大气CO2浓度升高对稻田土壤中微量元素的影响

利用中国的稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)平台技术,应用DTPA浸提土壤的方法,研究大气CO2浓度升高对稻田土壤微量元素有效性的影响。位于扬州的中国稻麦轮作农田生态系统FACE试验平台于2004年6月开始运行,设有FACE圈(高CO2圈)与Ambient圈(对照圈,当前周围大气CO2浓度)2个处理,FACE区CO2浓度比Ambient区高200μmol·mol-1,每个处理含低氮与常氮2个氮肥水平。经过一个稻麦轮作后,分别于水稻生长的分蘖期、抽穗期、乳熟期和成熟期在每个副区多点采集0~5cm和5~15cm的土壤样品,再使用ICP测定土壤样品的DTPA浸提液的方法,得出土壤中有效态Fe、Mn、Cu和Zn的质量分数。结果表明,大气CO2浓度升高都不同程度的增加了0~5cm和5~15cm耕层土壤中DTPA提取态Fe、Mn、Cu、Zn的有效性,尤其对土壤有效Zn质量分数的增加达显著水平。不同N肥处理对土壤DTPA提取态Fe、Mn、Cu和Zn的质量分数无显著性的影响,CO2和N肥处理也未表现出显著性的交互作用。     

大气CO2浓度升高对添加麦秸条件下稻田土壤酶活性的影响

利用中国扬州开放式大气CO2浓度升高(FACE)系统稻麦轮作试验平台,研究大气CO2浓度升高对稻田小麦秸秆降解过程中土壤酶活性的影响.试验平台设置FACE[(580±60)μmol·mol-1]和对照[(380±40)μmol·mol-1]2个CO2浓度,在低氮(150 kg·hm-2)和高氮(250 kg·hm-2)2种氮水平下添加小麦秸秆,分别在不同生长时期采样并分析土壤脱氢酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性.结果表明:同一氮水平下,大气CO2浓度升高显著增强土壤脱氢酶、脲酶和蔗糖酶活性,但显著降低土壤磷酸酶活性;无论是大气CO2浓度升高条件下还是对照条件下,低氮处理土壤脱氢酶与脲酶活性均高于高氮处理,而高氮处理土壤磷酸酶活性均高于低氮处理,氮水平对蔗糖酶活性并无显著影响.     

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体积分数升高环境温度与土壤水分对农田土壤呼吸的影响

植物-土壤生态系统土壤呼吸与温度、水分环境因子的关系对评价目前大气CO2浓度持续升高背景下陆地生态系统土壤碳库的变化趋势具有重要意义.依托FACE(free air carbon dioxide enrichment)技术平台,利用阻断根法,采用LI-6400红外气体分析仪(IRGA)-田间原位测定的方法,研究了大气CO2体积分数升高对稻(Oryza sativa L.)/麦(Triticum aestivum L.)轮作制中麦田的土壤呼吸、基础土壤呼吸和呼吸主要影响因子,分析了大气CO2体积分数升高后温度与水分对土壤呼吸的影响.结果表明,在整个测定期间,土壤呼吸与基础土壤呼吸速率呈明显的季节变化,与气温和土壤温度季节变化趋势基本一致,呼吸速率与温度具有显著的相关性,是影响土壤呼吸的控制性因素;呼吸速率与土壤含水量无显著的相关性,土壤水分是研究区麦田土壤CO2排放的非限制性因素,且温度与土壤含水量间的交互效应对土壤呼吸的影响不显著.基础土壤呼吸比作物下的土壤呼吸更易受温度影响,土壤温度比气温能更好地解释土壤CO2排放的季节性变化.而CO2体积分数增加降低了温度与呼吸速率间的相关系数和Q10,表明温度对土壤CO2排放的影响程度下降.但高CO2体积分数环境中植物-土壤生态系统的土壤呼吸对温度增加敏感性的降低,有利于减缓土壤碳分解损失的速度.结果有助于评价未来高CO2体积分数气候变暖背景下植物-土壤系统下的农田生态系统土壤碳的固定潜力.     

农田土壤呼吸对大气CO2浓度升高的响应

大气CO2浓度急剧升高引起的全球气候变暖是人们关注的环境问题之一.随着气候变化对全球生态环境的影响日益增大,全球碳循环研究已经成为各国科学家研究的热点之一.模拟大气CO2浓度升高试验技术先后经历了人工气候室、开顶式气室、FACE技术(Free Air carbon dioxjde eariclament)阶段,FACE技术因其无限接近自然条件而成为研究大气CO2浓度增加对整个生态系统影响的最理想试验平台.土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节,农田生态系统是陆地生态系统的重要组成.研究农田生态系统的土壤呼吸对大气CO2浓度增加的响应是预测和评价农田系统乃至整个陆地生态系统土壤碳周转和碳收支的重要前提与基础.文章根据现有研究成果.阐述了模拟大气CO2浓度升高的试验技术,比较了农田土壤呼吸的测定方法,总结了以FACE研究成果为主的高CO2浓度条件下农田土壤呼吸、不同地下来源贡献及环境因子影响,提出了进一步研究的方向,以期为全球气候变化背景下的农田土壤呼吸和碳固定及全球碳循环研究提供帮助.     

