含量,显著降低了根际土壤DOC/DON.在各处理条件下,根际土壤DTN、NO₃^--N和DON含量均显著低于非根际土壤,根际土壤DOC/DON显著高于非根际土壤.短期CO₂浓度升高对黄土丘陵区土壤水溶性有机碳、氮含量无显著影响,而氮沉降的增加在一定程度上改善了土壤中水溶性氮素缺乏的状况,但并不足以满足植被对水溶性氮素的需求.     

CO2浓度倍增条件下土壤干旱对两种沙生灌木碳氮含量及其适应性的影响

研究利用大型环境生长箱模拟了两种沙地优势灌木柠条和羊柴对 CO2 浓度倍增和土壤干旱交互作用的响应。 CO2 浓度倍增使柠条和羊柴的生物量分别增加了 6 2 .90 %和 5 0 .0 0 % ,使植株叶面积分别增加了 4 1.86 %和 4 5 .84 %。 CO2 浓度的倍增效应随着土壤干旱的增加而下降。 CO2 浓度倍增和土壤干旱都增加单位叶面积质量 (L MA) ,但 CO2 浓度倍增主要增加了水分充足时的 L MA。 CO2 倍增使柠条和羊柴叶片含氮量分别降低了 10 .4 0 %和 5 .0 6 %。柠条叶片含氮量在所有土壤干旱条件下均呈现出增加的趋势 ,而羊柴叶片的含氮量仅在严重干旱条件下增加。 CO2 倍增使叶片的碳氮比显著增加 ,但土壤干旱使之降低。CO2 浓度倍增降低叶肉细胞质膜的过氧化产物丙二醛 (MDA )的含量 ,干旱使之增加。叶片含氮量与 MDA呈显著正相关。研究表明 CO2 倍增有保护叶片免受严重土壤干旱的作用 ,但干旱的负面影响是 CO2 倍增效应所难以弥补的     

施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO2通量和活性有机碳库的影响

于2012年7月—2013年7月,在浙江省临安市典型板栗林样地采用静态箱-气相色谱法测定了施用竹叶生物质炭后板栗林土壤CO₂排放速率及土壤温度、含水量、水溶性有机碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)含量变化.结果表明： 板栗林土壤CO₂排放通量呈现显著的季节性变化特征.在试验的第1个月中,生物质炭处理土壤CO₂排放通量显著高于对照(无生物质炭),但之后无显著差异;生物质炭处理的土壤CO₂通量年均值和年累积排放量与对照相比无显著差异.生物质炭处理土壤MBC含量年均值(362 mg·kg^-1)显著高于对照(322 mg·kg^-1),而土壤WSOC年均值无显著差异.土壤CO₂排放通量与不同土层土壤温度之间均具有显著相关性;生物质炭处理的土壤呼吸温度敏感系数Q₁₀值显著高于对照;土壤CO₂排放通量与WSOC含量之间具有显著相关性,而与土壤含水量和MBC含量均无显著相关性.综上所述,施用竹叶生物质炭对板栗林土壤CO₂年累积排放量无显著影响,但增加了土壤Q₁₀值;土壤温度和WSOC含量是影响板栗林土壤CO₂排放的主要因素.     

微咸水滴灌对土壤酶活性、CO2通量及有机碳降解的影响

利用微咸水灌溉是解决干旱区水资源短缺的重要途径.通过田间小区滴灌试验,研究了不同矿化度微咸水(0.31、3.0、5.0 g·L^-1,NaCl浓度)对土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性的影响,采用土壤碳通量和物料袋法研究了土壤CO₂通量和有机碳降解对微咸水滴灌的响应.结果表明: 微咸水(3.0 g·L^-1)处理下蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶的活性分别比淡水处理降低31.7%～32.4%、29.7%～31.6%、20.8%～24.3%,而土壤多酚氧化酶活性则随灌溉水矿化度提高而显著升高,在膜下微咸水、咸水处理多酚氧化酶较淡水处理提高2.4%、20.5%.土壤微生物生物量碳和微生物熵均随灌溉水矿化度提高呈降低趋势,而代谢熵则呈升高趋势.不同处理对土壤CO₂通量影响表现为淡水＞微咸水≥咸水,且膜下CO₂通量显著高于膜间(P<0.05),棉花吐絮期(9月20日)膜下淡水处理较咸水和微咸水处理的CO₂通量分别升高29.8%、28.2%,微咸水滴灌显著降低了土壤CO₂通量.不同矿化度微咸水滴灌对有机物(棉花和苜蓿秸秆)的降解率表现为淡水＞微咸水＞咸水,膜下有机物降解显著高于膜间.在培养第125天时,咸水、微咸水、淡水处理的膜间棉花秸秆回收率分别为39.7%、36.3%、30.5%,膜间苜蓿秸秆回收率分别为46.5%、36.5%、35.4%.微咸水灌溉明显抑制了北疆滴灌棉田土壤酶活性,造成土壤微生物量和CO₂通量下降,土壤有机物降解率降低,使绿洲农田土壤生物性状变差.     

