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。     

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CO2浓度升高对农田土壤颗粒组成及其碳周转的影响

采集FACE(Free Air CO2 Enrichment)平台下运行3年的水稻(Oryza sativaL.)/小麦(Triticum aestivumL.)轮作土壤(0~15cm耕作层土壤),利用超声波分散-湿筛分法对烘干土样进行颗粒分级,分析土壤各粒级及其碳、氮的分布特征,研究大气CO2浓度升高对土壤碳周转的影响。结果表明:高浓度大气CO2条件下稻/麦轮作3年后,土壤颗粒组成较对照发生了改变,>53μm粒级的质量分数减小27%(p<0.05),约占土壤总质量20%;53~25μm粒级的质量分数增大35%(p<0.05),约占土壤总质量25%;<25μm无明显变化,约占土壤总质量55%,三种粒级之间质量分数呈显著差异(p<0.05)。FACE条件下,不同粒级土壤颗粒碳质量分数在两个氮水平下平均为:>53μm(30.60g·kg-1),<25μm(13.08g·kg-1),25~53μm(12.85g·kg-1),氮质量分数分别为2.42g·kg-1,1.33g·kg-1,1.12g·kg-1。>53μm粒级的土壤颗粒碳、氮质量分数均极显著高于其它两个粒级(p<0.001)。FACE条件下土壤总碳、氮质量分数高于对照,增幅分别为6.2%和6.7%。从各粒级土壤颗粒碳、氮质量分数变化分析,新增碳、氮主要进入>53μm粒级中,表明该粒级土壤颗粒对土壤碳氮循环(转化和保存)起着重要作用。该研究结果表明高浓度大气CO2条件下,稻/麦轮作农田土壤将成为大气CO2的汇,这将为预测我国未来农田土壤碳的变化趋势提供科学依据。     

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     

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。     

镉污染下大气CO2升高和氮添加对森林土壤有机碳的影响

以森林土为生长基质和开顶生长箱(open-top chambers,OTCs)的近自然法,选择亚热带造林树种大叶相思(Acacia auriculiformis)、红锥(Castanopsis hystrix)、樟树(Cinnamomum camphora)、枫香(Liquidambar formosana)、海南蒲桃(Syzygium hainanense)的一年生树苗构建实验林,探讨土壤有机碳对重金属镉(Cd)污染下大气二氧化碳(CO₂)浓度升高和氮(N)添加的响应.实验处理如下：对照(CK)、加Cd(Cd)、加Cd加CO₂(Cd+CO₂)、加Cd加N(Cd+N)、加Cd加CO₂加N(Cd+CO₂+N);加Cd为10 kg hm^-2 a^-1,加CO₂浓度为700μmol/mol,加N为100 kg hm^-2 a^-1;每个处理3个重复.试验始于2017年4月,2020...     

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。     

长期施肥对华北平原农田土壤呼吸及碳平衡的影响

在具有21年历史的长期定位试验地,研究了土壤温度变化、不同施肥处理对土壤释放CO2及小麦(Triticum aestivumL.)、玉米(Zea mays L.)吸收CO2的影响,进而明确在华北平原小麦-玉米轮作制的农田生态系统中碳素平衡问题.研究表明:土壤释放CO2的量与土壤温度呈明显的正相关,相关系数分别达到r=0.717**(5 cm地温)和r=0.764**(10 cm地温).进一步研究表明:在小麦生育期,施氮、磷各处理土壤释放CO2的数量随气温而增加,氮、磷肥配合的各处理与对照和单施氮、磷肥处理之间有显著的差异(P<0.05);但是2个处理组合(氮、磷肥配合、单施氮、磷肥)之内各处理之间差异不显著.土壤温度在10～20℃之间单施氮、磷肥无助于改变土壤释放CO2的量,而氮、磷肥配合施用可以明显地增加土壤释放CO2的量.不施肥与单施氮、磷肥处理麦田土壤呼吸释放的CO2量大于小麦固定的CO2量,向大气净排放的CO2量达0.83～3.73 t hm-2,而氮、磷肥配合处理的麦田从大气中净吸收的CO2量达7.89～12.49 t hm-2.在玉米生育期,土壤释放CO2的量在7月中旬达到最高值(12.40～22.52 g·m-2·d-1),9月中旬降到最低(6.19～8.20 g·m-2·d-1).施用N 540 kg·hm-2·a-1,P2O5 135kg·hm-2·a-1的处理(N2P2)释放的CO2量与施用N 270 kg·hm-2·a-1的处理(N1)之间差异不显著.与其它各处理之间差异显著(P<0.05),表明在玉米生育期长期施用高量氮、磷肥明显地影响到土壤释放CO2的量.玉米不但可以吸收土壤释放的CO2,还要从大气中吸收大量CO2,即在玉米生育期的农田生态系统可以降低大气中CO2的含量.总之,在华北平原小麦一玉米轮作制的农田生态系统土壤呼吸不会增加大气中CO2的含量,相反则有可能减少其含量.     

