华北平原冬小麦农田生态系统CO2通量特征及其影响因素

利用2014—2015年中国科学院封丘农业生态实验站涡度相关系统观测的冬小麦农田生态系统CO₂通量数据,结合试验地常规气象观测系统的气象数据,分析冬小麦4个生育期(分蘖期、越冬期、拔节期和灌浆期)内CO₂通量的日变化,研究净生态系统碳交换(NEE)的季节变化及其与气象要素的关系.结果表明: 冬小麦整个生育期内NEE为-360.15 g C·m^-2,总初级生产力总量为1920.01 g C·m^-2,冬小麦农田生态系统具有较强的固碳能力.冬小麦农田生态系统CO₂通量具有明显的日变化和季节变化特征,分蘖期表现为碳源,越冬期、拔节期和灌浆期表现为碳汇.表观初始光能利用率平均值为0.03 mg CO₂·μmol^-1,光饱和时的生态系统生产量平均值为1.53 mg CO₂·m^-2·s^-1,月平均生态系统呼吸为193.92 g C·m^-2·month^-1.冬小麦农田生态系统4个生育期NEE与光合有效辐射的相关关系均达到极显著水平.分蘖期、拔节期和灌浆期NEE与饱和水汽压差的相关关系极显著,越冬期达显著水平.冬小麦分蘖期、越冬期和灌浆期NEE日总量与土壤温度呈正相关,拔节期呈负相关关系.     

日光温室CO2浓度变化规律研究

研究了日光温室内CO₂浓度的时空变化规律.结果表明,日光温室CO₂浓度日变化曲线通常呈不规则“U”形,有时呈不规则“W”形.冬春栽培过程中日最高CO₂浓度逐渐减小,日最低浓度和昼平均浓度先降后升,CO₂亏缺时间逐渐延长.温室内CO₂空间分布特点通常是早晨和傍晚为前部>中部>后部,近地面层>作物冠层>顶层;中午前后为前部<中部<后部,近地面层>顶层>作物冠层.影响日光温室CO₂浓度变化的主要环境因素是光照度,通风不能阻止温室内高浓度CO₂外逸和避免CO₂亏缺.幼苗期群体光合较弱、土壤呼吸旺盛,温室CO₂浓度较高;结果期群体光合旺盛、土壤呼吸衰竭,CO₂亏缺严重.     

开放式空气CO2浓度增高条件下旱地土壤气体CO2浓度廓线测定

设计了一套适合于FACE(free-air CO₂ enrichment)平台的旱地土壤气体CO₂浓度廓线测定方法,并将其应用于田间实验.在江苏省无锡市郊区具有太湖地区典型水稻土的稻麦轮作农田,对FACE和对照麦田以及裸土0～30cm土层的土壤气体CO₂浓度廓线进行了观测研究.结果表明,所采用的方法满足进行旱地农田土壤气体CO₂浓度廓线研究的要求;在0～30cm土层中,上层土壤气体中的CO₂向上垂直扩散要比下层土壤快;在作物旺盛生长期,大气CO₂浓度升高200±40μmol·mol^-1使0～30cm土层的土壤气体CO₂浓度显著提高14%±5%(t检验P<0.001).     

热带山地雨林CO2浓度环境的时空梯度特征

基于2000年旱、雨季梯度观测结果叠加分析晴及晴间少云天气,山地雨林垂直CO2浓度雨季在333～350ml/m3的时间空间特征显著即800～1800林内1 6m至冠顶28m,较旱季浓度分别小10～21、7～20.2ml/n3,夜间呼吸影响空间的最大浓度均在近林地上5m、出现时段有季节性差别.800～1800林冠上CO 2浓度梯度、气温梯度表明,大气至林冠的CO2通量和冠层指向大气的热通量特征显著,夜间则梯度值减小、方向相反,且雨季晴天的△Ct/△Z大于旱季,旱季气温梯度大于雨季;林内二氧化碳垂直梯度(△Ct/△Z＜0)昼夜均小于零,即林地指向上层的CO2通量特征显著,且两类天气均表现出雨季的浓度梯度大于相应的旱季.从而,科学地揭示出在28m的山地雨林垂直高度上,植物光合固定CO2最多而导致空间浓度最低的季节、天气、时间和空间,同时证实冠上两个高度实时气温与相应CO2浓度成CCO2.=a10b/T.而山地雨林水汽压时空则较为直观地解释了蒸发、扩散和乱流机制影响的效果以及雨林"雨"形成的特征.     

