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.     

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…     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

温度和CO2浓度升高对甜椒光合生理和虫害发生的影响

全球温度和CO₂浓度持续性升高对农业活动产生了显著影响。研究甜椒光合生理对气候变化的响应,可为甜椒等茄科蔬菜在应对未来气候变化的栽培管理措施及果实加工提供科学依据。本研究利用控制气室,采用盆栽试验研究模拟温度升高(常温+2℃)和CO₂浓度升高(600μmol·mol^-1)下甜椒品种‘甜椒115’光合生理及虫害发生的响应。结果表明:温度和CO₂浓度升高均可使甜椒净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、叶片蒸腾速率(T_r)和水分利用率(WUE)极显著增加,温度升高后胞间二氧化碳浓度(Ci)降低;升温可显著增加叶绿素a、叶绿素b的含量,而CO₂浓度升高导致甜椒光合色素含量降低,温度和CO₂浓度对甜椒果实Vc含量交互作用显著;温度与CO₂浓度升高对甜椒产量(鲜重)无显著影响,但会影响其产量构成因素;温度和CO₂浓度升高后甜椒蚜虫及其他虫害加重;温度和CO     

复合群落土壤微生物和酶活性对大气CO2浓度和温度升高的响应

应用自控、封闭、独立的生长室系统,研究川西亚高山林线复合群落根际、非根际土壤微生物数量以及根际、非根际土壤酶活性对大气CO2浓度升高(环境CO2浓度+350(±25)μmol.mol-1,EC)和温度升高(环境温度+2.0(±0.5)℃,ET)及其两者同时升高(ECT)的响应。结果表明:(1)与对照(CK)相比,EC、ET和ECT处理能够增加土壤根际微生物数量,但不同微生物种类对EC、ET和ECT的反应有所差异。(2)不同种类的根际土壤酶对EC、ET和ECT的响应不同。(3)与CK相比,EC、ET和ECT的非根际土壤微生物数量以及非根际土壤酶活性均无显著提高。(4)EC、ET和ECT处理对复合群落土壤微生物总数的根际效应明显;除ET处理的转化酶为负根际效应,其余处理的过氧化氢酶,脲酶及转化酶均表现为正根际效应。     

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...     

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.     

CO2浓度升高对红松和长白松土壤呼吸作用的影响

以开顶箱法研究了CO₂浓度升高对红松和长白松土壤呼吸作用的影响.结果表明,500 μmol CO₂·mol^-1使红松和长白松土壤呼吸速率明显降低,土壤表面CO₂浓度升高导致CO₂扩散受阻可能是土壤呼吸受到抑制的主要原因.500 μmol CO₂·mol^-1下两树种土壤表面CO₂浓度明显高于对照箱和裸地条件下的CO₂浓度,增加幅度在40～150 μmol·mol^-1之间;对照箱内长白松土壤表面CO₂浓度略高于裸地,差异不显著,红松差异显著500 μmol CO₂·mol^-1下的长白松土壤全氮及总有机碳含量略高于对照组,差异不显著,红松裸地的碳氮含量明显低于500 μmol CO₂·mol^-1 及对照箱内土壤碳氮含量;500 μmol CO₂·mol^-1 及开顶箱的微环境对地下3 cm处土壤温度没有明显影响.     

分期施氮与CO2浓度升高对小麦光合及其物质积累和产量的互作效应

采用开顶式气室和盆栽方法,以冬小麦品种‘小偃22’为材料,探讨了分期施氮与CO2浓度升高对小麦抽穗期和灌浆中期旗叶光合、地上部物质积累和产量的互作效应.结果显示:(1)不施氮条件下CO2浓度升高对小麦旗叶叶绿素含量(SPAD)和可溶性蛋白含量、光合能力、地上部花后干物质和氮素累积量、籽粒产量的影响不明显(P>0.05)或产生显著负效应;在施氮(300mg/kg土)条件下各指标均不同程度增加,且大多数达到显著水平.(2)与氮肥全部基施相比,分期施氮时CO2浓度升高使灌浆期旗叶光合能力、地上部花后干物质和氮素累积以及产量增加的幅度较大,其中以播前、返青期和孕穗期施氮比例为5∶3∶2时最明显.研究表明,适当分期施氮可能更有利于发挥CO2浓度升高对冬小麦的增产作用.     

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.     

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.     

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.     

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.     

