水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤-植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（13C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤-植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤-植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤-植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物-根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

CO2浓度升高对植物-土壤系统地下部分碳流通的影响

目前 ,由于化石燃料的燃烧和土地利用的改变 ,每年释放到大气中的碳大约有 7Ｇｔ[2 4 ] ,其中 ,有 3Ｇｔ留在大气中 ,2Ｇｔ被固定在深海中 ,另 2Ｇｔ被植物固定在生态系统中[19,4 8] ,事实上 ,陆地生态系统中的碳大部分都贮存在土壤中[4 4 ] ,所以植物与土壤之间的碳流通对全球碳循环极为重要。大气ＣＯ2 浓度升高有可能通过生态系统中的各种生理过程来改变植物 -土壤系统中碳通量的变化 ,使输入土壤的碳量增加 ,另一方面 ,地下部分碳通量的增加使土体成为一个潜在的碳汇 ,有可能缓解大气中ＣＯ2 浓度的升高。但有关高ＣＯ2 对地下部分植物…     

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.     

大气CO2浓度升高对稻田土壤氮素的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon=Dioxide Enrichment)试验平台,研究大气CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1(周围大气中CO₂浓度约370 μmol·mol^-1)对稻季各生育期不同深度土壤溶液NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度的影响.结果表明：高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH₄⁺-N浓度在水稻生育前期有所增加,但在生育后期明显下降;大气CO₂浓度升高增加了稻季5、15、30、60和90 cm处土壤溶液NO₃^--N浓度,分别比对照平均提高了46.5%、36.8%、23.3%、103.7%和42.7%,在60和90 cm处差异分别达到统计上的极显著和显著水平.     

大气CO2浓度升高对土壤碳库稳定性的影响

工业革命以来,大气CO₂浓度持续上升,升高的CO₂浓度会改变植物光合产物积累、土壤碳库的碳输入和碳输出过程,进而通过影响有机碳组成和周转特征来调控土壤碳库动态变化。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其碳储量的微小变化都会对大气CO₂浓度和气候变化产生巨大影响。但目前关于CO₂浓度升高对土壤碳库动态和稳定性的影响还不清楚,很大程度上限制了预测陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈。系统综述国内外大气CO₂浓度升高对植被生产力、植被碳输入和土壤碳库影响的研究进展,旨在揭示土壤碳库物理、化学组成以及周转特征对CO₂浓度升高的响应过程和机理,探讨CO₂升高情境下土壤微生物特征对土壤碳库稳定性的影响和驱动机制,为深入理解全球变化下的土壤碳循环特征提供理论支撑。     

稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用

碳作为重要的生命元素,在土壤 植物系统物质循环中发挥重要作用.作为一种天然的示踪物,稳定碳同位素（¹³C）较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在土壤 植物生态系统碳循环研究中得到广泛应用.通过检测土壤 植物体系中稳定碳同位素的自然丰度或采用稳定碳同位素标记有机材料,能够较真实地了解植物的光合特性、光合产物在土壤 植物体系中的运转及其在土壤中的分解、转化等过程.本文概述了稳定碳同位素技术在植物光合作用及光合产物运转、古气候重建、土壤有机质周转以及植物 根际微生物相互作用等方面的研究进展,并针对当前研究中存在的问题提出了今后的研究展望.     

大气CO2浓度升高对土壤微生物的影响

自人类进入工业化时代以来,由于化石燃料的燃烧和森林的大面积破坏,大气中ＣＯ２的浓度已由工业革命以前的２８０μｌ·Ｌ－１增加到现在的３５０μｌ·Ｌ－１,仅从１９５７年至今的几十年间,大气中ＣＯ２的浓度就增加了２０％,预计到下个世纪下半叶,大气中ＣＯ２的...     

