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±20 μmol·mol^–1)+高氮沉降(100 kg N·hm^–2·a^–1)(CN); 2)高CO₂(700±20 μmol·mol^–1)+背景氮沉降(C＋); 3)高氮沉降(100 kg 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。     

CO2浓度升高对森林土壤微生物呼吸与根（际）呼吸的影响

 根呼吸与微生物呼吸的作用底物不同,二者对高浓度CO₂的响应机理及敏感程度亦不同。在大气CO₂浓度升高的背景下,精确区分根呼吸与微生物呼吸是构建森林生态系统碳循环模型和预测森林生态系统碳源/汇关系所必需的。根（际）呼吸与微生物呼吸对高浓度CO₂的响应呈增加、降低或无明显变化等不同趋势,根（际）呼吸变化主要与根生物量明显相关,细根的作用大于粗根;土壤微生物呼吸变化存在较大的不确定性,微生物量和微生物活性与土壤微生物呼吸相关或不相关。根系统对高浓度CO₂的响应会潜在地影响微生物的代谢底物,进而影响微生物呼吸强度。凡影响土壤总呼吸的生物与非生物因子都会直接或间接地影响根呼吸与土壤微生物呼吸。     

CO2浓度升高对茴香植株生长、精油含量和组分的影响

 采用每日定时向密封人工气候室补充CO₂的方法,研究了3种CO₂浓度（平均浓度分 别为287.11、532.88和780.46 μmol·mol^-1）对茴香 (Foeniculum vulgare)生长、精油含量和组分的影响。结果表明：随着CO₂浓度的升高,茴香的株高、花序数、花序鲜重、花序干重、全株干重 和植株的干物率均有所上升;植株可溶性糖和全碳含量不断升高,而全氮和蛋白氮含量不断减少;叶色素含量呈下降趋势,叶绿素a/b比的差异 不显著;植株精油含量（分别为1.26、1.45和1.57 ml·(100 g) ^-1 DW）和单株精油产量（分别为0.019、 0.023和0.033 ml）均随之升高。从茴 香植株的精油中鉴定出22种成分,用不同浓度的CO₂处理,精油的成分种类没有差异,成分相对含量却有差别,差异达到极显著水平的有：醎蒎 烯、鈅蒎烯、月桂烯、对聚伞花素、反式葑醇乙酸酯和顺式茴香脑;含量差异达到显著水平的有：香桧烯、水芹烯、罗勒烯、鉥萜品烯、3,4- 二甲基-2,4,6_三烯、爱草脑、葑醇乙酸酯、古巴烯、 金合欢烯和吉玛烯。茴香精油的主要成分反式茴香脑的含量（分别为55.94%、57.20%和 59.5 5%）随着CO₂浓度的升高而升高,而柠檬烯含量（29.60%、30.24%和26.12%）表现出相反的趋势,二者在不同的CO₂浓度处理之间差异均不 显著。     

线性和指数回归方法对土壤呼吸CO2扩散速率估算的影响

 理论上,土壤呼吸通量的量值可以通过观测土壤呼吸CO₂扩散速率(əc/ət)计算得到。但是为获得əc/ət,通常须允许土壤呼吸箱内CO₂浓度升高,因此,如何估算外界大气CO₂浓度条件下的əc/ət是土壤呼吸观测技术的关键,关系到观测结果的准确性。通常əc/ət的估算会受土壤表层大气CO₂扩散梯度(即土壤呼吸箱内CO₂扩散梯度和大气CO₂浓度昼夜变化)的影响。目前,线性回归方法是土壤呼吸观测中估算əc/ət的基本方法。然而,常用的线性回 归方法会低估əc/ət,而指数回归方法则可以准确地估算əc/ət。夜间əc/ət的变化与大气CO₂ 浓度之间存在非常明显的负相关关系。夜间土壤表层大气CO₂扩散梯度的减小导致线性回归方法明显低估əc/ət。əc/ət的昼夜变化过程存在明显的非对称性现象,而指数回归方法可以更好地描述əc/ət昼夜变化的非对称性响应。     