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。     

稻季土壤溶液中微量元素浓度对大气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微量元素质量浓度影响。结果表明,大气CO2浓度升高对不同深度土壤溶液微量元素质量浓度的影响在不同生育期有所差异;尽管大多未达显著水平,大气CO2浓度升高表现出增加不同层次土壤溶液微量元素质量浓度的趋势,对土壤溶液Fe质量浓度增加程度尤为明显;从整个生育期看,FACE对土壤溶液Fe质量浓度增加幅度在5、15、30、60和90cm处分别为47.6%,36.3%,7.6%,37.0%和201.8%。大气CO2浓度升高对稻田土壤溶液微量元素质量浓度的长期影响需要进一步深入研究。     

大气CO2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响

利用中国唯一的FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment,开放式空气CO2浓度增高)平台,研究大气CO2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响.位于无锡的中国稻麦轮作农田生态系统FACE试验平台于2001年6月开始运行,设有FACE与Ambient(普通空气对照)2个处理,FACE区CO2浓度比Ambient区高200 μmol·mol-1,每个处理含低氮与常氮2个氮肥水平.在轮作水稻和小麦各3季之后,发现大气CO2浓度增高下,常氮水平上土壤的NO3--N质量分数降低,NH4+-N质量分数增高;而低氮水平上土壤的NO3--N质量分数增高,NH4+-N质量分数没有显著差异.然后分别在土壤样品中加入NH4+-N,好气培养42 d后通过测定土壤中的NO3--N、NO2--N总质量分数来研究土壤的硝化活性.结果显示,不管在CO2浓度增高下还是对照条件下,增加氮肥施用量均增强了土壤的硝化活性;且与对照相比,大气CO2浓度增高在常氮水平上降低了土壤的硝化活性,在低氮水平上却增强了土壤的硝化活性,说明大气CO2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响与N肥供应水平有关.     

开放式空气CO2浓度升高对水稻根系形态的影响

在FACE（free-air carbon dioxide enrichment）技术平台上，采用水培的研究方法，观测了大气CO2浓度升高和两种氮水平下水稻根系形态的变化。结果表明，在水稻各生育期，CO2浓度升高都极显著增加了根干质量，且主要增加于根粗为2．0～2．5mm／n的部位。根系形态的各项指标均对高CO2浓度有积极的响应，在抽穗期尤为明显；N处理的差异很明显，低氮条件下根系表现为根长、根尖数和根表面积增加，常氮条件下根粗和发根数增加。各生育期的根冠比在高CO2浓度下极显著增加，尤其在LN处理下。水稻从分蘖期到抽穗期，因地上部分的增幅大，根冠比表现为逐渐降低的趋势。     

广西英罗港不同红树林群落土壤CO2和CH4通量对气温变化的响应

采用WEST-1011便携式土壤通量测量仪对广西北海英罗港自然保护区不同红树植物群落土壤的CO2和CH4排放通量特征以及其与气温的关系进行研究。结果表明,各群落土壤CH4通量的值都较小,在-2~3μmol.m-2.s-1之间;红海榄Rhizophora stylosa群落、木榄Brugiera gymmonhiza群落一天的CO2通量变化很小,秋茄Kandelia candel群落一天的CO2通量变化比较明显,最大值出现在19：00,为5.001μmol.m-2.s-1,桐花树Aegiceras corniculatum群落一天的CO2通量变化明显,最大值出现在11：00,为8.325μmol.m-2.s-1。排放通量与气温做相关性研究发现,气温与红海榄群落、木榄群落土壤CH4通量与气温呈不显著的正相关关系,与秋茄群落呈现极其显著的负相关关系,与桐花树群落呈显著的负相关关系;气温与红海榄群落、木榄群落、秋茄群落、桐花树群落的土壤CO2通量均呈不显著的负相关关系。     

大气CO2浓度升高对水稻和稗草根系生长的影响

在两种N水平下(低N 10 mg.L-1和常N 30 mg.L-1),采用水培方法比较了分蘖盛期C3植物水稻(O ryzasativa)和C4植物稗草(Echinochloa crusgalli)在CO2浓度升高(550μmol.mol-1)和CO2浓度未升高(350μmol.mol-1)条件下的根系生长变化。结果表明,常N水平下高浓度CO2显著增加水稻和稗草的根干重、根体积、根总长和根直径,水稻对CO2浓度升高的响应强于稗草;低N胁迫时,高浓度CO2显著增加稗草的根干重、根体积和根总长,而对水稻生长无明显促进作用。在两种N水平下,高浓度CO2均显著降低水稻和稗草根系N含量,而C含量上升不明显,导致C/N比值显著增加。高浓度CO2显著降低水稻和稗草单位根重根毛数,这可能是CO2浓度升高条件下根系活力显著降低的形态学原因之一。     