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.     

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。     

干旱胁迫和CO2浓度升高条件下白羊草的光合特征

采用盆栽控制试验,研究了黄土丘陵区乡土种白羊草在不同水分水平(80%FC和40%FC)和CO₂浓度(375和750 μmol·m^-2·s^-1) 处理下的光合生理变化特征.结果表明： 干旱胁迫使白羊草的最大净光合速率(P_nmax)、表观量子效率(AQE)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)、最大光化学效率(F_v/F_m)、潜在光化学效率(F_v/F_o)和光合色素含量降低,丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量升高.水分充足条件下,与正常大气CO₂浓度相比,大气CO₂浓度倍增下白羊草的P_{n max}、MDA和Pro含量无显著差异.干旱胁迫下,CO₂浓度升高提高了白羊草的最大荧光(F_m)、F_v/F_m、F_v/F_o、叶绿素含量和AQE, P_nmax比正常CO₂浓度下高23.3%,差异达到显著水平,而MDA和Pro含量均显著降低.CO₂浓度升高对干旱胁迫引起的白羊草光合能力下降有一定的补偿作用,减轻了干旱胁迫对白羊草的伤害.     

高CO2浓度对大型海藻光合作用及有关过程的影响

大气CO2浓度升高对陆生植物的影响引起广泛的关注,相对来讲,人们对大型海藻类与CO2浓度升高关系的研究则要薄弱得多,但近年来在这方面仍有很大进展。高CO2浓度下,许多大型海藻表现出光合能力下降,对海水中HCO3^-利用能力下降,并使得光合量子产额下降;而另一些大型海藻则没有上述光合作用的下调现象。另外,高CO2浓度下,大型海藻的其它许多生理过程（如生长、呼吸作用、营养盐代谢、生化组成以及钙化作用等）,均发生了相应的变化。文章分析了影响高CO2浓度对大型海藻效应的主要因素,并对今后的研究作了展望。     

CO2浓度增加和施氮对栓皮栎幼苗生理生态特征的影响

通过人为控制CO₂浓度(700、400 μmol·mol^-1)和氮素水平(120 kg N·hm^-2),研究了CO₂浓度增加和氮沉降及其交互作用对北界(辽宁庄河)栓皮栎幼苗生理生态特征的影响.结果表明: CO₂浓度升高使栓皮栎幼苗叶片的形态、光合色素含量和氮含量有减小的趋势,暗呼吸速率较对照降低63.3%,可溶性糖增加2.6%.氮沉降对栓皮栎叶片的形态和光合色素含量有明显的促进作用,叶N含量增加而K含量降低,N/K值增加26.7%.CO₂和N交互作用对幼苗叶形态和光合作用有明显的促进作用,叶片最大净光合速率和光饱和点分别是对照的1.4倍和2.6倍,暗呼吸速率和光补偿点分别降低65.9%和50.0%.CO₂浓度升高和N沉降均对栓皮栎幼苗生长有一定的促进作用,可能导致栓皮栎分布界线北移.     