大气CO2浓度升高对八宝景天生长及光合生理的影响

利用开顶式气室(OTC)系统,设正常大气CO₂浓度和CO₂浓度升高200 μmol·mol^-12个CO₂浓度处理,模拟大气CO₂浓度升高对八宝景天光合生理和生长发育的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高使八宝景天叶片上、下表皮气孔密度分别显著下降16.1%和16.7%,使叶片维管束增粗,导管增多,靠近上表皮细胞增大;CO₂浓度升高可以显著增加傍晚时八宝景天叶片光合色素含量,使夜间净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著增加.初花期傍晚,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著下降64.0%,纤维素含量显著增加20.8%.盛花期清晨,CO₂浓度升高使叶片苹果酸含量显著增加27.0%,对糖类物质含量影响不显著,植株的分枝数、单株茎质量和单株总生物量显著增加.CO₂浓度升高可以促进八宝景天光合作用,有利于植株生长.     

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...     

氮素对高大气CO2浓度下小麦叶片光合作用的影响

通过测定小麦拔节期叶片的光合气体交换参数和光强-光合速率（P_n）响应曲线,研究了氮素对长期高大气CO₂浓度（760 μmol·mol^-1）下小麦叶片光合作用的影响.结果表明：在长期高大气CO₂浓度下,增施氮肥能提高小麦叶片P_n、蒸腾速率（T_r）和瞬时水分利用效率（WUE_i）;与正常大气CO₂浓度相比,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i增加,气孔导度（G_s）和胞间CO₂浓度(C_i）降低.随光合有效辐射的增强,高大气CO₂浓度下小麦叶片的P_n和WUE_i均高于正常大气CO₂浓度处理,G_s则较低,而C_i和T_r无显著变化.高氮水平下小麦叶片G_s与P_n、T_r、WUE_i呈线性正相关,G_s与C_i在正常大气CO₂浓度下呈线性负相关,但高大气CO₂浓度下二者无相关性;低氮水平下小麦叶片的G_s与P_n、WUE_i无相关性,而与C_i和T_r呈线性正相关,表明高大气CO₂浓度下低氮水平的小麦叶片P_n由非气孔因素限制.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

Interactions between plant growth and soil nutrient cycling under elevated CO2: a meta-analysis

free air carbon dioxide enrichment (FACE) and open top chamber (OTC) studies are valuable tools for evaluating the impact of elevated atmospheric CO₂ on nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Using meta‐analytic techniques, we summarized the results of 117 studies on plant biomass production, soil organic matter dynamics and biological N₂ fixation in FACE and OTC experiments. The objective of the analysis was to determine whether elevated CO₂ alters nutrient cycling between plants and soil and if so, what the implications are for soil carbon (C) sequestration. Elevated CO₂ stimulated gross N immobilization by 22%, whereas gross and net N mineralization rates remained unaffected. In addition, the soil C : N ratio and microbial N contents increased under elevated CO₂ by 3.8% and 5.8%, respectively. Microbial C contents and soil respiration increased by 7.1% and 17.7%, respectively. Despite the stimulation of microbial activity, soil C input still caused soil C contents to increase by 1.2% yr^?1. Namely, elevated CO₂ stimulated overall above‐ and belowground plant biomass by 21.5% and 28.3%, respectively, thereby outweighing the increase in CO₂ respiration. In addition, when comparing experiments under both low and high N availability, soil C contents (+2.2% yr^?1) and above‐ and belowground plant growth (+20.1% and+33.7%) only increased under elevated CO₂ in experiments receiving the high N treatments. Under low N availability, above‐ and belowground plant growth increased by only 8.8% and 14.6%, and soil C contents did not increase. Nitrogen fixation was stimulated by elevated CO₂ only when additional nutrients were supplied. These results suggest that the main driver of soil C sequestration is soil C input through plant growth, which is strongly controlled by nutrient availability. In unfertilized ecosystems, microbial N immobilization enhances acclimation of plant growth to elevated CO₂ in the long‐term. Therefore, increased soil C input and soil C sequestration under elevated CO₂ can only be sustained in the long‐term when additional nutrients are supplied.     