水位对小叶章湿地CO2、CH4排放及土壤微生物活性的影响

湿地生态系统对全球碳平衡和气候变化起着极其重要的作用,而水位波动将影响湿地生物地球化学过程,导致温室气体通量变化,为了明确湿地生态系统温室气体通量以及土壤微生物活性对水位梯度的生态响应,通过野外盆栽培养试验,设T1:-5 cm,T2:0 cm,T3:5 cm,T4:10 cm 4种水位梯度,T1和T2模拟湿地非淹水的水分状况,T3和T4模拟淹水状况,研究了不同水位梯度下小叶章(Calamagrostis angustifolia)湿地CO2、CH4通量、土壤微生物量碳、氮及土壤酶活性的变化规律.结果表明:不同水位条件下,小叶章湿地系统CO2和CH4通量差异较大,-5 cm水位时小叶章湿地CO2通量为(643.35±61.89) mg·m-2·h -1,随着水位增加,CO2通量依次降低6.9%、12.1%、40.0%,且水位升高到10 cm时,小叶章湿地CO2排放量显著降低(P<0.05);而CH4通量则随水位增加呈显著增加趋势,通量变化为(1.52±0.12)~(5.34±0.61) mg·m-2·h-1;水位对微生物活性影响显著,非淹水条件下小叶章湿地土壤微生物量碳、氮含量以及土壤蔗糖酶、淀粉酶活性高于淹水土壤,且随着淹水位增加,微生物活性显著降低.     

大气沉降对土壤重金属累积的影响

选择大气污染严重的太原市为研究区,通过定点监测,分析了不同类型区大气TSP和降尘的污染状况及周年内的月变化趋势,测定了大气干湿沉降中Hg、Cd、Pb三种重金属元素的含量,并计算出大气干湿沉降对土壤系统重金属的年输入量分别为Hg4.48g/(hm2×a),Cd6.34g/(hm2×a),Pb349.4g/(hm2×a);不同类型区大气污染状况与大气沉降输入土壤中重金属累积顺序一致均为工矿区＞城区和近郊区＞风景区＞远郊区。     

不同状态样品培养下太湖地区黄泥土好气呼吸与CO2产生潜力

土壤呼吸的CO2释放是陆地生态系统快速而活跃的土气交换途径,培养试验常用来讨论土壤的有机碳矿化及其温室气体产生潜力.对太湖地区一个代表性水稻土在水稻收割后采集土壤, 分别进行常规(磨碎土的培养瓶法)和原状土恒温好气培养,测定分析土壤呼吸的CO2释放量,讨论其有机碳矿化与CO2释放潜力.结果表明,该水稻土常规培养CO2呼吸释放速率在CO2-C 12.85 ～ 15.17 mg·kg-1·d-1范围, 而原状土培养CO2呼吸释放速率在CO2-C 2.15 ～ 4.47 mg·kg-1·d-1范围,虽然两者均显著低于文献报道的培养研究结果,但原状土培养下土壤呼吸及CO2产生潜力看起来较大幅度地低于磨碎土常规培养结果,前者与同地区田间监测结果计算的值相当.不但如此,培养中土壤呼吸作用与CO2释放动态格式也发生变化,原状土条件下存在一个较为稳定的低呼吸速率阶段,不同施肥处理下这一阶段的差异十分明显.计算表明,原状土培养下存在微生物潜在可矿化碳的土壤保护作用,这种保护性碳约占土壤有机碳总量的2%左右,较大于Pulleman & Marinissen (2004) 对于草地土壤团聚体有机碳矿化的研究结果.采用磨碎样品的常规培养实验可能会高估水稻土有机碳矿化与CO2释放潜力.     

鼎湖山自然保护区土壤有机碳、微生物生物量碳和土壤CO2浓度垂直分布

选取鼎湖山3种植被类型(季风常绿阔叶林,针阔叶混交林和马尾松林),按0～15,15～30,30～45cm土层取样,测量了各土层土壤有机碳(SOC)质量分数,熏蒸培养法测量了微生物生物量碳(Cmic),同时用气象色谱法测量了地表和土壤15、30、45、60cm处CO2体积分数,并用静态箱/碱石灰吸收法测量了土壤呼吸速率。结果如下:(1)随土层的加深,SOC质量分数降低,0～15cmSOC显著高于其他两层,季风常绿阔叶林SOC显著高于其他两种植被类型;(2)土壤碳密度和土壤有机碳含量垂直分布规律一致,0～15cm土壤碳密度显著高于其他两层;(3)0～30cm土层微生物生物量占总土壤微生物生物量的81%～92%,随土层加深微生物生物量迅速降低。微生物生物量和土壤有机碳的比值表明,三种植被类型土壤均处于土壤碳积累中,深层土壤碳积累程度高于表层;(4)土壤CO2浓度随土层的加深迅速升高,主要与土壤透气性有关。     

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。