CO2浓度升高与氮添加对三江平原湿地小叶章生长的影响

利用开顶箱薰气室,设置正常大气CO₂浓度(350 μmol·mol^-1)、高CO₂浓度(700 μmol·mol^-1)2个CO₂水平和不施氮(0 g N·m^-2)、中氮(5 g N·m^-2)和高氮(15 g N·m^-2)3个氮素水平,研究CO₂浓度升高和氮肥施用对三江平原草甸小叶章生长的影响.结果表明：随着CO₂浓度升高,小叶章物候期提前,其中抽穗期提前1～2 d,成熟期提前3 d;不施氮、中氮和高氮水平下, CO₂浓度升高使小叶章的分蘖分别增加8.2%(P<0.05)、8.4%(P<0.05)和5.5%(P>0.05);在小叶章生长初期,CO₂浓度升高对其生物量的增加有促进作用,拔节期和抽穗期小叶章地上生物量分别增加12.4%和20.9%(P<0.05);生长后期则对小叶章地下生物量的促进作用增大,腊熟期和成熟期的地下生物量分别增加20.5%和20.9% (P<0.05).小叶章生物量对高浓度CO₂的响应与供氮水平有关,供氮充足条件下, 高浓度CO₂对生物量的促进效应更大.     

三江平原土壤动物群落多样性对CO2浓度升高的响应

为研究大气CO₂浓度升高条件下土壤动物的响应, 本文采用开顶式气室(OTC)控制大气CO₂浓度, 设置了3个梯度, 分别为低浓度370 ppm背景CO₂ (AC)、中浓度550 ppm CO₂ (EC1)和高浓度700 ppm CO₂ (EC2)。于2017年秋季取样并用改良Tullgren干漏斗法和Baermann湿漏斗分离土壤动物。结果表明: (1)共捕获土壤动物6,268头, 隶属于7纲15目, 优势类群为甲螨亚目, 占捕获量的88.13%; 常见类群为弹尾目和双翅目幼虫, 合计占捕获量的9%。不同CO₂浓度水平下, 优势类群(甲螨亚目)和常见类群(弹尾目、双翅目幼虫)相同, 但是稀有类群存在一定差异。(2) CO₂浓度升高显著增加了甲螨亚目的类群数和个体密度, 显著降低了弹尾目的类群数和个体密度, 对其他土壤动物无显著影响。(3)三江平原不同浓度条件下土壤动物的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数均为AC > EC1 > EC2, 而优势度指数为EC2 > EC1 > AC, 丰富度指数为AC > EC2 > EC1。研究表明, 气候变化有可能影响土壤动物的群落结构以及土壤动物的多样性。     

大气CO2浓度升高对不同施氮土壤酶活性的影响

利用中国唯一的无锡FACE（Free-air CO2 enrichment,开放式空气CO2浓度升高）平台,研究了大气CO2浓度升高对土壤β-葡糖苷酶、转化酶、脲酶、酸性磷酸酶、-氨基葡糖苷酶的影响。研究发现,不同氮肥处理下大气CO2浓度升高对某些土壤酶活性的影响不同。在低氮施肥处理中,大气CO2浓度升高显著降低-葡糖苷酶活性,但是在高氮施肥处理下,大气CO2浓度升高显著增加β-葡糖苷酶活性。在低氮和常氮施肥处理中大气CO2浓度升高显著增加了土壤脲酶活性,但在高氮水平下影响不显著。在低氮、常氮施肥处理中,大气CO2浓度升高对土壤酸性磷酸酶活性没有影响,而在高氮施肥处理中显著增强了土壤中磷酸酶活性。大气CO2浓度升高对土壤转化酶活性和-氨基葡糖苷酶的活性有增加趋势,但影响不显著。研究还发现,在不同的CO2浓度下,土壤酶活性对不同氮肥处理的响应也不同。在正常CO2浓度下,土壤中β-葡糖苷酶活性随着氮肥施用量的增加而降低,而在大气CO2浓度升高条件下,却随着氮肥施用量的增加而增加。在大气CO2浓度升高条件下,高氮施肥显著增加了转化酶和酸性磷酸酶活性,而在正常CO2浓度下,影响不显著。在大气CO2浓度升高条件下,氮肥处理对脲酶活性的影响不大,但在正常CO2浓度下,脲酶活性随着氮肥施用量的增加而增加。氮肥对β-氨基葡糖苷酶活性的影响不明显。     