草地植物根系碳储量和碳流转对CO2浓度升高的响应

植物根系是陆地生态系统重要的碳汇和矿质养分库,也是土壤中碳及养分的主要来源,只有深入认识CO2浓度升高下根系的碳汇功能和根系周转对土壤碳库的影响,才能准确预测生态系统对全球变化的响应与反馈调节作用.介绍了CO2浓度升高对草地植物根系生物量、根系凋落物的数量和品质以及根系周转速率的影响,指出研究植物体内碳向根分配格局的变化趋势必须考虑CO2浓度升高的直接和间接两方面作用;在预测根系碳库储量的动态变化时,需要区分不同功能根系组分的生物量;为更准确估算根系周转速率,有必要确立草地植物根系直径与其寿命之间的关系;CO2浓度升高普遍提高根系凋落物的C/N,但以此判定其在土壤中的分解速率快慢并不可靠,需要进一步从机理上探究根系凋落物分解的控制因素.     

开放式空气CO2浓度增高对水稻冠层微气候的影响

利用位于江苏省无锡市安镇的我国唯一的农田开放式空气CO₂浓度增高(FACE)系统平台,于2001年8月26日至10月13日(水稻抽穗至成熟期)进行水稻作物冠层微气候连续观测,以研究FACE对水稻冠层微气候特征的影响.结果表明,FACE降低了水稻叶片的气孔导度,FACE与对照水稻叶片气孔导度的差异上层叶片大于下层叶片,生长前期大于生长后期.FACE使白天水稻冠层和叶片温度升高,这种差异生长前期大于生长后期;但FACE对夜间水稻冠层温度的影响不明显.在水稻旺盛生长的抽穗开花期,晴天正午前后FACE水稻冠层温度比对照高1.2℃;从开花至成熟期,FACE水稻冠层白天平均温度比对照高0.43℃.FACE对冠层空气温度也有影响,白天水稻冠层空气温度FACE高于对照,这种差异随太阳辐射增强而增大且冠层中部大于冠层顶部;冠层中部空气温度FACE与对照的差异(T_face-T_ambient)日最大值在0.47～1.2℃之间,而冠层顶部的T_face-T_ambient日最大值在0.37～0.8℃之间.夜间水稻冠层空气温度FACE与对照差别不大,变化在±0.3℃之内.而FACE对水稻冠层空气湿度无显著影响,表明FACE使水稻叶片气孔导度降低,从而削弱了植株的蒸腾降温作用,导致水稻冠层温度和冠层空气温度升高,改变了整个水稻冠层的温度环     

覆膜对绿洲棉田土壤CO2通量和CO2浓度的影响

基于静态箱法和气井法分别测定新疆棉田覆膜位置的土壤CO2通量和CO2浓度.结果表明:土壤CO2通量和CO2浓度时间变化特征与土壤温度变化趋势一致,均表现为7月较高,10月最低.观测期内,棉田土壤CO2累积排放量非覆膜处理为2032.81 kg C·hm-2,覆膜处理为1871.95 kg C·hm-2;而1 m深度内土壤CO2浓度非覆膜处理为2165~23986μL·L-1,覆膜处理为5137~25945μL·L-1,即覆膜减少了棉田土壤排放CO2的同时增加了土壤CO2积累量.覆膜和非覆膜处理下不同深度土壤CO2浓度和CO2通量的相关系数分别为0.60~0.73和0.57~0.75,表明地表释放的CO2强烈依赖于土壤剖面储存的CO2.覆膜和非覆膜处理下Q10值分别为2.77和2.48,表明覆膜处理下的土壤CO2通量对土壤温度变化的响应更敏感.     

开放式空气CO2浓度增高对水稻产量形成的影响

在大田栽培条件下,研究开放式空气CO₂浓度增加(FACE)200μmol·mol^-1的处理对水稻产量及产量构成因素的影响.结果表明,FACE处理对水稻株高和主茎叶片数没有明显影响,但使水稻生育进程加快,全生育期显著缩短,增加施N量可减缓FACE处理对水稻全生育期缩短的程度;FACE处理能显著增加分蘖数,极显著增加穗数,提高结实率,但使每穗颖花数显著减少;FACE处理能显著提高水稻产量,在高N条件下增产幅度更大;提高FACE处理的每穗颖花数和单位面积颖花数能极显著提高水稻产量,增加施N量是提高FACE处理每穗颖花数和单位面积颖花数的重要措施.     

