4种温带森林非生长季土壤二氧化碳、甲烷和氧化亚氮通量

中高纬度森林土壤在漫长的非生长季中对重要温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的释放或吸收在碳氮年收支中作用很大,但目前研究甚少。采用静态暗箱-气相色谱法,比较研究东北东部4种典型温带森林土壤表面CO2、CH4和N2O通量在非生长季中的时间动态及其影响因子。结果表明:4种森林土壤在非生长季中整体上均表现为CO2源、N2O源和CH4汇的功能。红松林、落叶松林、蒙古栎林、硬阔叶林的非生长季平均土壤表面CO2通量分别为(65.5±8.1)mgm-2h-1(平均值±标准差)、(70.5±10.2)mgm-2h-1、(77.1±8.0)mgm-2h-1、(80.5±23.5)mgm-2h-1;CH4通量分别为(-17.2±4.6)μgm-2h-1、(-15.4±4.2)μgm-2h-1、(-31.5±4.5)μgm-2h-1、(-23.6±4.1)μgm-2h-1;N2O通量分别为(19.3±5.1)μgm-2h-1、(11.5±2.5)μgm-2h-1、(16.4±4.0)μgm-2h-1、(14.4±5.4)μgm-2h-1;其中非生长季土壤表面CO2总排放量分别为143.4gm-2、162.8gm-2、189.9gm-2、252.7gm-2,分别占其年通量的7.3%、10.6%、8.4%和8.5%。所有林型非生长季土壤表面CO2通量在春季土壤解冻前均维持在较低水平;在解冻进程中随温度升高而增大。土壤表面CO2通量与5cm深土壤温度(T5)呈极显著的指数函数关系。在隆冬时节出现CH4净释放现象,但释放强度及其出现时间因林型而异,其中以红松林的释放强度较大,高达43.6μgm-2h-1。土壤表面CH4通量与T5呈显著的负相关。土壤表面N2O通量的时间动态格局在林型间的分异较大,但在春季土壤解冻阶段均释放出N2O,而释放峰值和出现时间因林型而异。土壤表面N2O通量与0—10cm深土壤含水量呈显著的正相关(红松林除外)。研究展示了不同温带森林类型的土壤水热条件对其非生长季土壤CO2、CH4和N2O通量的重要影响,但这3种温室气体的林型间分异的生物学机理尚需进一步研究。     

下辽河平原典型农田融化期氧化亚氮和甲烷排放通量研究

应用静态箱／气相色谱法对下辽河平原典型农田（大豆地、玉米地、水稻田）土壤融化期N2O和CH4排放通量进行了研究。结果表明,在融化期间,3种农田N20排放量均较大,这段时期的农田是大气N2O的一个重要源;3种农田CH4排放不明显,成为大气CH4的汇。在融化期间,农田N2O排放量,旱田CH4排放量与箱内温度间均无显著相关性。而水稻田CH4排放量与箱内温度呈显著负相关,相对于生长季来说,这是土壤融化期间的特定现象。     

华南丘陵区冬闲稻田二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的排放特征

采用静态箱 气相色谱法对收获后冬闲稻田CO₂、CH₄和N₂O排放进行了田间原位测定,探讨了越冬稻田3种温室气体的排放规律.结果表明,残茬稻田和裸田的CO₂的排放峰值分别出现在18:00和16:00左右.日间CH₄排放为净值,夜间表现为弱吸收.残茬稻田和裸田N₂O夜间排放分别为日间平均的1.79和1.58倍.残茬稻田的昼夜CO₂平均排放通量显著高于裸田(P＜0.05).在测定期间,残茬稻田CO₂排放随温度升高而增高.相关分析表明,CO₂排放与土温、地表温度和气温均呈显著相关,表明温度是影响收获后稻田CO₂排放的主要因素.在11月10日至翌年1月18日测定期间,残茬稻田的CO₂和CH₄平均排放通量分别为(180.69±21.21) mg·m^-2·h^-1和(-0.04±0.01) mg·m^-2·h^-1,CO₂排放通量较裸田高13.06％,CH₄吸收增高50%.残茬稻田的N₂O排放通量为(21.26±19.31) μg·m^-2·h^-1,较裸田低60.75％.由此说明华南丘陵区冬闲稻田是大气CO₂和N₂O的源,CH₄的汇.     