农业生产措施对土壤碳库的影响

在陆地碳平衡日益成为全球变化科学和生态科学中最为前沿与热点问题的前提下,农业碳平衡问题也受到了强烈的关注,从而促进了农业生产措施对土壤碳库影响的研究。文章综述了农业生产措施对土壤碳库的影响及其效率。从全球不同地区的研究得出,农业措施决定了现阶段农业生态系统是C源还是C汇。目前,影响农田土壤碳库的措施主要有:农业用地面积的扩张;耕地的休耕与利用;农业施肥;耕作方式;作物类型与轮作;秸秆还田。平均不同地区的研究结果,各种措施提高土壤碳积累的效率(CMg·hm-2·a-1)分别为:施用动物肥料0.6(肥料用量10Mg·hm-2·a-1)、施化肥-0.71、耕地转换为草场0.825、改善轮作0.21、实施免耕0.315、秸秆还田0.3。目前研究存在的问题及将来的研究重点应主要集中在:通过改善农业措施提高土壤碳库的可行性;土壤有机碳积累与农业措施间的关系的地区差异性;农业措施提高土壤碳库所产生的环境效益与经济效益。     

大气CO_2浓度升高对稻田土壤Ca、Mg含量的影响

为了研究稻田生态系统中土壤钙、镁元素生物地球化学循环对大气CO2浓度升高的响应。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（比周围大气高200μmol mol-1）对2007年稻季各生育期不同深度土壤溶液ρ（Ca）、ρ（Mg）的影响。结果表明,大气CO2浓度升高降低了5 cm处土壤溶液ρ（Ca）、ρ（Mg）,有增加稻季30、60和90 cm处土壤溶液ρ（Ca）的趋势,其增幅分别为18.3%、12.4%和15.3%;大气CO2浓度升高会增加稻季Ca淋溶损失风险;稻季不同深度土壤溶液ρ（Ca）、ρ（Mg）对大气CO2浓度升高的响应有所不同。稻田生态系统不同深度土壤Ca、Mg循环对大气CO2浓度升高的响应值得深入研究。     

气候变化背景下中国陆地生态系统碳储量及碳通量研究进展

全球气候变化对全球生态系统的结构、功能和过程产生了重要影响,成为各国政府、社会公众以及科学界共同关心的焦点问题。陆地生态系统碳循环又是当前气候变化和区域可持续发展研究的核心内容之一,影响到经济和社会发展的各个方面。因此,开展陆地生态系统碳储量和碳通量的研究仍将是气候变化研究中的重点内容。总结了近年来国内森林、土壤、草地、农田四种陆地生态系统在碳储量、碳通量方面取得的研究成果和不足：随着遥感、GIS及模型的发展和应用,森林、草地生态系统碳储量的研究精度和范围要高于农田和土壤,而农田和土壤生态系统碳储量的研究多基于典型性样地和大量实验数据,结果受制于样点布设和采样密度;目前,土壤生态系统碳储量结果多基于上世纪80年代全国二次土壤普查数据计算所得,且总有机碳库的估算存在较大差异,土壤有机碳的组分研究中易氧化有机碳库研究滞后于总有机碳,迫切需要对我国现有土壤有机碳进行研究;农田生态系统受人类活动干扰强烈,从一个或几个站点到全国尺度都有对农田土壤有机碳贮量的研究成果,与国外相比,我国试验田的设置时间短,资料积累较少,更多侧重不同施肥方式下农作物产量和农田合理的施肥培肥模式研究,农田土壤有机碳含量关系我国农业生产和粮食安全,对农田土壤固碳机理的研究仍将是今后关注的焦点。各生态系统碳通量的监测取得了一定成果,近年来涡度相关系统在森林、土壤、草地、农田生态系统中得到了广泛的应用。并从气候、人类活动两个因素分析了其对生态系统碳储量、碳通量的影响。针对目前存在的问题,进一步指出了目前国内不同生态系统中碳循环在现状研究、有机碳变化机制、模型建立及气候变化和人类活动影响下的碳库时空格局方面得到加强。     