大气CO2浓度升高对农产品品质影响的研究进展

大气中不断升高的CO₂浓度以及人类饮食的营养质量是目前我们面临的两个重大问题.目前,大气中CO₂浓度已达到380 μmol·mol^-1,预测到2050年大气CO₂浓度将达到550 μmol·mol^-1.农产品的品质不仅取决于遗传基因,而且受生长环境条件的影响.大量研究表明,农作物的生长发育和产量形成都对CO₂浓度升高做出了响应,而且这种变化对农产品的品质也产生了重要影响.本文对目前国内外模拟CO₂浓度升高对农产品品质影响研究中采用的常见方法进行了比较,并综述了近年来在CO₂浓度升高对水稻、小麦、大豆和其他一些蔬菜类农产品品质影响方面的研究进展.大量试验结果表明,CO₂浓度升高条件下,大宗作物籽粒中蛋白质含量下降,微量元素总体上有下降趋势,而蔬菜类农产品的品质有一定程度改善.最后,本文根据目前研究现状对一些问题进行了讨论并提出了今后的研究方向.     

阴晴天条件下高CO2浓度对杂交稻光合作用影响的FACE研究

光和二氧化碳(CO₂)是绿色植物光合作用的两个基本条件.为了明确不同光照条件下,高CO₂浓度对不同杂交水稻光合特性的影响,2017年利用稻田大型FACE平台,以‘Y两优900’和‘甬优538’为供试材料,设置环境CO₂和高CO₂浓度(增200 μmol·mol^-1)两个水平,分别在拔节期和灌浆期同时测定阴、晴天气条件下顶部全展叶光合特性参数.结果表明: 高CO₂浓度使不同天气情况下两品种叶片的净同化率(P_n)均呈增加趋势,其中晴天条件下的增幅(31%)大于阴天(25%),拔节期的增幅(37%)大于灌浆期(21%),CO₂与天气、CO₂与生育期均存在显著的互作效应.叶片水分利用效率(WUE)对高CO₂浓度的响应趋势与P_n一致.高CO₂浓度环境下叶片气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)均呈下降趋势,晴天条件下的降幅略大于阴天.与晴天相比,阴天条件下叶片P_n、g_s、T_r、WUE和L_s平均分别下降41%、18%、41%、26%和27%,差异均达显著或极显著水平.相关分析表明,晴天P_n、g_s、T_r均与阴天时的参数呈极显著正相关关系.表明阴天使水稻生育中、后期叶片光合参数及其对高CO₂浓度的响应均大幅降低,且两品种表现一致.评估未来水稻产量潜力需要考虑天气条件.     

全球CO2浓度变化与植物的化感作用

ＣＯ２浓度升高会使植物同化物在体内的含量和分配发生变化,这种变化会影响到植物的某些生理代谢功能,进而影响植物次生代谢物质的形成和分泌,就大气ＣＯ２浓度升高和温度增加将如何影响植物叶片及根系次生代谢物、化感物质、植物残体腐解以及化感作用进行了论述,同时针对目前研究现状和未来可持续农业的需要提出了大气ＣＯ２浓度变化下植物化感作用的优先研究领域。     

温室CO2施肥对黄瓜幼苗根系生长及分泌物和伤流液组成的影响

为探讨温室蔬菜CO2施肥的根际效应,以黄瓜幼苗为试材,研究了CO2施肥(上午施肥/上、下午施肥;施肥浓度/对照浓度(950±50)/(350±50)μmol/molCO2)对根系生长及分泌物和伤流液组成的影响。结果表明,CO2施肥明显促进黄瓜幼苗根系发育,根系生物量显著增加;单株根系分泌物中氨基酸、糖、有机酸和酚酸总量增加,但单位鲜重根系分泌量却呈现增幅减少、无变化甚至降低趋势,说明单株分泌量增加主要由根系生长量的增加所引起。CO2施肥促进幼苗对养分的吸收,伤流液中矿质元素、ZT浓度增加,但GA、ABA和IAA浓度降低;与上午CO2施肥相比,上、下午均CO2施肥的效果更明显。CO2施肥促进了黄瓜幼苗根系发育及其代谢活性,为地上部的旺盛生长创造了条件。     

Nitrogen-regulated effects of free-air CO2 enrichment on methane emissions from paddy rice fields

