大气二氧化碳浓度升高对植物的影响

现代人类的活动,特别是矿场燃料的大量使用和植被的破坏,导致大气CO2浓度持续上升。该文阐述了CO2浓度升高对植物的形态、生理、产量和品质,种群消长,群落组成,生态系统结构与功能的影响。     

全球大气二氧化碳浓度升高对植物的影响

全球大气二氧化碳浓度升高对植物的影响蒋高明（中国科学院植物研究所,北京１０００４４）ＴＨＥＩＭＰＡＣＴＯＦＧＬＯＢＡＬＩＮＣＲＥＡＳＩＮＧＯＦＣＯ＿２ＯＮＰＬＡＮＴＳＪｉａｉｎｇＧａｏ－ｍｉｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｏｔａｎｙ,Ａｃａｄｅｍｉａ,...     

CO2浓度升高和干旱对春小麦生长和水分利用的生态效应

利用开顶式气室对春小麦进行了一个生长季的CO2倍增盆栽实验,土壤水分控制为3个水平(分别为田间持水量(FWC)的80%、60%、40%).结果显示,CO2倍增显著提高小麦的光合速率.但在相同的CO2测定浓度下, 生长在加倍CO2浓度下的小麦的光合速率比当前CO2浓度下小麦低22%.高CO2浓度显著促进小麦生长,相对增加幅度在适宜水分下最大,为14.8%.80%FWC水分条件下高CO2使植株的干重/高度比增加15.7%.高CO2条件下,小麦的蒸腾速率降低、累积耗水量减少、水分利用效率(WUE)提高,WUE的提高幅度在适宜水分下最大,为30%.干旱(40%FWC)使小麦地上干重和WUE在当前CO2条件下分别降低72%和19%,加倍CO2条件下降低幅度较大,分别为76%和23%.根据以上结果得出结论: (1) 高CO2条件下, 小麦的光合速率、地上生物量和水分利用效率提高;(2) 植物长期生长于高CO2浓度导致光合能力降低;(3) 高CO2对植物侧向生长的促进作用大于垂直生长,即高CO2下植株将相对粗壮;(4) 高CO2对植物的生态效应依赖于土壤水分,在适宜水分下相对较大;(5) 在未来高CO2条件下,干旱引起的减产和水分利用效率减低幅度将会更大.     

春小麦对大气CO2浓度升高的响应及其对麦长管蚜生长发育和繁殖的影响

通过开顶式气室研究了春小麦对大气CO₂浓度升高(542.1±24.8和738.8±25.7 μl·L^-1 vs.382.4±248 μl·L^-1)的响应及其对麦长管蚜生长发育和繁殖的影响.结果表明,大气CO₂浓度升高有利于春小麦的生长.与对照相比,5月5日～6月14日,550和750 μl·L^-1 CO₂浓度处理春小麦的株高分别增加2.80%～14.92%和6.30%～17.56%;4月30日～6月9日,叶面积分别增加5.68%～50.52%和6.14%～83.45%;DC₅₀分别提前了0.39和0.90 d,DC₇₅也分别提前了0.53和1.02 d;茎、叶、穗以及整个地上部组织的鲜、干重均有不同程度的增加.大气CO₂浓度升高可显著提高春小麦的穗长和穗粒数,降低千粒重.与对照相比,550和750 μl·L^-1 CO₂浓度处理的麦穗长分别增加0.56%和3.20%;单株穗粒数分别增加12.5%和18%;而千粒重分别降低了2.23%和6.34%.随着大气中CO₂浓度增加,麦穗中葡萄糖、二糖、多糖、总糖、总糖与总氮的比值都显著增加,而果糖、三糖和总氮含量都显著降低.大气CO₂浓度升高可缩短麦长管蚜的产卵前期和世代历期,提高繁殖量和平均相对生长率.与对照相比,550和750 μl·L^-1 CO₂浓度处理麦长管蚜的平均相对生长率分别提高33.26%和74.34%.麦长管蚜种群的平均相对生长率与寄主麦穗中总糖和总氮的比值相关显著.     