大气CO2浓度升高与森林群落结构的可能性变化

大气ＣＯ２浓度升高的所引起的森林生态系统稳定性的变化会导致森林在结构和功能上的变动,概述了大气ＣＯ２浓度升高和陆地森林生态系统可能性变化之间的相互关系的研究情况。由于大气ＣＯ２浓度升高出现了额外多的Ｃ,供应,讨论了以这些额外多的Ｃ经大气－植物－土壤途径的流动走向,来研究大气ＣＯ２浓度的升高,与森林结构的相互作用,探讨了大气ＣＯ２浓度升高对森林植物生长、冠层结构、引发的生物量增量的分配、凋落物质量和     

施用生物炭和秸秆还田对华北农田CO2、N2O排放的影响

以华北农田冬小麦-夏玉米轮作体系连续6a施用生物炭和秸秆还田的土壤为研究对象,于2013年10月—2014年9月,采用静态暗箱-气相色谱法,对CO_2、N_2O通量进行了整个轮作周期的连续观测,探究施用生物炭与秸秆还田对其排放通量的影响。试验共设4个处理:CK(对照)、C1(低量生物炭4.5 t hm~(-2)a~(-1))、C2(高量生物炭9.0 t hm~(-2)a~(-1))和SR(秸秆还田straw return)。结果表明:在整个轮作周期内,各处理CO_2、N_2O通量随时间的变化趋势基本一致。随着生物炭施用量的增加,CO_2排放通量分别增加了0.3%—90.3%(C1)、1.0%—334.2%(C2)和0.4%—156.3%(SR)。其中,C2处理对CO_2累积排放量影响最大,增幅为42.9%。对N_2O而言,C2处理显著降低了N_2O累积排放量,但增加了CO_2和N_2O排放的综合增温潜势,C1和SR处理对N_2O累积排放量及综合增温潜势均没有显著影响。相关分析表明,土壤温度和土壤含水量是影响CO_2通量最主要的因素,两者之间呈极显著的正相关关系;N_2O通量与土壤温度、土壤含水量、NO_3~--N和NH_4~+-N均表现出极显著的正相关关系,而与土壤p H值表现出极显著的负相关关系。由此可见,添加生物炭对于减少氮素的气体损失具有较大的潜力。     

华北平原冬小麦田土壤胞外/内酶活性对长期CO2浓度升高的响应

针对农田胞外和胞内酶活性响应CO₂浓度升高认识不足的现状,依托华北平原冬小麦种植区北京昌平试验站长期开放式CO₂富集平台,设置常规和升高两组CO₂浓度处理,研究冬小麦田土壤胞外和胞内酶活性的变化及影响因素。结果表明:CO₂浓度升高促进胞外碳获取酶活性,不影响胞外氮获取酶活性以及全部胞内酶活性。通过量化碳、氮获取酶的胞外胞内比发现,CO₂浓度升高在冬小麦成熟期增强了碳获取酶胞外胞内比,但降低了氮获取酶胞外胞内比。胞外碳、氮获取酶活性都与土壤pH值呈负相关;而胞内碳获取酶活性与土壤含水量正相关,胞内氮获取酶活性与微生物生物量负相关。CO₂浓度升高导致上述大部分酶活性变化驱动因素的作用消失,仅存在土壤全氮与胞内碳获取酶活性负相关。研究结果强调了对胞内酶开展研究的重要性,为理解土壤过程对全球变化因素的响应提供了新见解。     

CO2浓度和降水协同作用对短花针茅生长的影响

关于二氧化碳(CO2)浓度和降水等单因子变化对植物生长的影响研究已很多,但多因子协同作用的影响研究仍较少,制约着植物对全球变化响应的综合理解与预测.利用开顶式生长箱(OTC)模拟研究了CO2浓度升高(450和550 μmol/mol)和降水量变化(-30％、-15％、对照、+15％和+30％)的协同作用对荒漠草原优势植物短花针茅(Stipa breviflora)生长特性的影响.结果表明:550 μmol/mol CO2浓度下短花针茅植株的生物量和叶面积较对照显著增加,但450 μmol/mol CO2浓度下的变化不明显;降水增多导致植株生物量、叶面积、叶数和株高显著增加;CO2浓度与降水协同作用显著影响短花针茅植株生物量.CO2浓度升高在一定程度上缓解了降水减少对短花针茅的胁迫效应,但降水量减少3O％则明显抑制了CO2浓度升高带来的效应.研究结果有助于增进荒漠草原植物对未来气候变化的适应性理解,可为制定荒漠草原应对气候变化的对策提供依据.     