CO2浓度增加对长白山森林土壤甲烷氧化影响

大气CO2浓度升高可能对森林土壤的甲烷(CH4)氧化速率产生影响.本文采用开顶箱技术,对连续6年高浓度CO2(500 μmol·mol-1)处理的长白山森林典型树种蒙古栎树下土壤CH4氧化速率进行研究,并利用CH4氧化菌的16S rRNA特异性引物以及CH4单加氧酶功能基因引物分析了土壤中CH4氧化菌的群落结构与数量.结果表明:CO2浓度增高后,生长季土壤甲烷氧化量与对照和裸地相比分别降低了4％和22％;基于16S rRNA特异性引物的DGGE分析表明,CO2浓度增高导致两类甲烷氧化菌的多样性指数降低;CO2浓度增高对土壤中Ⅰ类甲烷氧化菌数量无显著影响,而使土壤中Ⅱ类甲烷氧化菌数量显著减少,功能基因pmoA拷贝数与对照和裸地相比分别降低了15％和46％.CO2浓度增高导致森林土壤甲烷氧化菌数量与活性降低,土壤含水量的增加可能是导致这一现象的主要原因.     

中国南方双季稻田转菜地对CO2和CH4通量的影响

采用静态箱-气相色谱法观测了我国南方亚热带水稻田转为旱作蔬菜地后第1年的CO2和CH4通量变化,旨在探索稻田转菜地初期对CO2和CH4通量的影响.结果表明:CO2通量因蔬菜种类、生长状况及生长季节的不同而不同.种植豇豆菜地CO2通量显著高于稻田,种植辣椒菜地CO2通量则显著低于稻田.稻田转菜地CH4通量从6.96 mg C·m-2·h-1显著下降到-0.004 mg C·m-2·h-1(P<0.001).转菜地后CO2和CH4的净累积碳吸收为543kg C·hm-2,显著低于稻田的3641 kg C·hm-2,但由净CO2和CH4排放造成的增温效应无显著差异.转成菜地1年后的土壤有机碳含量有所升高,且10~20 cm土层显著高于对照水稻田.     

温度对盐土和碱土土壤无机CO2通量的影响

干旱区盐碱土的土壤无机CO₂通量是一个崭新、独特的科学现象,打破了土壤CO₂通量完全来自于生物源的假设。为研究温度对土壤无机CO₂通量的影响,2009年8—10月在阜康荒漠生态系统实验站,以盐土和碱土为研究对象,通过灭菌处理（121℃,24h）,将土壤CO₂通量拆分为土壤无机CO₂通量和土壤有机CO₂通量,分析三者的日动态特征及其与温度的相关关系。结果表明,土壤CO₂通量、土壤无机CO₂通量和土壤有机CO₂通量均存在明显的日动态;除碱土的土壤有机CO₂通量日动态呈弱双峰曲线外,盐土和碱土的土壤CO₂通量、土壤有机CO₂通量和土壤无机CO₂通量日过程均呈单峰曲线,表现为日间CO₂通量随温度升高而增加,峰值出现在12:00—14:00,随后随温度降低而减小,谷值出现在3:00—4:00。盐土和碱土的土壤无机CO₂通量作用超过土壤有机CO₂通量,主导土壤CO₂通量的日变化。土壤CO₂通量和土壤无机CO₂通量主要受温度调控,呈直线方程关系。忽略土壤无机CO₂通量对土壤CO₂通量的贡献,将严重低估土壤有机CO₂通量,是造成干旱区碳循环评估不准确的重要因素之一。     

土地利用变化对土壤温室气体排放通量影响研究进展

土壤是大气中主要温室气体(如CO2、CH4和N2O)重要的源或汇,土地利用方式的改变将会导致土壤相关微环境及其生理生化过程发生改变,从而显著影响土壤中温室气体的产生与排放。在全球变化和土地利用大幅度改变的背景下,国际上已逐步开展了关于土地利用变化对土壤温室气体通量的研究。本文在简要介绍土地利用变化与土壤温室气体通量研究的基础上,重点论述了农田、草地和森林互换、湿地向农田转变、不同土地利用类型(森林、草地、湿地和农田)内部变化对3种土壤温室气体排放的影响,并从3种土壤温室气体产生的关键过程简单阐述其主要影响机理。根据目前研究中存在的不足,提出了今后需要加强的领域,以期更好地揭示土地利用变化对土壤温室气体通量的影响及作用机理,为今后深入开展相关研究提供参考。     