大气二氧化碳浓度升高对光合作用的影响（上）

随着工农业生产的发展和人口的迅速增长,人类对能源和木材等的需求量剧增,这便导致化石燃料（煤、石油和天然气等）的大量消耗和森林的不断砍伐。因此,大气中的ＣＯ２浓度正在持续不断地增加,从工业革命前的２７０μｍｏｌ·ｍｏｌ-１（ｐｐｍ）已上升到了目前的３５０μ?..     

O3浓度升高对小麦根际土壤酶活性和有机酸含量的影响

近地层臭氧(O₃)浓度升高作为全球气候变化的重要因素之一,对土壤生态环境和农作物生长发育造成了很大影响.本研究采用开顶式气室(OTCs)法,探究臭氧浓度升高对小麦不同生育期(分蘖期、拔节期、孕穗期和成熟期)根际土壤酶活性(过氧化氢酶、多酚氧化酶、脱氢酶和转化酶)和有机酸含量(草酸、柠檬酸和苹果酸)的影响规律,并结合根际土壤理化性质、植株根系生长状况等分析其产生影响的原因.结果表明: O₃浓度升高不同程度地提高了小麦成熟期土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶、脱氢酶和转化酶活性,其中过氧化氢酶和多酚氧化酶活性提高达显著水平;在抽穗期,脱氢酶和转化酶活性因臭氧浓度升高而显著提高,增幅最高可达76.7%.在成熟期,O₃浓度升高显著提高了根际土壤中柠檬酸和苹果酸含量;显著降低了根际土壤pH、电导率、总碳和总氮含量,增加了土壤氧化还原电位(Eh);显著降低了小麦根系生物量、总根长和根总表面积,而增加了根平均直径.     

温室气体(CO_2和O_3)升高下转Bt棉凋落物对土壤甲螨种群数量的影响

【目的】Bt棉已在我国种植广泛。而温室气体(CO2和O3)浓度升高会进一步改变植物的化学成分,从而通过凋落物可能会引起土壤动物(甲螨)种群数量的变化。【方法】本文应用开顶式气室(OTC),研究了CO2和O3浓度升高下转Bt棉花凋落物对土壤甲螨种群数量的影响。【结果】研究结果发现,不同取样时间对甲螨种群数量有显著影响,甲螨种群数量的最高值出现在7月份的采样中。CO2浓度升高通过棉花凋落物显著降低了甲螨的种群数量。O3浓度升高通过棉花凋落物降低了常规棉凋落物中的甲螨种群数量,对转Bt作物凋落物中甲螨种群数量无显著影响。【结论】不同温室气体(CO2和O3)浓度升高对土壤甲螨作用不同,其中CO2浓度升高通过棉花凋落物可以显著降低土壤动物的种群数量,而O3浓度升高作用较小。转Bt作物可以缓冲温室气体(CO2和O3)浓度升高通过作物凋落物对土壤动物(甲螨)的影响。     

CO2浓度升高和干旱对春小麦生长和水分利用的生态效应

利用开顶式气室对春小麦进行了一个生长季的CO2倍增盆栽实验,土壤水分控制为3个水平（分别为田间持水量（FWC）的80％,60％,40％）。结果显示,CO2倍增显提高小麦的光合速率。但在相同的CO2测定浓度下,生长在加倍CO2浓度下的小麦的光合速率比当前CO2浓度下小麦低22％。高CO2浓度显促进小麦生长,相对增加幅度在适宜水分下最大为14．8％。80％FWC水分条件下高CO2使植株的干重／高度比增加15．7％,高CO2条件下,小麦的蒸腾速率降低,累积耗水量减少,水分利用效率（WUE）提高,WUE的提高幅度在适宜水分下最大,为30％。干旱（40％FWC）使小麦地上干重和WUE在当前CO2条件下分别降低72％和19％,加倍CO2条件下降低幅度较大,分别为76％和23％。根据以上结果得出结论：（1）高CO2条件下,小麦的光合速率,地上生物量和水分利用效率提高;（2）植物长期生长于高CO2浓度导致光合能力降低;（3）高CO2对植物侧向生长的促进作用大于垂直生长,即高CO2下植株将相对粗壮;（4）高CO2对植物的生态效应依赖于土壤水分,在适宜水分下相对较大;（4）在未来高CO2条件下,干旱引起的减产和水分利用效率减低幅度将会更大。     

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...     

