陆地碳平衡对大气CO_2升高的响应及其机制

研究陆地碳平衡对大气CO2浓度升高的响应,能为揭示碳失汇之迷提供有力证据,为制定缓解全球变化的合理政策措施提供理论依据.综述了陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应及其町能的机制,由于陆地生态系统的复杂性,以及不同的研究在具体的对象、时间、地点、方法和角度的差异,目前有关陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应还存在很大的分歧.陆地碳库主要可分为植被碳库和土壤碳库,大气CO2浓度升高主要是通过影响光合作用、土壤养分、水分供应、光照条件、群落组成、光合产物分配等方式影响植被碳库;而土壤碳库的响应机理主要包括光合产物向土壤的输入量、脱落物质量、养分循环、光合产物分配、根系周转期、微生物活性等的响应.关于陆地碳平衡对全球大气CO2升高的响应今后应该主要集中在:(1)不同生态系统影响全球植被碳库变化的主导因子;(2)大气CO2浓度升高与其他环境因子的互作效应;(3)大气CO2浓度升高对植物光合作用的促进效应与光合作用适应性间的关系;(4)地上碳库与地下碳库间的相关性,及其对大气CO2浓度升高的分别响应;(5)克服目前实验方法存在的局限性.     

植物地上部分对大气CO2浓度升高的响应

大气CO2浓度升高对植物的影响，主要是促进了植物生长早期的光合作用，同时也增加了对其他资源的需求；植物的光合作用也存在对高CO2浓度的适应，不会一直维持较高的光合水平，而且植物的呼吸作用也可能会增加；大气CO2浓度升高和其他环境条件，如水分，温度和光照等对植物生长和产量存在相互作用，可以部分弥补条件的不足，也影响作物和杂草的竞争关系；自然植物群落由于有很高的多样性和复杂性，对其研究应该在生物群落水平上进行，用外推法回到植物水平，而不是相反，而且自然物种间的竞争是激烈的，CO2浓度升高或其他因素带来的任何改善，都会明显地改变竞争平衡。     

菌根真菌对大气CO_2浓度升高的响应研究进展

大气CO2浓度升高对植物的光合作用、呼吸作用等产生直接影响,进而影响到运送到根系中碳的量,菌根真菌也随之受到影响.本文对全球CO2浓度升高对菌根真菌的影响、菌根真菌在植物对大气CO2增加响应中的作用、菌根真菌在大气CO2浓度增加条件下对整个生态系统的作用等进行了综述,同时对当前存在的问题和未来的发展做了探讨.图1参37     

大气CO_2体积分数升高对油松叶片光合生理特性的影响

近年来大气CO2体积分数不断升高,虽然CO2体积分数升高对植物影响的研究已取得一定进展,但目前针对城市森林树种的相关研究甚少。利用开顶式气室研究了大气CO2体积分数升高对沈阳市城市森林主要树种油松(PinustabulaefomisCarr.)光合生理特性的影响。结果表明,整个生长季内,与对照相比,在大气CO2体积分数为700×10-6条件下,油松叶片的Chla、Chlb及Chl(a b)质量分数提高,Chla/Chlb值降低,而类胡萝卜素质量分数则呈现出降低—升高—降低的趋势;整个处理期间,净光合速率显著提高,提高幅度为23.68%～133.18%(P<0.05或P<0.01);可溶性蛋白质量分数增加,并随着处理时间延长增加幅度增大,在通气40d时就达到差异极显著水平(P<0.01);大气CO2体积分数升高促进了油松叶片中可溶性糖、淀粉的积累;实验中并未观察到光合下调现象。     

大气CO2体积分数升高对油松叶片光合生理特性的影响

近年来大气CO2体积分数不断升高,虽然CO2体积分数升高对植物影响的研究已取得一定进展,但目前针对城市森林树种的相关研究甚少。利用开顶式气室研究了大气CO2体积分数升高对沈阳市城市森林主要树种油松(PinustabulaefomisCarr.)光合生理特性的影响。结果表明,整个生长季内,与对照相比,在大气CO2体积分数为700×10-6条件下,油松叶片的Chla、Chlb及Chl(a b)质量分数提高,Chla/Chlb值降低,而类胡萝卜素质量分数则呈现出降低—升高—降低的趋势;整个处理期间,净光合速率显著提高,提高幅度为23.68%～133.18%(P<0.05或P<0.01);可溶性蛋白质量分数增加,并随着处理时间延长增加幅度增大,在通气40d时就达到差异极显著水平(P<0.01);大气CO2体积分数升高促进了油松叶片中可溶性糖、淀粉的积累;实验中并未观察到光合下调现象。     