干湿交替频率对不同土壤CO2和N2O释放的影响

干旱、半干旱和地中海气候区,乃至一些湿润地区,由干湿交替引起的土壤碳、氮的短暂脉冲式释放很大程度上决定着长时间尺度温室气体释放的总量,是土壤碳、氮温室气体释放的关键过程.选择我国降雨梯度下的森林、农田、草地和荒漠生态系统,采集土样进行实验室统一控制条件下的多重干湿交替循环,对比探讨不同生态系统土壤干湿交替频率对CO2和N2O释放的影响模式.结果表明:(1)干湿交替能够显著的激发土壤中CO2和N2O的释放,森林、农田、草地和荒漠土壤CO2和N2O释放速率对干湿交替的响应模式基本一致,其响应强度与土壤本底中碳和氮的含量有关;(2)在一定培养时间内,随着干湿交替频率的增加,土壤再湿润阶段CO2释放速率降低,但是,气体释放的总量较之于恒湿对照组有所增加.(3)不同土壤N2O的释放总量对于湿交替频率的响应模式表现出很大的差异,其中农田和荒漠土壤响应模式类似.     

渗滤液负荷和灌溉深度对土壤氧化亚氮与二氧化碳释放的影响

采用预设取样器和静态箱气相色谱法,对渗滤液灌溉条件下,土柱土壤不同深度剖面 N2O的浓度以及N2O和CO2的表面释放通量进行了监测.结果表明: 渗滤液灌溉可促进N2O的生成和释放,灌溉后24 h内土柱N2O的释放通量与表土下10 cm(r=0.944,P< 0.01)、20 cm(r=0.799,P<0.01)、30 cm(r=0.666,P<0.01)和40 cm(r=0.482,P<0.05)处所生成的N2O浓度呈显著相关,且相关程度依次递减.渗滤液灌溉还促进了CO2的释放,但N2O与CO2释放通量之间无显著相关性(P>0.05).渗滤液的灌溉负荷主要决定温室气体释放总量的强弱(N2O和CO2,以CO2当量计),灌溉负荷为6 mm·d-1条件下温室气体释放总量为灌溉负荷2 mm·d-1的3倍多.采用表土下20 cm处灌溉方式可比表土下10 cm处灌溉方式削减47%的温室气体释放总量.渗滤液灌溉土壤14 d内,N2O释放量约占温室气体释放总量的57.0%～91.0%.     

不同干扰因素对森林和湿地温室气体通量影响的研究进展

森林和湿地是CO2、CH4和N2O等温室气体重要的源、汇和转换器,在全球气候变化过程中起着重要作用。森林和湿地温室气体通量受到诸多因子的作用,其中干扰便是一个重要的因素。不同干扰因素对于森林和湿地生态系统温室气体通量的影响,国际上已经开展了相应的研究。基于人为和自然两大类干扰方式,分别从采伐、施肥、垦殖等人为干扰因素和火烧、台风(飓风)等自然干扰因素综述了干扰对于森林和湿地生态系统CO2、CH4和N2O通量的影响。根据目前研究中存在的不足,提出了今后应需加强的领域,以期更好地揭示干扰对于森林和湿地生态系统温室气体通量的影响及作用机制,为今后深入开展相关研究提供一定的参考价值。     

高浓度二氧化碳对百合生长和两种化感物质的影响

在大棚栽培条件下,研究不同CO₂浓度（600、800、1 000 μmol·mol^-1）对亚洲型黄花多头切花百合的影响.结果表明,CO₂浓度为600 μmol·mol^-1时,切花百合维持较高的Pn,在CO₂浓度为600～1 000 μmol·mol^-1时并持续45 d,百合并未出现明显的光合作用下调,这与新生子球对高CO₂浓度下的百合光合适应性具有一定调节能力有关.CO₂浓度为600 μmol·mol^-1时,能提高百合切花0.57个茎高等级,对显色花蕾增长有正效应.不同CO₂浓度对百合叶片中的多酚类和类黄酮含量影响不同,CO₂浓度为600和800 μmol·mol^-1时,能明显提高多酚类和类黄酮含量,植株也未出现叶枯病病株,这与适宜的高CO₂浓度对Pn及碳水化合物的形成和转化以及化感物质与提高百合自身抗病性有关.在试验浓度范围内,CO₂浓度为600 μmol·mol^-1时最有利于百合叶片多酚类和类黄酮含量的提高.     