一套用于控制CO_2浓度的人工气候箱——CDCC-1型密闭式动态CO_2气室

CDCC 1型密闭式动态CO2 气室是一套CO2 浓度自动控制系统。试验结果表明 ,CDCC 1型密闭式动态CO2 气室内CO2 浓度控制十分稳定。 2个高浓度CO2 控制处理 ( 75 0 μL L和 1 0 5 0 μL L)的变异量≤ 1 8%,远远小于自然情况下的CO2 浓度变异 ( 8 3 %)。此外 ,CDCC 1型密闭式动态CO2 气室还可精准控制试验环境的温度和湿度 ,从而实现了试验的CO2 浓度、温度、湿度和光周期的稳定控制     

An inexpensive system for exposing plants in the field to elevated concentrations of CO2

An inexpensive, potentially mobile field exposure system is described which may be easily constructed by a small workshop. It may be operated as an open-top with a frustrum or covered with a polycarbonate ‘lid’. The system is cost-effective for CO₂ exposure work because the small size allows provision of CO₂-enriched atmospheres over prolonged periods at relatively low cost. A preliminary assessment of the chambers has been made and concentrations can be maintained at ±6% for a target atmosphere of 680 cm³ m^?3 CO₂ under normal operating conditions. Other chamber environmental conditions are reported.     

用于测定陆地生态系统与大气间CO2交换通量的多通道全自动通量箱系统

陆地生态系统与大气间CO2交换是全球碳循环的最重要组成部分,科学地测定其CO2交换通量一直是陆地生态系统碳循环研究的核心工作之一。提高观测的效率和减少观测对自然的干扰,是科学精确地估算区域和全球尺度上的陆地生态系统与大气间CO2交换量的关键。在参考国内外已有的陆地生态系统与大气间CO2交换通量箱式法观测技术的基础上,发展了一套多通道全自动通量箱系统用来连续观测陆地生态系统或土壤与大气间的CO2交换通量。在黄土高原中国科学院长武农业生态试验站的麦田和苹果园中进行了系统测试,结果表明,该系统不但能够实现自动、连续、多点观测,而且对自然环境的影响比较小,在田间的实验观测中,该系统运行稳定,能够比较客观地得到陆地生态系统与大气间的CO2交换通量。     

箱体特征对箱式法观测水-气界面CO2和CH4通量的影响

箱式法是广泛运用于内陆水体CO₂和CH₄通量监测的重要方法,但各研究中使用的箱体特征存在差异,箱体设计缺少统一标准,从而会影响观测结果。为明确箱体透光性、箱体内外气压差以及箱体内气体混合状态对水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响,本研究基于多通道闭路式动态箱观测系统,分别对比明箱和暗箱、箱体是否配备气压平衡阀及风扇对养殖塘水-气界面CO₂和CH₄通量观测的影响。结果表明: 夏季白天观测期间,与可观测CO₂实际通量的明箱相比,当CO₂呈现排放状态时,暗箱高估了90%的CO₂通量;当CO₂呈现吸收状态时,暗箱低估了50%的CO₂通量。暗箱测得的CH₄扩散通量比明箱低40%。箱体内气压是否与外界气压保持平衡对CO₂和CH₄通量影响均不显著。无风扇的箱体观测的CO₂通量代表性较差,在本研究中较有风扇的箱体高20%。无风扇的箱体难以区分不同途径排放的CH₄通量。在运用箱式法观测水-气界面CO₂、CH₄通量时,应使用透明箱体,并在其中安装风扇辅助气体混合。     