菌根真菌对大气CO2浓度升高的响应研究进展

大气CO2浓度升高对植物的光合作用、呼吸作用等产生直接影响，进而影响到运送到根系中碳的量，菌根真菌也随之受到影响．本文对全球CO2浓度升高对菌根真菌的影响、菌根真菌在植物对大气CO2增加响应中的作用、菌根真菌在大气CO2浓度增加条件下对整个生态系统的作用等进行了综述，同时对当前存在的问题和未来的发展做了探讨．图1参37     

大气CO2与植物氮素营养的关系

大气CO2浓度升高对植物吸收氮素,以及对植物和土壤中的氮浓度、C/N比和氮循环都存在着影响。大气CO2浓度与植物氮素营养之间存在着交互作用。大气CO2浓度升高对植物氮素营养影响的结果与氮浓度、氮形态等因素有关。     

高等植物对甲醇的释放和利用

植物可向大气中释放一种挥发性的有机气体——甲醇,同时对这种气体可加以利用。在详细阐述甲醇的产生、释放和可能的代谢机制的基础上,通过不同浓度的甲醇溶液喷施牡丹叶片,测定其对光合作用过程及叶绿素荧光参数变化的影响。结果表明,光合作用有较大改善:光合速率明显提高,气孔导度增加,叶内CO2浓度也有一定幅度改善。叶绿素荧光参数(qN和NPQ)以及电子传递速率(ETR)发生较大改变;Fm/Fo,Fv/Fo和ΦPSII的下降可能与甲醇对牡丹叶片的双向效应(促进性和毒性)有关,这取决于喷施的浓度、次数和时间。初步的结果显示:甲醇提高光合作用速率的同时,并没有伴随光合效率和机能的改善和提高。期间的气孔导度和胞内CO2浓度的提高以及非辐射能耗散(qN和NPQ)和光呼吸的降低可能是牡丹叶片光合作用速率提高的主要原因。     

土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，了解它对大气CO2浓度升高的响应，是全面评价大气CO2浓度对陆地生态系统影响的关键。文章主要从土壤微生物呼吸和生物量两个方面总结了大气CO2浓度升高时土壤微生物的反应，结果发现，(1)在目前实验室进行的大多数研究中，随着CO2浓度升高，土壤微生物的呼吸速率加快了。这意味着随着CO2的增多，植物生长加快，进而又使得进入土壤的C质量分数增大；这些额外增加的底物被土壤微生物的代谢活动所利用。(2)土壤微生物生物量则存在着很大的变异性(变异系数为193％)，这可能与植物种类以及生活型的差异有关，也可能是进入土壤的底物的性质改变的结果。但是目前仍有许多问题未能解决，需要加强以下几个方面的研究：对土壤微生物活动有限制作用的植物有机底物在CO2浓度升高时输入量的变化状况，定量分析这一动态变化过程；在生态系统各个水平上土壤微生物的反应；在其他全球变化因子综合作用下，CO2浓度升高对土壤微生物的影响。     

大气CO2体积分数升高对植物N素吸收的影响

从影响植物N素吸收的因素来看，大气CO2体积分数升高条件下植物净光合作用增强，碳同化产物增多，利于改善N素吸收的能量和物质基础：植物根系生长增强，生物量增多且空间分布加大，有利于N素吸收；但土壤有效N供应能力的变化存在增强和减弱两种观点。从植物N素吸收的实际情况来看，大气CO2体积分数升高条件下植物N吸收总量并末增加，植物体内N质量分数普遍降低，某些种类植物N吸收形态也发生了改变。因此要阐明大气CO2体积分数升高对植物N素吸收的影响机制，必须探明土壤有效N供应能力的变化：CO2体积分数升高条件下N矿化作用是否增强，微生物和植物间是否存在对有效N的竞争，此外，CO2体积分数升高条件下植物根系形态特征变化和N素吸收(包括主动和被动吸收)的生理机制及其与环境因素的关系也值得进一步研究。     

二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响

从入侵植物和入侵植物群落两个方面,综述了大气二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响。二氧化碳浓度升高,可以增加C3植物的入侵性,提高入侵植物的生物量、资源利用率以及繁殖能力,直接影响植物入侵;还可以通过改变土壤水分、氮循环、干扰体系等其它环境因子间接地影响植物入侵。此外,二氧化碳浓度升高,对入侵群落的初级生产量、组成与结构以及群落动态产生重要影响,改变群落的可入侵性。今后应当着重从群落水平,结合其它全球变化因子的共同作用研究二氧化碳浓度升高对植物入侵的影响,同时深入探讨其作用机制以及不同植物类群对二氧化碳的响应,为入侵种的预防和控制提供理论指导。     