大豆对臭氧、二氧化碳及其复合效应的响应

以大豆‘中黄14'为试验材料,首次模拟研究大气中O₃、CO₂浓度增加,及其逐渐和持续增加O₃、CO₂浓度复合效应对大豆的影响.结果表明,CO₂浓度增加可缓解O₃对叶片的伤害程度,受害时间推迟,受害症状无实质性变化.熏气20 d测定各处理叶片生理参数发现,在本底大气环境下,叶片气孔阻力和蒸腾速率与对照差异较小,熏气时O₃、CO₂浓度增加诱导叶片气孔关闭,气孔阻力明显增加,蒸腾速率显著降低.与对照相比,O₃浓度增加,大豆干物质积累、产量和收获指数明显降低,籽粒粗脂肪含量明显减少,粗蛋白含量显著增加;CO₂浓度增加,干物质积累和产量显著提高,收获指数无明显差异,籽粒粗脂肪和粗蛋白含量均明显减少;逐渐和持续增加O₃和CO₂浓度复合效应处理下,大豆干物质积累、产量和收获指数差异不明显,籽粒粗蛋白含量不同程度地减少,粗脂肪含量显著增加.     

外源氮对沼泽湿地CH4和N2O通量的影响

三江平原沼泽湿地受到大气沉降、地表径流、农业排水等外源氮素的输入,对湿地生态系统CH₄和N₂O通量有重要影响。采用野外原位施肥试验模拟外源氮输入,设0,60,120,240kgN•hm^-2 4种试验处理,探讨外源氮对沼泽湿地CH₄和N₂O通量的影响。结果表明,外源氮促进了CH₄和N₂O排放。与对照处理比较,各施氮水平CH₄平均排放通量分别增加了181％,254％和155％,N2O排放通量分别增加了21％,100％和533％。外源氮输入对CH₄排放的季节变化形式影响不大,而N²O的季节变化形式随着氮输入表现出波动变化的趋势。不同施氮水平对CH₄排放的促进作用与植物生长阶段和产CH₄的微生物过程密切相关,N₂O排放通量随氮输入量呈指数增加（R²＝0.97,p<0.01）。外源氮通过影响湿地微生物过程来进一步影响CH₄和N₂O的排放。     

以CO2为碳源工业化生产螺旋藻工艺技术的研究

以ＣＯ２为碳源工业化生产螺旋藻的优点是：向培养液中添加ＣＯ２的同时,实现了对ｐＨ值和碳源的调控,碳源利用率高,生产成本低．以ＣＯ２吸收速率、ＣＯ２吸收率、ＣＯ２利用率为指标,对“气泡法”、“气罩法”添加ＣＯ２的优缺点进行了综合分析和定量研究。“气罩法”ＣＯ２吸收速率是４３．５３ｍｍｏｌ／（ｍ２·ｍｉｎ）,ＣＯ２吸收率是８５％,为满足１０ｇ／（ｍ２·ｄ）产量对碳源的需要,气罩面积与培养池面积的比值是１．５％（每天充气１０ｈ。使用孔径为４０～５０μｍ的微孔塑料管,并用“气泡法”添加ＣＯ２,ＣＯ２吸收率是６７．５％,应用于大规模生产,ＣＯ２利用率是６５．３％。由于气罩制造材料和内壁密集水珠的遮光作用,设置气罩后几乎损失了相同大小的培养面积,致使ＣＯ２吸收率为８５％的“气罩法”在经济效益上与ＣＯ２吸收率只有４０％的不产生遮光的其它ＣＯ２添加工艺相当。ＣＯ２吸收率为６７．５％的“气泡法”完全达到了实用化的程度,与利用ＮａＨＣＯ３相比,可以降低碳源成本８０％。     

若尔盖高原沼泽湿地与草地二氧化碳通量的比较

采用静止箱/气相色谱法,在2003—2005年的植物生长期对若尔盖高原沼泽湿地和草地的CO₂通量进行了对比观测.结果表明：若尔盖高原沼泽湿地和草地CO₂通量的平均值分别为203.22和323.03 mg·m^-2·h^-1,前者为后者的60%左右.沼泽湿地常年积水的环境条件限制了土壤中的植物残体、根系及有机物质的分解,是沼泽湿地CO₂通量低于草地并形成泥炭积累的重要因素.研究区沼泽湿地与草地CO₂通量的季节变化与气温变化呈正相关,峰值一般出现在7月和8月;其日变化也与气温呈正相关,峰值一般出现在11:00—17:00.5 cm深的土壤温度与CO₂通量的相关性高于10和15 cm深的土壤温度.     