大气二氧化碳浓度与温度升高对红桦幼苗养分积累和分配的影响

利用封闭式生长室,研究了CO2浓度升高(环境CO2 350 μmol·mol-1,EC)、温度升高(环境温度 2 ℃,ET)以及二者同时升高(ECT)对川西亚高山红桦幼苗养分积累和分配的影响.结果表明:经过一个生长季, EC处理下红桦幼苗单株N、P、K积累比对照分别增加44%、45%和11%(P《0.05),ET处理下分别增加37%、76%和9%(P《0.05),ECT处理下分别增加24%、88%和20% (P《0.05).EC处理使N向红桦幼苗叶中分配的比例降低11.68%(P《0.05),向枝、茎、根中分配的比例分别增加2.95%、3.39%和5.34%(P》0.05);ET处理使N向叶中分配的比例增加11.09%(P《0.05),向枝、茎、根中分配的比例分别降低0.69%、10.35%和0.05%(P》0.05).ECT处理下N的分配格局与EC处理相似.3种处理下P和K在红桦幼苗中的分配变化差异较大,CO2浓度和温度升高可能促进植物养分的积累,改变养分在植物各器官间的分配.     

An open-top chamber for measuring soil respiration and the influence of pressure difference on CO2 efflux measurement

1. A new open-top chamber for measuring CO₂ efflux from the soil is reported here. The new design enables measurement of the equilibrium CO₂ efflux, when there is no detectable pressure difference between the chamber and outside nor leakage of CO₂ into or out of the chamber.
2. In previous dynamic-chamber techniques, the measured CO₂ efflux is dependent on the pressure difference between the inside and outside of the chamber, and a negative pressure difference of –1Pa may cause an order of magnitude increase in measured CO₂ efflux. Although the measured CO₂ efflux is less sensitive to a positive pressure difference than to a negative one, a positive pressure difference of even a few tenths of a Pa will lead to a considerable underestimation in soil CO₂ evolution.
3. The influence of pressure difference on measured CO₂ efflux is negligible in the new design and the estimated CO₂ efflux is close to the undisturbed soil respiration rate. Flow rates up to 8lmin^–1, or air movement over the soil surface up to 55cmmin^–1, will not affect CO₂ evolution from the soil. The influence of pressure difference is related to the type of soil being measured and this has also been reported here for the new design.     

大气CO2浓度升高对植物根系的影响

植物长期生长在CO2浓度不断升高的环境中,其结构和功能都将受到影响,这种影响不仅表现在植物的地上部分,同时也表现在植物的地下部分(根系),尤其是细根的长度、直径、产量、周转以及根与枝的分配模式等方面。植物根系结构和功能的改变影响植物地上部分和生态系统物质循环中的碳动态及土壤中碳库的变化。目前有关大气CO2浓度升高对根系动态影响的研究报道主要包括大气CO2浓度升高对根系结构(直径、分枝、长度、数量等)和根系生理(周转率、产量、碳分配模式等)的影响2个方面。目前,该领域研究还存在一些不足,例如在CO2浓度升高条件下,对植物根系内部的调控机制,以及由其引起的物质循环和能量流动的动态变化的了解较少;至今没有令人信服的证据说明大气CO2浓度升高使根系周转升高还是降低。今后应加强研究在CO2浓度升高条件下根系的周转变化和光合产物分配模式变化,CO2浓度升高和外界环境因素的共同作用对根系的影响,以及采用不同研究方法和研究对象在不同立地条件下开展升高CO2浓度对根系影响的对比研究等。     

大气CO2浓度升高对玉米非结构性碳水化合物和籽粒品质的影响

本试验利用改进的开顶式气室(OTC)在黄土高原长武农业生态试验站田间模拟大气CO₂浓度升高环境,设置3个处理:CK(田间环境,自然大气CO₂浓度)、OTC(OTC气室,自然大气CO₂浓度)、OTC_e(OTC气室,CO₂浓度700 μmol·mol^-1),探讨春玉米在不同生育期各器官非结构性碳水化合物(NSC)及籽粒品质(可溶性糖、淀粉和粗蛋白)对大气CO₂浓度升高的响应,为揭示旱作区春玉米对大气CO₂浓度升高的适应机理提供科学依据。结果表明: 大气CO₂浓度升高对玉米NSC含量、积累量的影响因器官和生育期不同而异。与CK和OTC相比,OTC_e促进了生殖生长阶段叶、茎和根NSC的活化再分配,提高了叶片、茎秆和根系NSC转运到籽粒的量(ATM_NSC)、向籽粒的转运率(AR_NSC)以及对籽粒的贡献率(AC_NSC);与CK相比,OTC带来的增温效应抑制了茎和根NSC的活化再分配,促进了叶NSC的活化再分配,显著提高了玉米叶ATM_NSC、AR_NSC、AC_NSC。在两年试验中,大气CO₂浓度升高对玉米籽粒可溶性糖、淀粉和粗蛋白含量无显著影响。     