青海省三江源区人工草地生态系统CO2通量

 了解三江源人工草地净生态系统CO₂交换(Net ecosystem CO₂ exchange, NEE)的季节变化规律和主要生物因子及环境因子对这些过程的影响将有助于认识青藏高原人工草地生态系统碳循环、生态价值、功能,以及对三江源区的生态安全的重要意义。该研究利用涡度相关技术,于2005年9月1日至2006年8月31日对位于青海腹地的垂穗披碱草（Elymus nutans）人工草地的NEE及生物和环境因子进行观测, 阐明NEE及其组分的动态变化特征和影响因子。三江源区人工草地生态系统的日最大吸收量为2.38 g C·m^－2·d^－1,出 现在7月30日。日间最大吸收率和最大排放率都出现在8月,分别为-6.82和2.95μmol CO₂·m^－2·s^－1。在生长季, 白天的NEE主要受光合有效辐射(Photosynthe tically active rad iation, PAR)变化控制,同时又与叶面积指数和群落多样性交互作用,共同调节光合速率和光合效率的强度。最大光合同化速率为2.46～10.39μmol CO₂·m^－2·s^－1,表观初始光能利用率为0.013～0.070μmol CO₂·μmol^－1 PAR。 在碳交换日过程中,NEE并不完全随着 PAR的增加而增大,当PAR超过某一值（>1 200μmol ·m^－2·s^－1）时,NEE随PAR的增加而降低。受温度的影响,生长季的生态系统的呼吸商Q₁₀（1.8）小于非生长季节的 2.6）。 生态系统呼吸主要受温度的控制,同时也受到叶面积指数的显著影响。生长季昼夜温差大并不利于生态系统的碳获取。 三江源区人工草地生态系统是一个较强的碳汇,为-49.35 g C·m^－2·a^－1。     

CO2浓度增加和不同氮肥水平对冬小麦根系呼吸及生物量的影响

 依托FACE(Free-air CO₂ enrichment)研究平台, 利用特制分根集气生长箱, 采用静态箱-GC(Gas chromatography)法, 连续两年研究 了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对冬小麦拔节期、孕穗抽穗期和灌浆末期的根系呼吸及生物量的影响。两季结果表明, CO₂浓度升高和高氮 肥量均不同程度地增加了3个阶段的地上部和地下部的生物量, 这有利于增加根茬的还田量; CO₂浓度升高对冬小麦不同生长阶段的根系呼吸影 响不同, 在拔节期影响较小;孕穗抽穗期显著增加了根系呼吸, 2004~2005季分别增加33.8%(148.1 mg N&;#8226;kg^-1 干土, HN)和43.9%(88.9 mg N&;#8226;kg^-1 干土, LN), 2005~2006季分别为23.8%(HN)和28.9%(LN); 而灌浆末期显著降低了根系呼吸, 2004~2005季分别降低31.4%(HN)和23.3% (LN), 2005~2006季分别为25.1%(HN)和18.5%(LN); 高施氮量比低施氮量促进了根系呼吸; 随着作物生长根系呼吸与地下生物量呈显著线性负相 关, 高CO₂环境中的R²变小,表明随着作物生长发育高CO₂浓度降低了作物根系呼吸与地下部生物量积累间的相关性.     

热带季节雨林林冠上方和林内近地层CO2浓度的时空动态及其成因分析

 为探讨西双版纳独特地方气候背景下,热带季节雨林CO₂浓度的时空变化特征和不同时间尺度上环境因素对森林CO₂浓度时间分布的作用,以及 为研究热带季节雨林的碳通量、净生态系统交换量(Net ecosystem exchange, NEE)等提供支持,我们利用热带季节雨林林冠上方和林内近地层 CO₂浓度连续监测资料,结合同步气象资料进行了统计分析。研究结果表明：在植被生理活动、土壤呼吸以及林内湍流的共同作用下,西双版纳 热带季节雨林CO₂浓度表现出明显的日变化、季节变化和林冠上下差异。在日尺度上,林冠上方的CO₂浓度时间变化曲线为“单峰型”,林内近 地层CO₂浓度时间变化曲线为“双峰型”,造成林内近地层傍晚第二个峰值的主要因子是地形因子作用下形成的局地环流。在季节尺度上,林冠 上方CO₂浓度主要受林冠代谢作用的影响,呈现雨季低、干季高的特点,而林内近地层的CO₂浓度则主要受地表呼吸过程所控制,季节变化趋势 与林冠上方相反。林冠上方CO₂浓度低于林内近地层CO₂浓度,且差异较大;在日尺度上,各月（除12月外）CO₂浓度的最大差值皆大于80 mg·m ^－3,且出现在傍晚;在季节尺度上,最大值为-62.9 mg·m^－3,出现在10月,最小值为-8.4 mg·m^－3,出现在12月。     