亚热带不同林地植物光合作用对空气CO_2浓度增高的响应

以桃金娘、荷木及九节和罗伞分别代表生长在密林、中等疏密林和疏林植物 .在较高空气CO2 浓度下 ,随着光强增加 ,疏林的桃金娘光合速率 (An/ μmolm-2 s-1)与光强关系曲线的最初直线部分斜率为 0 .0 5 1,而中等疏密林的荷木和九节则分别为 0 .0 39和 0 .0 34 ,密林的罗伞则较低 ,仅为 0 .0 2 2 .疏林桃金娘的不包括光呼吸的CO2 补偿点为Γ 38.1μLL-1,较荷木和九节分别约高 8.8%和 10 .7% ;较罗伞约高 14.7% .除罗伞有较低光呼吸速率外 ,疏林的桃金娘和中等疏密林荷木及九节的光呼吸速率 (Rd)相似 .光合作用的Rup2 饱和速率 (Vcmax)80 .2 μmolm-2 s-1,较荷木和九节分别高 2 4.8%和 2 2 .9% ,表明生长在疏林的桃金娘有较大羧化作用潜力 .实际电子传递速率与Rup2 再生有关 ,桃金娘的实际电子传递速率为 10 2 .7μmolm-2 s-1,明显较荷木和九节高 .罗伞有低的电子传导率 ,可能罗伞光合速率受Rup2 再生的明显限制 .桃金娘的光能转化效率δ为 0 .47electrons/quan tum .而中等疏密林的荷木和九节则为 0 .2 3和 0 .2 6electrons/quantum .疏林植物生长快 ,光合产物库不受限制时 ,空气CO2 浓度增高 ,有利于促进阳生阔叶树种的光合速率持续增高 ,促进其种群优势 .图 4表 1参 12     

大气CO2升高对土壤碳循环影响的研究进展

土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡。据估计,全球土壤（表层1m）有机碳积累总量相当于大气中碳总量的2～3倍。土壤是温室气体的源或汇,土壤碳库的变化将影响大气C02的浓度,因此,土壤碳库对人类活动的响应也是全球碳循环和全球变化研究的热点。在全球变化的大背景下,大气CO2升高导致植被生态系统碳平衡的改变进而对土壤碳循环产生影响。总结了陆地生态系统碳循环对大气C02浓度升高响应的主要生物学机制及过程,简述了大气C02浓度升高对影响土壤碳输入和输出的各因素的研究进展,并指出未来研究的主要方向。在大气C02浓度升高条件下,陆地生态系统碳循环的变化主要反映在以下几个方面：1）不同类型植物群落的净初级生产力（NPP）显著增加,但湿地植物的净初级生产力也有可能降低;2）光合产物向根系分配的数量增加,地上／地下生物量降低,根系形态发生变化,根系周转速率和根系分泌等过程的碳流量提高;3）植物含氮量降低,C／N提高,次生代谢产物增加,微生物生长受到抑制,植物残体分解速率降低;4）土壤呼吸速率显著增加,提高幅度受植物类型与土壤状况的影响;5）进入土壤的植物残体及分泌物的数量和性质影响土壤酶的活性,脱氢酶和转化酶活性增加,酚氧化酶和纤维素酶受植物类型与环境条件的影响;6）土壤中真菌的数量的增加幅度要高于细菌;7）CH4释放量增加,在植物的生长期表现更为明显。由于陆地生态系统碳循环的复杂性,研究结果仍有很大的不确定性。大气C02浓度升高与全球变化的其它表现间的交互作用将是今后研究的重点,同时由于土壤碳循环是一个由微生物介导的生物地球化学循环过程,因此,加强陆地生态系统碳循环的微生物机制研究也将为全面理解碳循环的过程提供更加准确的研究理论基础。     