A field study of the effects of elevated CO2 on plant biomass and community structure in a calcareous grassland

The effects of elevated CO₂ on plant biomass and community structure have been studied for four seasons in a calcareous grassland in northwest Switzerland. This highly diverse, semi-natural plant community is dominated by the perennial grass Bromus erectus and is mown twice a year to maintain species composition. Plots of 1.3 m² were exposed to ambient or elevated CO₂ concentrations (n = 8) using a novel CO₂ exposure technique, screen-aided CO₂ control (SACC) starting in March 1994. In the 1st year of treatment, the annual harvested biomass (sum of aboveground biomass from mowings in June and October) was not significantly affected by elevated CO₂. However, biomass increased significantly at elevated CO₂ in the 2nd (+20%, P = 0.05), 3rd (+21%, P = 0.02) and 4th years (+29%, P = 0.02). There were no detectable differences in root biomass in the top 8 cm of soil between CO₂ treatments on eight out of nine sampling dates. There were significant differences in CO₂ responsiveness between functional groups (legumes, non-leguminous forbs, graminoids) in the 2nd (P = 0.07) and 3rd (P < 0.001) years of the study. The order of CO₂ responsiveness among functional groups changed substantially from the 2nd to the 3rd year; for example, non-leguminous forbs had the smallest relative response in the 2nd year and the largest in the 3rd year. By the 3rd year of CO₂ exposure, large species-specific differences in CO₂ response had developed. For five important species or genera the order of responsiveness was Lotus corniculatus (+271%), Carex flacca (+249%), Bromus erectus (+33%), Sanguisorba minor (no significant CO₂ effect), and six Trifolium species (a negative response that was not significant). The positive CO₂ responses in Bromus and Carex were most closely related to increases in tiller number. Species richness was not affected by CO₂ treatment, but species evenness increased under elevated CO₂ (modified Hill ratio; P = 0.03) in June of the 3rd year, resulting in a marginally significant increase in species diversity (Simpson's index; P = 0.09). This and other experiments with calcareous grassland plants show that elevated atmospheric CO₂ concentrations can substantially alter the structure of calcareous grassland communities and may increase plant community biomass. Received: 12 July 1997 / Accepted: 14 September 1998     

CO2浓度升高对棉铃虫生长发育和繁殖的直接影响

利用CDCC-1型密闭式动态CO2气室,在人工饲料下研究了不同CO2浓度（750μl/L vs．370μl/L）对棉铃虫生长发育和繁殖的直接影响,以及对棉铃虫幼虫体内营养物质和酶的含量。结果表明：（1）高CO2浓度大气中生长的棉铃虫种群发育延缓,单雌产卵量增加,虫体重量减轻,内禀增长率下降,而对人工饲料的消耗量和粪便排泄量增加。与对照相比,高CO2浓度下饲养的棉铃虫幼虫的发育历期延缓了15．14％（P〈0．01）,幼虫的取食量增加了8．03％（P〈0．01）,粪便量增加了14．54％（P〈0．05）。（2）高CO2浓度可影响棉铃虫幼虫对人工饲料的利用效率。与对照相比,在750μl/L CO2饲养下棉铃虫幼虫的相对消耗率、生长效率,食物转化率和近似消化率均有所降低。（3）高CO2浓度还改变了棉铃虫幼虫体内的营养物质的含量和酶的活性。与对照比较,750μl/L CO2饲养下棉铃虫幼虫体内蛋白质和总氨基酸含量分别下降了14．16％（P〈0．01）和28．40％（P〈0．01）;超氧化物歧化酶、乙酰胆碱酯酶和淀粉酶的活性分别增加了26．43％、9．12％和40．17％,而谷胱甘肽过氧化物酶的活性则下降了20．25％（P〈0．01）。