短期CO2加富对凤梨光合作用及生长发育的影响

 研究了CO₂加富对丹尼斯凤梨（Guzmania`Denise’）和吉利凤梨（Guzmania `Cherry’）叶片光合速率、植株生长、开花和光合相关酶活性的 影响。结果表明,处理30 d期间,处理(600±40)、(900±40) μmol CO₂&;#8226;mol^-1的净光合速率分别比同期对照增加了6.24%～31.91%和11.92%～ 41.48%;CO₂加富下促进了叶片中可溶性糖和淀粉的积累, 蒸腾速率和气孔导度下降,Rubisco活性增加,乙醇酸氧化酶活性则明显下降。(600 ±40)μmol CO₂&;#8226;mol^-1处理下的株高、叶面积分别比同期对照下增加了6.94%～14.63%和1.66%～7. 06%,而处理(900±40) μmol CO₂&;#8226;mol^-1下 分别增加了9.71%～20.85%和2.87%～11.62%;CO₂加富下促进了干重和鲜重的积累。此外,CO₂加富提前了吉利凤梨的花期。     

C3和C4植物光合途径的适应性变化和进化

 高等植物大多为C₃植物, C₄植物和景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism, CAM)植物是由C₃植物进化而来的。C₄途径的多源进化表明, 光合途径由C₃途径向C₄途径的转变相对简单。该文分析研究了植物光合途径的进化前景, 指出C₄植物是从C₃植物进化而来的高光效种类, 且地质时期以来降低的大气CO₂浓度和升高的大气温度以及干旱和盐渍化是C₄途径进化的外部动力。C₃植物的C₄途径的发现说明植物的光合途径并非是一成不变的, C₃和C₄植物的光合特征具有极大的可塑性, 某些环境的变化会引起植物光合途径在C₃和C₄途径之间转变。C₃植物具有的C₄途径是环境调控的产物, 是对逆境的适应性进化结果, 因而光合途径的转变也适用于干旱地区植被的适应性生存机理研究。该文还利用国外最新的C₄光合进化模型介绍了植物在进化C₄途径中所经历的7个重要时期(从分子基础到形态基础、结构基础, 再到物质代谢水平、光合酶活水平, 直到C3和C4途径协调运转时期, 最后达到形态与功能最优化阶段), 并结合全球气候变化的特点对国内外相关领域的研究进行了分析, 总结了植物光合途径的适应性转变和进化的研究成果, 为今后的相关工作提出建议。     

植物有性生殖对大气CO2浓度变化响应的研究进展

 比较详细地概述了过去数十年关于在大气CO₂浓度升高条件下,植物有性生殖特性发生变化的主要研究成果。随着植物相对生长速率加快,植株达到有性生殖所需形体大小的时间变短,开花期提前,生殖器官的生物量也相应提高,其主要表现为开花数量、花粉和花蜜产量、果实数量与大小、种子大小与产量等均有不同程度的增加。对大多数农作物而言,种子产量的增加主要通过种子数量的增加,而与种子大小变化关系不大。通常,高浓度CO₂对豆科植物种子含氮量影响比较小, 却能显著地降低非豆科植物种子含氮量。不同类型植物的生殖生物量增加趋势存在一定的规律性,如不定型植物>定型植物,豆科植物>C₃非豆科植物>C₄植物,栽培植物>野生植物。针对国内外对CO₂浓度升高影响植物有性生殖特性的研究中存在的不足,该文提出了今后研究应该注意的问题。     