高CO2浓度对杂交水稻光合作用日变化的影响——FACE研究

大气二氧化碳(CO_2)浓度增高导致全球变暖,但作为光合作用底物促进绿色作物的光合作用。为了明确高CO_2浓度对杂交水稻结实期光合日变化的影响,2014年利用稻田FACE(Free Air CO_2Enrichment)平台,以生产上曾创高产纪录的两个杂交稻新组合甬优2640和Y两优2号为供试材料,设置环境CO_2和高CO_2浓度(增200μmol/mol)两个水平,测定杂交稻抽穗期和灌浆中期光合作用日变化和成熟期生物量。结果表明,高CO_2浓度环境下两组合抽穗期叶片净光合速率均大幅增加(全天平均52%),但灌浆中期的平均增幅减半,其中Y两优2号这种光合下调表现更为明显。大气CO_2浓度升高使两杂交稻组合抽穗和灌浆中期叶片气孔导度均大幅下降,导致蒸腾速率下降而水分利用效率大幅增加,Y两优2号气孔导度和蒸腾速率对CO_2的响应上午大于下午,而甬优2640表现相反。尽管大气CO_2浓度升高使杂交稻结实期不同时刻胞间CO_2浓度均大幅增加,但对气孔限制值特别是胞间CO_2与空气CO_2浓度之比多无显著影响,两品种趋势一致。大气CO_2浓度升高对甬优2640地上部生物量及其组分的影响明显大于Y两优2号,CO_2与品种间多存在互作效应。以上结果表明,与甬优2640相比,Y两优2号最终生产力从高CO_2浓度环境中获益较少可能与该品种生长后期存在明显的光合适应有关,但这种光合适应似乎不是由气孔限制造成的。     

The impact of atmospheric CO2 concentration enrichment on rice quality – A research review

Global atmospheric carbon dioxide concentration ([CO₂]) is increasing rapidly. The Intergovernmental Panel on Climate Change estimated that atmospheric [CO₂] has risen from approximately 280 μmol mol^?1 in pre-industrial times to approximately 381 μmol mol^?1 at present and will reach 550 μmol mol^?1 by 2050. In the absence of strict emission controls, atmospheric [CO₂] is likely to reach 730–1020 μmol mol^?1 by 2100. Rising atmospheric [CO₂] is the primary driver of global warming, but as the principal substrate for photosynthesis it also directly affects the yield and quality of crops. Food quality is receiving much more attentions recently, however, compared with grain yield, our understanding in the response of grain quality to elevated [CO₂] is very limited. Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important crops in the world and the first staple food in Asia, providing nutrition to a large proportion of the world’s population. Elevated [CO₂] leads to numerous physiological changes in rice crops, such as changes in the photosynthesis and assimilate translocation, nutrient uptake and translocation, water relation, and altered gene expression and enzyme activity. These altered processes are very likely to affect the chemical and physical characteristics of rice grains. In this review, we first describe main characteristics of rice grain quality, and then summarize findings in literature related to the impact of elevated [CO₂] on grain quality falling into four categories: processing quality, appearance, cooking and eating quality, and nutritional quality, as well as the possible mechanisms responsible for the observed impacts. Elevated [CO₂] caused serious deterioration of processing suitability, in particular, head rice percentage was significantly decreased. In most cases, elevated [CO₂] increased chalkiness of rice grains. The evaluation of physicochemical characteristics together with starch Rapid Visco Analyser (RVA) properties indicated no change or small changes in cooking and eating quality under elevated [CO₂], and these changes could not be detected by sensory taste panel evaluation. Elevated [CO₂] significantly decreased nitrogen or protein concentration in rice grains, while in most cases other macro- and micro-nutrients showed no change or decrease in concentration. In addition, the responses of rice quality to elevated [CO₂] might be modified by varieties, applied fertilizer rates or gas fumigation methodologies. The available information in the literature indicates a clear tendency of quality deterioration and thus lower commercial value for rice grains grown under a projected high CO₂ environment. Understanding the factors causing quality deterioration in rice and the related biological mechanisms might be the utmost important scientific theme in future research. Here we also discuss the necessity of formulating adaptation strategies for rice production in future atmospheric environments, nevertheless, the increase in yield, the improvement in quality and stress resistance of rice should be combined and integrated into the adaptation approaches. Compared with enclosure studies, the field experiments using Free-Air CO₂ Enrichment (FACE) system provide sufficient experimental space and the most realistic mimic of a future high CO₂ atmosphere, and give scientists perhaps the best opportunity to achieve multiple goals.     