川中丘陵区冬灌田甲烷和氧化亚氮排放研究

采用静态暗箱/气相色谱法对川中丘陵区冬灌田CH₄和N₂O排放特征进行连续一年的田间原位测定.结果表明,种植水稻区(种植区)在水稻生长季平均CH₄排放速率为22.76±2.76 mg·m^-2·h^-1,休闲期平均为1.43±0.20 mg·m^-2·h^-1,全年平均为9.64±1.17 mg·m^-2·h^-1;全年CH₄排放主要集中在水稻生长季,其累计CH₄排放量占全年总CH₄排放量的91.2%未种植水稻区(对照区) 全年CH₄平均排放速率为2.03±0.18 mg·m^-2·h^-1,水稻生长季CH₄排放量占全年总排放量的86.2%.N₂O的排放在稻田落干时呈现脉冲排放.在水稻生长季,对照区CH₄和N₂O的季节排放速率分别为4.53±0.38mg·m^-2·h^-1和32.01±5.02 μg·m^-2·h^-1,而种植区则分别为22.76±2.76 mg·m^-2·h^-1和73.04±5.03 μg·m^-2·h^-1,植株参与导致CH₄和N₂O排放速率分别增加302%和128%.CH₄和N₂O的排放随土水分条件的变化呈互为消长关系.在冬灌田中,即使考虑500年的时间尺度,全年N₂O排放产生的全球增温潜势也只有CH₄的7.9%,与CH₄相比,冬灌田排放的N₂O所产生的温室效应很小.     

添加玉米和水稻秸秆对淹水土壤pH、二氧化碳及交换态铵的影响

通过温室土壤培养试验,研究了不同添加量玉米和水稻秸秆对淹水土壤pH、CO₂及交换态铵的影响.结果表明：在接近中性的土壤中加入秸秆可使土壤pH值降低,4 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理的土壤pH值均与对照差异显著（P＜0.05）,而1 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理与对照差异不显著（P＞0.05）.土壤溶液中的CO₂含量随秸秆添加量的增加而增大,1 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理的土壤溶液CO₂含量最大值分别为35.9％和31.9％（v/v）,与对照（25.8％）差异达显著水平（P＜0.05）,但两者间差异不显著（P＞0.05）;4 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理的土壤溶液CO₂含量最大值分别为54.2％和41.8％（v/v）,与对照差异极显著（P＜0.01）,两者间差异也达显著水平（P＜0.05）.在不施氮肥的情况下,添加秸秆可降低土壤铵态氮浓度,且铵态氮浓度随秸秆添加量的增加而降低,不同添加量处理间差异显著（P＜0.05）;在施入氮肥的情况下,1 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理提高了土壤铵态氮浓度,而4 g·kg^-1玉米和水稻秸秆处理降低了土壤铵态氮浓度.无论是否施入氮肥,玉米和水稻秸秆处理的土壤铵态氮浓度差异不显著（P＞0.05）.     

螺旋藻培养液吸收CO2特性的研究

培养液中含有高浓度的ＨＣＯ和ＣＯ,活跃进行的ＣＯ２,ＨＣＯ和ＣＯ３种碳源形式相互转变的化学反应,构成了螺旋藻培养液不同于其它藻类培养液的显著特征。定量研究了ＣＯ２吸收速率与碳源浓度、温度、ｐＨ值、盐度、培养液运动状态的关系,利用培养液吸收ＣＯ２的物理模型解释了碳源浓度、ｐＨ值、培养液运动状态影响ＣＯ２吸收速率的机理。对化学反应是否影响ＣＯ２吸收速率这一有争议的问题进行了探讨,在肯定化学反应影响的前提下,指出化学反应的影响能否被观察到,显著程度如何,关键在于培养液的运动状态。根据实验结果,给出了利用“气罩法”添加ＣＯ２,所需气罩面积与产量、碳源浓度、培养液运动状态、培养面积数量关系的理论值。使用培养液的“ＣＯ２容量”的概念,说明利用ＣＯ２为碳源培养螺旋藻与其它藻类相比,可以得到更高的碳源利用率,从而产生更大的效益。     

不同氮素水平下二氧化碳加富对草莓叶片光抑制的影响

用便携式调制叶绿素荧光仪和光合仪研究了强光下不同供氮水平（12、4和0.4 mmol·L^-1）和不同CO₂浓度下（700和390 μl·L^-1）丰香草莓叶片的荧光参数及净光合速率的变化.结果表明,CO₂和氮素对草莓叶片光抑制有明显的互作效应.在富CO₂下,12 mmol·L^-1供氮水平的草莓叶片净光合速率升高了62.7%,4和0.4 mmol·L^-1供氮水平则分别降低了7.4%和21.3%;12 mmol·L^-1供氮水平的F_m和F_v/F_m在强光胁迫时降辐减小,暗恢复时F_m和F_v/F_m恢复程度提高,而4和0.4 mmol·L^-1供氮水平却相反.表明氮素供应不足时草莓叶片在富CO₂环境下光合作用出现适应性下调,光抑制增强.