华西雨屏区苦竹林土壤呼吸对模拟氮沉降的响应

2007年11月至2008年11月, 对华西雨屏区苦竹(Pleioblastus amarus)人工林进行了模拟氮沉降试验, 氮沉降水平分别为对照(CK, 0 g N·m^-2·a^-1)、低氮(5 g N·m^-2·a^-1)、中氮(15 g N·m^-2·a^-1)和高氮(30 g N·m^-2·a^-1)。每月下旬, 采用红外CO₂分析法测定土壤呼吸速率, 并定量地对各处理施氮(NH₄NO₃)。结果表明: 2008年试验地氮沉降量为8.241 g·m^-2, 超出该地区氮沉降临界负荷。在生长季节, 苦竹林根呼吸占总土壤呼吸的60%左右。模拟氮沉降促进了苦竹林土壤呼吸速率, 使苦竹林土壤每年向大气释放的CO₂增加了9.4%~28.6%。在大时间尺度上(如1 a), 土壤呼吸主要受温度的影响。2008年6~10月, 土壤呼吸速率24 h平均值均表现为: 对照<低氮<中氮<高氮。氮沉降处理1 a后, 土壤微生物呼吸速率和土壤微生物生物量碳、氮增加, 并且均与氮沉降量具有相同趋势。各处理土壤呼吸速率与10 cm土壤温度、月平均气温呈极显著指数正相关关系, 利用温度单因素模型可以解释土壤呼吸速率的大部分。模拟氮沉降使得土壤呼吸Q₁₀值增大, 表明氮沉降可能增强了土壤呼吸的温度敏感性。在氮沉降持续增加和全球气候变暖的背景下, 氮沉降和温度的共同作用可能使得苦竹林向大气中排放的CO₂增加。     

大气氮沉降与森林生态系统的氮动态

由于人类活动的影响,若干年代以来大气氮沉降明显增加。在森林地区,大气氮沉降的空间变异性由林分的位置、结构和组成树种所决定。除降雨之外,干沉降和隐藏降水也是大气氮沉降的重要形式。     

高浓度CO_2对极大螺旋藻生长和光合作用的影响

以极大螺旋藻作为实验材料 ,研究了高CO2 浓度对极大螺旋藻的生长和光合作用效应 ,结果表明在高光强下 (40 0 μmolm- 2 s- 1 ) ,高浓度CO2 对其生长和光合作用有明显的影响 ,高浓度CO2 培养下 ,螺旋藻的比生长速率是低浓度CO2 培养的 1 2倍 ;而在低光强下 ,高浓度CO2 对其生长和光合作用无明显影响。两种不同CO2 浓度和光强下培养的极大螺旋藻 ,在不同的生长时期 ,分别测定其P -I曲线 ,结果表明低光强下培养的极大螺旋藻 ,在 5d、8d、1 1d ,两者的Ik、α值均无显著差异 ,Pmax在第 5d、1 1d差异不显著 ,但在第 8d有显著差异。而在高光强培养条件下 ,第 8、1 1d通高浓度CO2 培养的极大螺旋藻 ,其Pmax、α值明显大于通低浓度CO2 培养的极大螺旋藻 ,但两者在第 5d无明显差异。     

CO2倍增对稻田CH4排放的影响

 利用开顶室熏气装置,研究了CO2倍增对稻田CH4排放的影响。发现CO2倍增在分蘖初期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期对稻田CH4排放具有明显的促进作用,分别比对照增加了253％、288％、273％、273％和157％。在分蘖末期至灌浆期有一个高峰,排放通量约为1.91mgCH4·d-1·p-1。这种促进作用可能主要是由于CO2倍增使水稻根系生物量以及根系代谢活性发生变化造成的。     