Using the free‐air CO₂ enrichment (FACE) techniques, we carried out a 3‐year mono‐factorial experiment in temperate paddy rice fields of Japan (1998–2000) and a 3‐year multifactorial experiment in subtropical paddy rice fields in the Yangtze River delta in China (2001–2003), to investigate the methane (CH₄) emissions in response to an elevated atmospheric CO₂ concentration (200±40 mmol mol^?1 higher than that in the ambient atmosphere). No significant effect of the elevated CO₂ upon seasonal accumulative CH₄ emissions was observed in the first rice season, but significant stimulatory effects (CH₄ increase ranging from 38% to 188%, with a mean of 88%) were observed in the second and third rice seasons in the fields with or without organic matter addition. The stimulatory effects of the elevated CO₂ upon seasonal accumulative CH₄ emissions were negatively correlated with the addition rates of decomposable organic carbon (P<0.05), but positively with the rates of nitrogen fertilizers applied in either the current rice season (P<0.05) or the whole year (P<0.01). Six mechanisms were proposed to explain collectively the observations. Soil nitrogen availability was identified as an important regulator. The effect of soil nitrogen availability on the observed relation between elevated CO₂ and CH₄ emission can be explained by (a) modifying the C/N ratio of the plant residues formed in the previous growing season(s); (b) changing the inhibitory effect of high C/N ratio on plant residue decomposition in the current growing season; and (c) altering the stimulatory effects of CO₂ enrichment upon plant growth, as well as nitrogen uptake in the current growing season. This study implies that the concurrent enrichment of reactive nitrogen in the global ecosystems may accelerate the increase of atmospheric methane by initiating a stimulatory effect of the ongoing dramatic atmospheric CO₂ enrichment upon methane emissions from nitrogen‐poor paddy rice ecosystems and further amplifying the existing stimulatory effect in nitrogen‐rich paddy rice ecosystems.     

间作对旱地CO2和N2O排放影响的研究进展

农田温室气体排放是近年来科学界的研究热点,采用合适的种植模式是减少农田温室气体排放的有效途径之一.本文综述了作物间作对旱地土壤CO₂和N₂O排放的影响及机理.合理间作能够提高土壤有机碳(SOC)含量、促进不同作物秸秆向SOC转化、降低SOC矿化速率,从而减少CO₂排放.禾本科与豆科作物间作能够在维持作物产量的情况下,减少化学氮肥投入、土壤有效氮残留及还田秸秆产生的无机氮,降低N₂O排放.间作作物的互作、田间小气候环境的改善也是影响土壤温室气体排放的重要因素.今后,要增加土壤温室气体监测时长并对影响因子进行综合、全面的分析,尤其是从分子水平探究间作模式下土壤微生物对温室气体产生过程的作用机理,为构建环境友好型农业模式提供科学依据.     

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.     

Seasonal changes in the effects of free-air CO2 enrichment (FACE) on growth, morphology and physiology of rice root at three levels of nitrogen fertilization

Over time, the relative effects of elevated [CO₂] on the aboveground photosynthesis, growth and development of rice (Oryza sativa L.) are likely to be changed with increasing duration of CO₂ exposure, but the resultant effects on rice belowground responses remain to be evaluated. To investigate the impacts of elevated [CO₂] on seasonal changes in root growth, morphology and physiology of rice, a free‐air CO₂ enrichment (FACE) experiment was performed at Wuxi, Jiangsu, China, in 2002–2003. A japonica cultivar with large panicle was exposed to two [CO₂] (ambient [CO₂], 370 μmol mol⁻¹; elevated [CO₂], 570 μmol mol⁻¹) at three levels of nitrogen (N): low (LN, 15 g N m⁻²), medium (MN, 25 g N m⁻²) and high N (HN, 35 g N m⁻²). Elevated [CO₂] increased cumulative root volume, root dry weight, adventitious root length and adventitious root number at all developmental stages by 25–71%, which was mainly associated with increased root growth rate during early growth period (EGP) and lower rate of root senescence during late growth period (LGP), while a slight inhibition of root growth rate occurred during middle growth period (MGP). For individual adventitious roots, elevated [CO₂] increased average length, volume, diameter and dry weight early in the season, but the effects gradually disappeared in subsequent stages. Total surface area and active adsorption area per unit root dry weight reached their maxima 10 days earlier in FACE vs. ambient plants, but both of them together with root oxidation ability per unit root dry weight declined with elevated [CO₂] during MGP and LGP, the decline being larger during MGP than LGP. The CO₂‐induced decreases in specific root activities during MGP and LGP were associated with a larger amount of root accumulation during EGP and lower N concentration and higher C/N ratio in roots during MGP and LGP in FACE vs. ambient plants. The results suggest that most of the CO₂‐induced increases in shoot growth of rice are similarly associated with increased root growth.