大气CO2浓度和温度升高对作物生理生态的影响

论述了大气CO2浓度和温度升高下的植物生长,光合作用,产量以及水分养分利用效率等方面的研究进展,未来高CO2浓度下,光合作用速率有不同程度的提高,生物量和产量增加;气孔导度降低,水分利用效率（WUE）提高,一般地上部分和根系尤其是细根生物量增加,凋落物量随之增加,C/N比率提高,植物残体的腐解速率降低,CO2浓度升高后,会给根际微生物带来更多的底物,从而提高了微生物活性,加速养分的矿化过程,改善植物的养分状况。     

自由大气CO2浓度升高对夏大豆生长与产量的影响

IPCC报告指出到本世纪中期全球大气CO2浓度将比目前的浓度增加50%.CO2浓度升高将影响大豆的生长及产量.有关大气CO2浓度对大豆影响的研究大多在温室或开顶式气室中进行的,利用FACE (Free Air CO2 Enrichment)系统对大豆生长发育受CO2浓度升高影响的试验首次在中国进行,FACE圈中心的CO2浓度维持在(550±60)μmol·mol-1,对照浓度(389±40)μmol·mol-1.这是继美国SoyFACE之后世界第二个利用FACE系统对大豆生长发育进行的研究,研究表明:大气CO2浓度升高提高了两个大豆品种全生育期的叶、茎、荚重及地上部分总重,收获后地上部分总干重平均提高52.30%;大豆叶面积对CO2浓度升高的响应存在品种差异,中黄35促进叶面积增加而中黄13抑制叶面积的增加.CO2浓度升高使鼓粒期大豆比叶重增加,中黄35比叶重增加23.08%到达显著水平.CO2浓度升高使大豆节数、分枝数、茎粗提高,特别是茎粗收获期中黄35增加7 18%,中黄13增加26.33%,均到达显著或极显著水平;大气CO2浓度升高使两个品种产量平均增加30.93%,产量的增加主要是由于CO2浓度升高提高了大豆单株荚数和百粒重.大气CO2浓度升高对大豆各器官占地上部分重量的比例影响不明显,对大豆收获指数的影响未达显著水平.大气CO2浓度升高对大豆的影响品种差异明显.结论与美国SoyFACE的研究结果基本一致,如FACE系统下大豆生物量、产量都较对照增高,但变化幅度较SoyFACE的结果高.     

大气CO2浓度上升和氮添加对南亚热带模拟森林生态系统土壤碳稳定性的影响

大气CO₂浓度升高和氮(N)添加对土壤碳库的影响是当前国际生态学界关注的一个热点。为阐述土壤不同形态有机碳的抗干扰能力, 运用大型开顶箱, 研究了4种处理((1)高CO₂浓度(700 µmol·mol^-1)和高氮添加(100 kg N·hm^-2·a^-1) (CN); (2)高CO₂浓度和背景氮添加(CC); (3)高氮添加和背景CO₂浓度(NN); (4)背景CO₂和背景氮添加(CK))对南亚热带模拟森林生态系统土壤有机碳库稳定性的影响。近5年的试验研究表明: (1) CN处理能明显地促进各土层中土壤总有机碳含量的增加, 其中, 下层土壤(5-60 cm土层)中的响应达到统计学水平。(2)活性有机碳库各组分对处理的响应有所差异: 不同土层中微生物生物量碳(MBC)的含量对各处理的响应趋势基本一致, 各土层中的MBC含量均为CN > CC > NN > CK, 其中0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm 3个土层的处理间差异都达到了显著水平; 10-20 cm与20-40 cm两个土层中的易氧化有机碳处理间有显著差异; 而对于各土层中水溶性有机碳, 处理间差异均不明显。(3)各团聚体组分中的有机碳含量的响应也有所差异: 20-40 cm与40-60 cm土层中250-2000 μm组分的有机碳含量存在处理间差异; 40-60 cm土层中53-250 μm组分的有机碳对各处理响应敏感, CC处理和NN处理都有利于该组分碳的深层积累, 尤其CN处理下的效果最为明显; 在各处理10-20 cm、20-40 cm及40-60 cm土壤中, < 53 μm组分中的碳含量间差异显著。大气CO₂浓度上升和N添加促进了森林生态系统中土壤有机碳的增加, 尤其有利于深层土壤中微团聚体与粉粒、黏粒团聚体等较稳定组分中有机碳的积累, 增加了土壤有机碳库的稳定性。     