Atmospheric CO2 and O3 alter the flow of 15N in developing forest ecosystems

Anthropogenic O3 and CO2-induced declines in soil N availability could counteract greater plant growth in a CO2-enriched atmosphere, thereby reducing net primary productivity (NPP) and the potential of terrestrial ecosystems to sequester anthropogenic CO2. Presently, it is uncertain how increasing atmospheric CO2 and O3 will alter plant N demand and the acquisition of soil N by plants as well as the microbial supply of N from soil organic matter. To address this uncertainty, we initiated an ecosystem-level 15N tracer experiment at the Rhinelander (Wisconsin, USA) free air CO2-O3 enrichment (FACE) facility to understand how projected increases in atmospheric CO2 and 03 alter the distribution and flow of N in developing northern temperate forests. Tracer amounts of 15NH4+ were applied to the forest floor of developing Populus tremuloides and P. tremuloides-Betula papyrifera communities that have been exposed to factorial CO2 and O3 treatments for seven years. One year after isotope addition, both forest communities exposed to elevated CO2 obtained greater amounts of 15N (29%) and N (40%) from soil, despite no change in soil N availability or plant N-use efficiency. As such, elevated CO2 increased the ability of plants to exploit soil for N, through the development of a larger root system. Conversely, elevated O3 decreased the amount of 15N (-15%) and N (-29%) in both communities, a response resulting from lower rates of photosynthesis, decreases in growth, and smaller root systems that acquired less soil N. Neither CO2 nor 03 altered the amount of N or 15N recovery in the forest floor, microbial biomass, or soil organic matter. Moreover, we observed no interaction between CO2 and 03 on the amount of N or 15N in any ecosystem pool, suggesting that 03 could exert a negative effect regardless of CO2 concentration. In a CO2-enriched atmosphere, greater belowground growth and a more thorough exploitation of soil for growth-limiting N is an important mechanism sustaining the enhancement of NPP in developing forests (0-8 years following establishment). However, as CO2 accumulates in the Earth's atmosphere, future O3 concentrations threaten to diminish the enhancement of plant growth, decrease plant N acquisition, and lessen the storage of anthropogenic C in temperate forests.     

补增UV-B辐射对焕镛木(Woonyoungia septentrionalis)叶片光合参数的影响

补增UV B辐射 ,焕镛木 (Woonyoungiaseptentrionalis)叶片的光饱和光合速率较自然光下的降低 2 9% ,叶片的光合量子产率降低 5 0 .4 % ,光能转换效率亦降低 4 9% .补增UV B辐射抑制光下呼吸速率 (Rd) ,但不明显改变不包括光下呼吸的CO2 补偿点 .补增UV B辐射 ,焕镛木叶片的RuBP饱和的最大羧化速率和最大电子传递速率分别较自然光下的低 4 3.4 %和 4 6 .4 % ,Jmax:Vcmax亦降低 ,显示补增UV B辐射对Jmax的影响较Vcmax明显 .补增UV B辐射亦引起磷酸三碳糖利用速率降低 .叶片多个生化过程被抑制可能是引起植物光合速率降低的原因 .补增UV B辐射 ,降低了气孔对空气CO2 浓度和相对湿度变化的敏感度 ,则可能影响植株对环境因素变化的适应性 .图 3表 4参 2 3     

Effects of fertilization and elevated CO<Subscript>2</Subscript> on larval food and butterfly nectar amino acid preference in<Emphasis Type="Italic"> Coenonympha pamphilus</Emphasis> L.

The effects of larval diet on the nutritional preferences of butterflies has rarely been examined. This study investigates whether alterations in the larval diet result in changes in adult preferences for nectar amino acids. Larvae of Coenonympha pamphilus were raised on fertilized or unfertilized Festuca rubra, grown under ambient (350 ppm) or elevated (750 ppm) atmospheric CO ₂environments. Fertilization led to marked increases in leaf nitrogen concentration. In plants grown under elevated CO ₂conditions, leaf water and nitrogen concentrations were significantly lower, and the C/N-ratio increased significantly. Fertilization of the host plant shortened the development time of C. pamphilus larvae, and pupal weight increased. In contrast, larvae of C. pamphilus developed significantly slower on F. rubra grown under elevated CO ₂, but adult emergence weight was not affected by CO ₂treatment of the plant. C. pamphilus females showed a clear preference for nectar mimics containing amino acids, whereas males, regardless of treatment, either preferred the nectar mimic void of amino acids or showed no preference for the different solutions. Female butterflies raised on fertilized plants showed a significant decline in their preference for nectar mimics containing amino acids. A slight, but not significant, trend towards increased nectar amino acid preference was found in females raised on plants grown under elevated CO ₂. We clearly demonstrate that alterations in larval host quality led to changes in butterfly nectar preferences. The ability of the butterfly to either rely less on nectar uptake or compensate for poor larval conditions represents a trade-off between larval and adult butterfly feeding.