大气CO2浓度升高对植物光合作用的影响

大气CO2浓度不断升高以及由此带来的温室效应已成为全球变化研究的热点问题之一。CO2作为植物光合作用的底物,其浓度升高必然对植物的光合作用产生影响。大气CO2浓度升高对植物光合作用的影响主要体现在:对不同植物的光合色素含量均有影响,但结果有所差异;短期处理光合速率提高,而长期处理则可能出现光合适应,其适应机理目前尚存在分歧;不同光合类型植物的叶片形态结构有不同的响应结果,叶绿体超微结构也明显变化;生物量和产量提高。此外,CO2浓度升高与其它环境因子相互作用对植物的光合作用也具有重要影响。大气CO2浓度升高条件下对木本植物的研究、在分子水平上的深入研究以及在不同环境下的研究将成为未来研究的主要方向。     

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。     

近地面O_3含量升高条件下土壤中腐殖质单体儿茶酚转化的放射性~（14）C示踪研究

近地面大气臭氧（O3）含量不断升高对生态环境的影响已引起人们的广泛关注,然而O3含量升高对土壤有机碳的矿化及转化影响却少有研究。土壤有机碳是全球碳循环的重要组成部分,土壤碳库的微小变化将引起大气CO2浓度的显著改变。文章以典型土壤腐殖质单体化合物儿茶酚为代表,利用14C示踪技术,研究了O3含量比当前背景升高约0.15μmol·mol-1时对土壤中腐殖质苯酚类前体化合物的矿化及转化的影响。结果表明,O3含量升高会对土壤中培育12d后儿茶酚的矿化及残留物分布具有显著的影响,而且这种影响程度和规律同土壤有关。O3含量升高促进了黄棕壤中儿茶酚的矿化,增加了儿茶酚残留物在黄棕壤腐殖酸（HA）中的总量,并使残留物在HA中偏向于同大分子结合。O3含量升高对灰潮土中儿茶酚的矿化有抑制作用,但对儿茶酚残留在HA内总量及分布没有显著影响。O3含量升高对儿茶酚在土壤中的稳定性及归趋的影响可能是O3对于微生物活性的抑制作用和O3的直接氧化作用的共同结果。后续工作中应研究土壤腐殖质中其它组份的稳定性及转化对近地面大气O3含量升高的响应,以全面考察O3含量升高对土壤碳库的影响。     

泥炭沼泽土壤酶活性对水热条件变化的响应及其与CO_2释放通量的关系——以小兴安岭地区为例

采用实验室培养的方法,研究了小兴安岭地区两类典型的泥炭沼泽:苔草型泥炭沼泽和泥炭藓型泥炭沼泽中几种水解酶活性(β-葡萄糖苷酶、酚氧化酶)对不同温度和水位变化的响应,以及与CO_2释放通量的相瓦关系.结果表明:β-葡萄糖苷酶活性在两类泥炭沼泽中受多种因素制约,在一定湿度范围内受水位控制较明显,当土壤湿度降低到一定程度时,温度对土壤酶活性影响增强.酚氧化酶活性与温度密切相关,但对温度变化的响应存在明显的季节性差异.相对而言,苔草型泥炭沼泽中β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性显著高于相同培养条件下泥炭藓型泥炭沼泽.总体上,苔草型泥炭沼泽中水解酶活性较泥炭藓型泥炭沼泽中高,但是其CO_2释放通量却低于泥炭鲜型泥炭沼泽,表明与有机碳分解有关的水解酶的活性高低不能作为解释泥炭沼泽CO_2释放通量大小的唯一指标.