CO2浓度升高与氮沉降对南亚热带森林生态系统植物生物量积累及分配格局的影响

CO2浓度升高与氮沉降增加对陆地生态系统的耦合作用已成为全球变化的研究热点。应用大型开顶箱 (OTC) 人工控制手段研究了人工生态系统在1) 高CO2 (700±20μmol·mol-1) +高氮沉降 (100kg N·hm-2·a-1) (CN) ;2) 高CO2 (700±20μmol·mol-1) +背景氮沉降 (C+) ;3) 高氮沉降 (100kg N·hm-2·a-1) +背景CO2 (N+) ;4) 背景CO2+背景氮沉降处理 (CK) 4种处理条件下荷木 (Schima superba) 、红锥 (Castanopsis hystrix) 、海南红豆 (Ormosia pinnata) 、肖蒲桃 (Acmena acuminatissima) 、红鳞蒲桃 (Syzygium hancei) 等主要南亚热带森林植物的生物量积累模式及其分配格局。连续近3年的实验结果表明:不同处理条件下, 各参试植物生物量积累具有不同的响应特征, N+处理显著促进荷木、肖蒲桃及红鳞蒲桃生物量的积累;C+处理显著促进肖蒲桃、海南红豆生物量的积累;CN处理显著促进除红锥外其他物种生物量的积累, 并且具有两者单独处理的叠加效应。不同处理改变物种生物量的分配模式, N+处理降低植物的根冠比, 促进地上部分生物量的积累;C+处理增加红锥和红鳞蒲桃地下部分生物量的分配, 却促进荷木和海南红豆地上部分的积累;CN处理仅促进红磷蒲桃地下部分的积累。群落生物量的积累与分配格局取决于优势物种的生物量及其分配格局在群落中所 占的权重。     

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·mo1-1,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.     

全球大气CO2浓度升高对土壤微生物的影响

全球大气CO2浓度升高对土壤微生物生态系统的影响已引起广泛关注。本文从土壤微生物群落结构、微生物区系、土壤呼吸、微生物生物量以及土壤酶活性方面对大气高浓度CO2的响应进行了综述。由于提供高浓度CO2的实验系统、所选植物材料以及土壤特性等的不同,大气CO2浓度升高对土壤微生物群落结构、微生物区系、土壤呼吸、微生物生物量以及土壤酶活性的影响并未得出一致结论。但高浓度CO2对土壤微生物生态系统的影响是存在的。     

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。     

三江平原湿地小叶章群落磷素积累动态与生物量动态分析

采用野外定位观测结合室内分析的方法,对三江平原典型小叶章湿地两种类型小叶章生长季磷的积累及植物生物量的季节动态进行研究,以揭示三江平原湿地中磷在植物中积累的季节动态变化及其与植物生物量积累之间的关系,进一步认识磷在湿地系统中通过植物吸收迁移转化的机制。结果表明,两种小叶章群落地上、地下生物量以及植物体磷储量有明显的季节动态变化,但二者季节变化特征不同。此外,植物体地上、地下部分磷素积累量和生物量在整个植物体所占的比重两种类型也存在一定差异,这与植物所处的生境及其生态适应有一定关系。分析两种小叶章群落的生长速率(AGR)以及磷素的积累速率(Vp),表明在生长初期,磷是植物生长的重要营养元素。两种小叶章的AGR、Vp的变化曲线相似,说明对于这两种小叶章群落,生境不是磷积累速率的主要影响因素。     