Sequestration and turnover of bacterial- and fungal-derived carbon in a temperate grassland soil under long-term elevated atmospheric pCO2

Temperate grasslands contribute about 20% to the global C budget. Elevation of atmospheric CO₂ concentration (pCO₂) could lead to additional C sequestration into these ecosystems. Microbial‐derived C in the soil comprising about 1–5% of total soil organic carbon may be an important ‘pool’ for long‐term storage of C under future increased atmospheric CO₂ concentrations. In our study, the impact of elevated pCO₂ on bacterial‐ and fungal‐derived C in the soil of Lolium perenne pastures was investigated under free air carbon dioxide enrichment (FACE) conditions. For 7 years, L. perenne swards were exposed to ambient and elevated pCO₂ (36 and 60 Pa pCO₂, respectively). The additional CO₂ in the FACE plots was depleted in ¹³C compared with ambient plots, so that ‘new’ (<7 years) C inputs in the form of microbial‐derived residues could be determined by means of stable C isotope analysis. Amino sugars in soil are reliable organic biomarkers for indicating the presence of microbial‐derived residues, with particular amino sugars indicative of either bacterial or fungal origin. It is assumed that amino sugars are stabilized to a significant extent in soil, and so may play an important role in long‐term C storage. In our study, we were also able to discriminate between ‘old’ (> 7 years) and ‘new’ microbial‐derived C using compound‐specific δ¹³C analysis of individual amino sugars. This new tool was very useful in investigating the potential for C storage in microbial‐derived residues and the turnover of this C in soil under increased atmospheric pCO₂. The ¹³C signature of individual amino sugars varied between ?17.4‰ and ?39.6‰, and was up to 11.5% depleted in ¹³C in the FACE plots when compared with the bulk δ¹³C value of the native C3 L. perenne soil. New amino sugars in the bulk soil contributed up to 16% to the overall amino sugar pool after the first year and between 62% and 125% after 7 years of exposure to elevated pCO₂. Amounts of new glucosamine increased by the greatest amount (16–125%) during the experiment, followed by mannosamine (?9% to 107%), muramic acid (?11% to 97%), and galactosamine (15–62%). Proportions of new amino sugars in particle size fractions varied between 38% for muramic acid in the clay fraction and 100% for glucosamine and galactosamine in the coarse sand fraction. Summarizing, during the 7‐year period, amino sugars constituted only between 0.9% and 1.6% of the total SOC content. Therefore, their absolute significance for long‐term C sequestration is limited. Additionally new amino sugars were only sequestered in the silt fraction upon elevated pCO₂ exposure while amino sugar concentrations in the clay fraction decreased. Overall, amino sugar concentrations in bulk soil did not change significantly upon exposure to elevated pCO₂. The calculated mean residence time of amino sugars was surprisingly low varying between 6 and 90 years in the bulk soil, and between 3 and 30 years in the particle size fractions, representing soil organic matter pools with different but relatively low turnover times. Therefore, compound‐specific δ¹³C analysis of individual amino sugars clearly revealed a high amino sugar turnover despite more or less constant amino sugar concentrations over a 7 years period of exposure to elevated pCO₂.     

大气CO2浓度升高对绿豆叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响

利用FACE系统在大田条件下通过盆栽试验研究了大气CO₂浓度升高\[CO₂浓度平均为（550±60) μmol·mol^-1\]对绿豆叶片光合生理和叶绿素荧光参数的影响.结果表明： 与对照\[CO₂浓度平均为（389±40）μmol·mol^-1左右\]相比,大气CO₂浓度升高使花荚期绿豆叶片净光合速率(P_n)和胞间CO₂浓度(C_i)分别升高11.7%和9.8%,气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r)分别下降32.0%和24.6%, 水分利用效率(WUE)提高83.5%;在蕾期,CO₂浓度升高对绿豆叶片叶绿素初始荧光(F_o)、最大荧光（F_m）、可变荧光（F_v）、F_v/F_m和F_v/F_o没有显著影响;在鼓粒期,CO₂浓度升高使绿豆叶片F_o增加19.1%,F_m和F_v分别下降9.0%和14.3%,F_v/F_o和F_v/F_m分别下降25.8%和6.2%.表明大气CO₂浓度升高可能使绿豆生长后期光系统Ⅱ反应中心结构受到破坏,叶片的光合能力下降.     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇。海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气－－海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有面碳化合物的沉隆等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测。根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及“生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型：厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2-2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论。