大豆主要株型和产量指标对大气CO2和温度升高的响应

针对当前气候变暖和大气CO_2浓度升高同步发生现实,以高光效大豆品种黑农41(HN41)和3个常规对照品种周豆16号(ZD16)、中豆35号(ZD35)和桂黄豆2号(GHD2)为研究对象,通过开顶式气室模拟高CO_2浓度(650μL/L)和温度升高(±0.5—0.6℃)研究了大气CO_2和温度升高对大豆的生长发育与产量影响。结果表明,CO_2浓度升高对株高、茎粗、单株干重和单株籽粒重影响极显著;温度、CO_2与品种互作极显著地影响单株籽粒重。CO_2浓度升高有增加大豆株高、茎粗、干重和单株籽粒重的趋势,且高温下CO_2浓度升高对株高和茎粗的促进作用更大,而正常温度水平下高CO_2浓度升高更有利于干物质积累。与对照CO_2浓度比,高CO_2浓度显著促进了高温下HN41、ZD16和GHD2的株高,并显著提高了正常温度下HN41、ZD16、ZD35和GHD2的单株干重。与正常温度相比,高温仅显著提高了高CO_2处理下HN41的茎粗,并显著提高了对照CO_2处理下HN41的单株籽粒重。此外,同一CO_2浓度和温度处理下,高光效大豆HN41的茎粗、根冠比和单株籽粒重等都显著高于ZD16、ZD35和GHD2;而仅在正常温度与高CO_2浓度处理下HN41的单株干重显著高于ZD16和GHD2。CO_2浓度和温度升高显著影响了高光效大豆的生长,其中,高温下CO_2浓度升高有利于其生长势,正常温度下CO_2浓度升高有利于其光合产物积累。     

杉木人工林不同深度土壤CO2通量

土壤CO₂通量具有明显的时间和空间变异性。土壤温度和含水量是影响土壤CO₂通量的重要因素,同时,不同深度的土壤CO₂通量对温度和含水量变化的响应差异较大,因此,研究土壤CO₂通量和影响因素随土壤深度的变化,对于准确评估土壤碳排放具有重要意义。选择福建三明杉木人工林(Cunninghamia lanceolata)作为研究对象,利用非散射红外CO₂浓度探头和Li-8100开路式土壤碳通量系统,并使用Fick扩散法计算了0-60cm深度土壤CO₂的通量,结果表明:(1)5种扩散模型计算的表层(5cm)CO₂通量与Li-8100测量结果均具有显著相关性(P<0.01),Moldrup气体扩散模型计算结果较好。(2)土壤CO₂浓度随深度的增加而升高,但60cm深度以下土壤CO₂浓度开始降低;不同深度土壤CO₂浓度的日变化均呈现单峰型;0-60cm土壤CO₂通量日通量均值变化范围为0.54-2.17μmol m^-2 s^-1;(3)指数拟合分析显示,5、10cm和60cm深度处土壤CO₂通量与温度具有显著相关性,Q₁₀值分别为1.35、2.01和4.95。不同深度土壤含水量与CO₂通量的相关性不显著。     