三江平原典型小叶章湿地土壤氮素净矿化与硝化作用

2004年6月—2005年7月,利用PVC顶盖原位培育法研究了三江平原典型草甸小叶章湿地和沼泽化草甸小叶章湿地土壤(0~15cm)无机氮库、净矿化/硝化速率动态、影响因素及年净矿化/硝化量.结果表明:两种湿地土壤的无机氮均呈明显的动态变化特征,其NH4 -N、NO3-N含量均表现为典型草甸小叶章湿地>沼泽化草甸小叶章湿地.两种湿地土壤的净矿化/硝化速率均呈明显的波动变化,生物固持作用、反硝化作用以及雨季较多降水是导致净矿化/硝化速率出现负值的主要原因.温度、降水、土壤有机质含量、C/N和pH是引起二者土壤无机氮库、净矿化/硝化速率存在明显差异的重要原因.典型草甸小叶章湿地的年净矿化量(19.41kg·hm-2)、年净硝化量(4.27kg·hm-2)以及净硝化量占净矿化量的百分比(22.00%)明显高于沼泽化草甸小叶章湿地(5.51kg·hm-2、0.28kg·hm-2和5.08%),说明前者的氮有效性以及维持可利用氮的能力明显高于后者.     

三江平原小叶章群落近30年的动态变化

由于生境的改变,三江平原沼泽湿地典型植物群落中小叶章群落内部发生了显著的变化。本文以定点观测和典型湿地植物调查为基础,分析了近30年来小叶章群落的动态变化。结果表明,小叶章群落的物种频度符合Raunkiaer频度定律,即5个频度级的关系都具有A〉B〉C≥D〈E的规律性。小叶章群落的物种构成发生了明显变化,灌木类型植物逐渐增多。植物物种多样性减少。小叶章的多度、分盖度和高度都有降低趋势。     

Biogeochemical cycle of Sulfer in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem in the Sanjiang Plain, China

To better understand the Sulfur (S) cycle in the wetland ecosystem, the S cycle and its compartmental distribution within an atmosphere-plant-soil system were studied using a compartment model in the Calamagrostis angustifolia wetland in the Sanjiang Plain, Northeast China. The results showed that the soil was the main S storage and flux hinge in which 97.78% S was accumulated. In the plant subsystem, the root was the main S storage, and it remained at 79.60% of the total S contents, which in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem showed that the parts above the ground took up 0.75 g S/m², the S re-transferring biomass to the root was 0.24 g S/m², and to the litter was 0.51 g S/m²; the root took up 3.76 g S/m² and the S transferring biomass to the soil took up 3.07 g S/m²; the litter S biomass was 0.75 g S/(m²·a) and the S transferring biomass to the soil was more than 0.52 g S/(m²·a). The emission amount of H2S from the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem to the atmosphere was 1.42 mg S/m², whereas carbonyl sulfide (COS) was absorbed by the Calamagrostis angustifolia wetland from the atmosphere and the absorption amount was 1.83 mg S/m². The S input biomass from the rain to the ecosystem was 4.85mg S/m² during the growing season. The difference between input and output amounts was 5.26 mg S/m², which indicated that S was accumulated in the ecosystem and would lead to wetland acidification in the future.     