模拟氮沉降对南亚热带两种乔木幼苗生物量及其分配的影响

探讨了南亚热带季风常绿阔叶林两种优势树种荷木(Schima superba)和黄果厚壳桂(Cryptocarya concinna)幼苗的生物量及其分配对氮沉降增加的响应。实验分为对照(CK)、T₅、T₁₀、T₁₅和T₃₀ 5个处理,每个处理设置3次重复。所施氮肥为NH₄NO₃,以溶液方式喷施,5个处理浓度分别为0、0.12、0.24、0.36、0.72 mol N·L^-1。每月喷施2次,5个样方1年喷施的总氮量分别相当于氮沉降率0、5、10、15、30 g N·m^-2·a^-1。经过11个月的施氮处理,两种幼苗对氮沉降的响应存在差异,其中黄果厚壳桂幼苗的基径、株高、全株生物量和相对生长速率除最高处理T₃₀外,均高于对照,但荷木幼苗的基径、全株生物量和相对生长速率除T₁₀外,均小于对照。氮处理也对生物量的分配产生了明显的影响,两种幼苗的叶重比以T₃₀最低,表明高氮处理不利于幼苗叶片的生长;枝重比均以T₃₀最高,反映了高氮处理的幼苗生物量分配到枝干的比例最高;根重比和根冠比均以对照样方幼苗的最高,表明氮处理抑制根的生长,分配到根部分的生物量下降。总的来看,经过11个月的处理,除最高处理T₃₀外,氮处理仍对黄果厚壳桂幼苗的生长有促进作用,而对荷木幼苗的生长则趋向于一定程度的抑制效应,表明黄果厚壳桂幼苗更能耐受高氮条件。     

不同氮和水分条件下CO2浓度升高对小麦碳氮比和碳磷比的影响

 试验设两种CO2浓度水平（350 μmol·mol-1和700 μmol·mol-1）,两种土壤水分处理（湿润、干旱）和5种N肥施用水平（0、 50、 100、 150、 200 mg·kg-1土）。结果表明,CO2浓度增加,地上部氮(N)磷(P)浓度下降,根系N浓度略有下降。无论CO2浓度是升高或是当前水平,与干旱处理相比,湿润处理的地上部和根系N浓度明显降低;地上部和根系N浓度随氮肥用量增加而增加。小麦体内N浓度下降,是因为CO2浓度升高,水分利用效率增加,这将减少质流运送养分到根系为作物利用以及氮     

CO2浓度倍增对10种禾本科植物叶片形态结构的影响

在CO_2正常浓度(350μL/L)和倍增(700μL/L)条件下,对小麦(Triticum aestivum L.)、半野生小麦(T.aestivum ssp.tibeticum)、大麦(Hordeum vulgare L.)、野大麦(H.brevisubulatum(Trin.)Link)、水稻(Oryza sativa L.)、野生稻(O.meyeriana subsp.granulata)、谷子(Setaria italica(L.)Beauv)、狗尾草(S.viridis (L.)Beauv)、高粱(Sorghum vulgare Pers.)和玉米(Zea mays L.)等10种禾本科植物幼苗期叶的形态结构进行比较研究。结果表明,在CO_2浓度倍增条件下,除野大麦和玉米外,其它几种禾本科植物的叶片厚度普遍增加;表皮细胞密度下降(野大麦和谷子的远轴面除外)。其中C_3种类的平均气孔密度和气孔指数下降,C_4种类则呈相反趋势。在CO_2浓度倍增条件下,栽培种类表皮细胞密度和维管束鞘细胞中的叶绿体数明显增加,野生种类则呈相反趋势。气孔密度与气孔指数基本呈正相关。     

施肥对落叶松和水曲柳人工林土壤呼吸的影响

 以落叶松（Larix gmelinii）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）人工林为研究对象,采用动态气室法（LI-6400-09叶室连接到LI-6400便携式CO₂/H₂O分析系统）对两种林分的土壤呼吸速率进行了观测,探讨了细根生物量、根中氮含量与土壤呼吸速率的关系,以及施肥对细根生物量、根中氮含量和土壤呼吸速率的影响。结果表明：1）施肥导致落叶松和水曲柳林分的活细根生物量降低18.4％和27.4％, 死细根生物量分别降低了34.8％和127.4 ％;2）施肥使落叶松和水曲柳林地土壤呼吸速率与对照相比分别减少了34.9％和25.8％;3 ）施肥对根中氮含量没有显著影响;4）落叶松和水曲柳林地的土壤呼吸与土壤温度表现出相同的季节变化,两种林分的土壤呼吸速率与地下5和10 cm处的温度表现出明显的指数关系 ,其相关性R²=0.93～0.98。土壤呼吸温度系数Q₁₀的范围在2.45～3.29。 施肥处理对Q₁₀没有产生影响,施肥处理导致细根生物量减少可能是引起林地土壤呼吸速率下降的主要原因。     

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。