CO2升高对枝角类群落结构影响的原位模拟

分别于春、夏两季在太湖梅梁湾进行原位试验,设置3个CO_2浓度梯度,270、380μL/L和750μL/L,以斜生栅藻作为枝角类的食物,研究了CO_2浓度升高对枝角类群落结构的影响。结果表明高CO_2浓度能促进斜生栅藻生长,显著提高枝角类的食物数量;此外CO_2浓度的变化能显著改变枝角类的群落结构,高CO_2浓度有利于象鼻蟤属、秀体蟤属和春季蟤属的生长,而不利于网纹蟤属的生长。这可能是由于CO_2浓度变化改变了枝角类的食物质量,浮游藻类的C∶P比值随CO_2浓度的升高而增加,从而有利于体内含磷量较低,高C∶P的枝角类生长。因此枝角类的群落结构主要受食物质量的影响而与食物的数量无关。研究为预测未来气候变化对太湖浮游动物的影响提供了一些理论依据。     

华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区

利用2013—2014年涡度相关系统观测的华北平原冬小麦农田生态系统通量数据,结合通量贡献区模型FSAM,分析华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区的时空分布特点,对比研究不同大气稳定层结条件和生长期内通量贡献区的分布差异.结果表明: 在主风风向上,冬小麦整个生育期内大气稳定条件下的通量贡献区范围大于不稳定条件下的贡献区范围.在0°～90°主风风向上,生长初期稳定条件下通量贡献区范围比不稳定条件下大17.8 m左右,生长末期稳定条件下的通量贡献区范围比不稳定条件下大11 m左右.生长初期的通量贡献最大值点位置比生长末期距观测点位置远15 m(大气稳定条件)和12.4 m(大气不稳定条件);通量贡献最大值点在稳定条件下比不稳定条件下距观测点位置远5 m(生长初期)和2.4 m(生长末期).在非主风风向上,当风向为90°～180°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值分别位于距观测点的67.8、53.4和47.0、30.8 m.当风向为270°～360°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值位于距观测点的58.8、42和41.1、33.1 m.在整个生育期尺度上,观测塔的通量信息主要来自东北、西南和东南方向,其所占比例分别为35.4%、32.5%和19.4%.冬小麦整个生育期内通量贡献区的主要变化发生在观测点东北方向16.0～173.8 m和西南方向14.7～209 m,通量信息全部来源于农田生态系统.两个典型日期的通量贡献区日变化特征明显,通量贡献区范围随大气稳定条件和风向改变而发生变化.夜晚通量信息全部来源于农田生态系统,白天少部分通量信息来源于居民区和果园.本文的定量化结果可为农田生态系统通量贡献区的研究提供依据.     

Interactive effects of elevated CO2 and temperature on the anatomical characteristics of leaves in eleven species

The anatomical features of leaves in 11 species of plants grown in a temperature gradient and a temperature + CO₂ gradient were studied. The palisade parenchyma thickness, the spongy parenchyma thickness and the total leaf thickness were measured and analyzed to investigate the effects of elevated temperature and CO₂ on the anatomical characteristics of the leaves. Our results show that with the increase of temperature, the leaf thickness of C₄ species increased while the leaf thickness of C₃ species showed no constant changes. With increased CO₂, seven out of nine C₃ species exhibited increased total leaf thickness. In C₄ species, leaf thickness decreased. As for the trend on the multi-grades, the plants exhibited linear or non-linear changes. With the increase of temperature or both temperature and CO₂ for the 11 species investigated, leaf thickness varied greatly in different plants (species) and even in different branches on the same plant. These results demonstrated that the effect of increasing CO₂ and temperature on the anatomical features of the leaves were species-specific. Since plant structures are correlated with plant functions, the changes in leaf anatomical characteristics in elevated temperature and CO₂ may lead to functional differences. Translated from Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(2): 326–333 [译自: 生态学报]