Distribution and fate of anthropogenic nitrogen in the Calamagrostis angustifolia wetland ecosystem of Sanjiang Plain, Northeast China

Wetlands are important for the protection of water quality of rivers and lakes, especially those adjacent to agricultural landscapes, by intercepting and removing nutrients in runoff. In this study, the 15N tracer technique was applied to study the distribution and fate of anthropogenic nitrogen (15N-fertilizer) in Calamagrostis angustifolia Kom wetland plant-soil microcosms to identify the main ecological effects of it. 15NH415NO3 solution (14.93 mg N/L, 20.28 at.% 15N) was added to each microcosm of the first group, which was approximate to the current nitrogen concentration (CNC) of farm drainage, and 29.86 mg NIL 15NH415NO3 solution was added to another group, which was approximate to the double nitrogen concentration (DNC) of farm drainage, while no nitrogen (NN) was added to the third group. The results suggest that the Input of anthropogenic nitrogen has positive effects on the biomass and total nitrogen content of plant, and the positive effects will be elevated as the increase of its Input amount. The increase of 15N-fartilizer can also elevate its amounts and proportions in plant nitrogen. Soil nitrogen is still the main source of plant nitrogen, but its proportion will be reduced as the increase of 15N-fertilizer. The study of the fate of 15N-fartilizar indicates that, in CNC treatment, only a small proportion is water-dissolved (0.13±0.20%), a considerable proportion is soil-immobilized (17.02±8.62%), or plant-assimilated (23.70±0.92%), and most is lost by gaseous forms (59.15±8.35%). While in DNC treatment, about 0.09±0.15% is water-dissolved, 15.33±7.46% is soil-immobilized, 23.55±2.86% is plant-assimilated, and 61.01±5.59% is lost by gaseous forms. The double input of anthropogenic nitrogen can not elevate the proportions of plant-assimilation, soil-immobilization and water-dissolution,but it can enhance the gaseous losses.     

三江平原典型小叶章湿地土壤氨挥发特征及影响因素

采用通气法对三江平原典型草甸小叶章湿地和沼泽化草甸小叶章湿地土壤的氨挥发进行了原位测定,并对其主要影响因素进行了分析。结果表明,二者的氨挥发速率在生长季内的变化趋势基本一致,7月中旬前出现两次挥发高峰和一次低值,之后整体呈严格单调下降趋势,后者的氨挥发速率较高,平均为前者的1.35±0.53倍;二者累计氨挥发量的变化趋势也基本一致,7月中旬前增加迅速,且值比较接近;之后增加缓慢,但其值发生明显分异,表现为后者大于前者;生长季内,典型草甸小叶章湿地土壤的氨挥发总量为6.35 kg N.hm-2,而沼泽化草甸小叶章湿地则为6.87 kg N.hm-2,二者之比为1∶1.08;氮素物质基础不是影响二者氨挥发过程的重要限制因素,大气温度及其所引起的其它温度波动是影响氨挥发速率变化的重要因素;降水及土壤水分波动与散失是引起氨挥发速率局部波动的重要原因;土壤pH和质地是导致氨挥发速率普遍较低的根本原因;而各种因素综合作用的结果则是引起二者氨挥发速率和氨挥发量变化及差异的主要原因。     

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.     

两种水分生态型小叶章的生理生态特征研究

通过野外调查与控制试验相结合的方法,比较研究了两种水分生态型小叶章的生理生态特征,结果表明:(1)自然条件下,小叶章沼泽化草甸群落Simpson多样性指数显著高于小叶章草甸群落,但是小叶章草甸群落中小叶章种群生物量显著高于沼泽化草甸群落;草甸小叶章的株高、节长、叶长、叶宽及叶绿素含量均显著高于沼泽化草甸小叶章;叶片干重和叶鞘干、鲜重以及叶片与叶鞘生物量分配比为沼泽化草甸小叶章较高,而茎的干、鲜重和叶片鲜重、总地上生物量及茎生物量分配比均为草甸小叶章较高,但差异均不显著.(2)在人工控制水位条件下,两种生态型小叶章种群密度差异显著,而种群高度则无显著差异;两种生态型小叶章在0 cm、20 cm水位梯度下的叶长,30 cm水位梯度下的叶宽,以及0 cm水位梯度下的叶面积均存在显著差异,沼泽化草甸小叶章个体生长指标均对水位梯度具有显著响应,而典型草甸小叶章仅叶绿素含量对水位梯度具有显著响应.研究发现,两种生态型小叶章对水位条件的敏感程度不同,不同条件下对水位梯度具有不同的响应规律.