CO2浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物积累和转运的影响

为探究CO₂浓度升高和不同氮肥水平下源库处理对粳稻茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)积累和转运的影响,利用开顶式气室(OTC),设置2个CO₂浓度([CO₂]):对照(背景大气,a[CO₂])和在背景大气[CO₂]基础上升高200μmol·mol^-1(e[CO₂])。以常规粳稻"南粳9108"为试验材料,在OTC内采用盆栽方式,设置低N(N1,10 g N·m^-2)、中N(N2,20 g N·m^-2)和高N(N3,30 g N·m^-2)3个施N水平。抽穗期源库改变设剪叶(LC)和疏花(SR)处理,以不处理为对照。测定并计算了抽穗期和成熟期叶片N含量、茎鞘NSC积累量(TM_NSC)、NSC表观转运量(ATMNSC)及其对籽粒产量的表观贡献率(AC_NSC)。采用方差分析、相关分析和逐步回归方法对上述观测数据进行分析。结果表明,[CO₂]升高显著降低抽穗期叶片N含量,显著促进中N水平的NSC积累。在不同[CO₂]和N水平下,SR处理均导致成熟期茎鞘TM_NSC显著升高,ATM_NSC和AC_NSC显著降低;在背景大气和不同N水平下,LC处理均显著降低成熟期TM_NSC,显著提高ATM_NSC,但[CO₂]升高下LC处理对成熟期TM_NSC和ATM_NSC均无显著影响。LC处理对籽粒产量及其构成未产生显著影响。粒叶比越高,成熟期TM_NSC和千粒重越低,ATM_NSC、AC_NSC、籽粒产量和收获指数越高。综合影响AC_NSC的因素为粒叶比、抽穗期和成熟期TM_NSC;综合影响籽粒产量的因素为粒叶比、成熟期叶片N含量和TM_NSC,这些综合影响均可用多元回归模型定量表述。     

Ontogeny affects response of northern red oak seedlings to elevated CO2 and water stress: II. Recent photosynthate distribution and growth

Northern red oak in the western Lake States area of the USA exists on the most xeric edge of its distribution range. Future climate-change scenarios for this area predict decreased water availability along with increased atmospheric CO₂. We examined recent photosynthate distribution and growth in seedlings as a function of CO₂ mole fraction (400, 530 and 700 μmol mol⁻¹ CO₂), water regime (well watered and water-stressed), and ontogenic stage. Water stress effects on growth were largely offset by elevated CO₂.
Water stress increased root mass ratio without concurrently increasing allocation of recent photosynthate to the roots. However, apparent sink strength of water-stressed seedlings at the completion of the third growth stage tended to be greater than that of well watered seedlings, as shown by continued high export, which may contribute carbon reserves to support preferential root growth under water-stressed conditions.
Elevated CO₂ decreased apparent shoot sink strength associated with the rapid expansion of the third flush. Carbon resources for the observed enhanced growth under elevated CO₂ could be provided by enhanced photosynthetic rate over an increased leaf area (Anderson & Tomlinson, 1998, this volume).
Increased sink strength of LG seedlings under water-stressed conditions, together with decreased apparent shoot sink strength associated with growth in elevated CO₂ provide mechanisms for offsetting water stress effects by growth in elevated CO₂.
Careful control of ontogeny was necessary to discern these changes and provides further evidence of the need for such careful control in mechanistic studies.     

Seasonal changes in the effects of elevated CO2 on rice at three levels of nitrogen supply: a free air CO2 enrichment (FACE) experiment

Over time, the stimulative effect of elevated CO₂ on the photosynthesis of rice crops is likely to be reduced with increasing duration of CO₂ exposure, but the resultant effects on crop productivity remain unclear. To investigate seasonal changes in the effect of elevated CO₂ on the growth of rice (Oryza sativa L.) crops, a free air CO₂ enrichment (FACE) experiment was conducted at Shizukuishi, Iwate, Japan in 1998–2000. The target CO₂ concentration of the FACE plots was 200 µmol mol^?1 above that of ambient. Three levels of nitrogen (N) were supplied: low (LN, 4 g N m^?2), medium [MN, 8 (1998) and 9 (1999, 2000) g N m^?2] and high N (HN, 12 and 15 g N m^?2). For MN and HN but not for LN, elevated CO₂ increased tiller number at panicle initiation (PI) but this positive response decreased with crop development. As a result, the response of green leaf area index (GLAI) to elevated CO₂ greatly varied with development, showing positive responses during vegetative stages and negative responses after PI. Elevated CO₂ decreased leaf N concentration over the season, except during early stage of development. For MN crops, total biomass increased with elevated CO₂, but the response declined linearly with development, with average increases of 32, 28, 21, 15 and 12% at tillering, PI, anthesis, mid‐ripening and grain maturity, respectively. This decline is likely to be due to decreases in the positive effects of elevated CO₂ on canopy photosynthesis because of reductions in both GLAI and leaf N. Up to PI, LN‐crops tended to have a lower response to elevated CO₂ than MN‐ and HN‐crops, though by final harvest the total biomass response was similar for all N levels. For MN‐ and HN‐crops, the positive response of grain yield (ca. 15%) to elevated CO₂ was slightly greater than the response of final total biomass while for LN‐crops it was less. We conclude that most of the seasonal changes in crop response to elevated CO₂ are directly or indirectly associated with N uptake.