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。     

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.     

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。     

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.     

大气CO2体积分数升高条件下玉米叶片抗氧化能力的变化

近年来大气中CO2体积分数急剧上升,对植物的光合作用、呼吸作用、水分利用等产生重要的影响.文章利用开顶式气室(OTC)研究了大气CO2体积分数升高条件下玉米(Zea mays L.)叶片抗氧化能力的变化.结果表明,整个生长季内,与对照相比,在高体积分数CO2(550×10-6)条件下,玉米叶片的相对电导率和MDA含量下降,说明膜脂过氧化程度有所降低;O2-·产生速率和H2O2含量与对照相比呈下降趋势并在灌浆期呈显著性差异(P＜0.05),但是随着熏蒸时间的延长,高体积分数CO2处理的植株O2-·产生速率和H2O2含量都逐渐降低,这说明高体积分数CO2下活性氧产生减少;SOD、POD、CAT的活性与对照相比明显升高并达到显著(P＜0.05)或极显著水平(P＜0.01);百粒质量、穗粒数和穗粒质量均高于对照,说明CO2体积分数升高有利于提高玉米的抗氧化能力,促进植物生长.     

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。     

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。     

Progressive nitrogen limitation of ecosystem processes under elevated CO2 in a warm-temperate forest

A hypothesis for progressive nitrogen limitation (PNL) proposes that net primary production (NPP) will decline through time in ecosystems subjected to a step-function increase in atmospheric CO2. The primary mechanism driving this response is a rapid rate of N immobilization by plants and microbes under elevated CO2 that depletes soils of N, causing slower rates of N mineralization. Under this hypothesis, there is little long-term stimulation of NPP by elevated CO2 in the absence of exogenous inputs of N. We tested this hypothesis using data on the pools and fluxes of C and N in tree biomass, microbes, and soils from 1997 through 2002 collected at the Duke Forest free-air CO2 enrichment (FACE) experiment. Elevated CO2 stimulated NPP by 18-24% during the first six years of this experiment. Consistent with the hypothesis for PNL, significantly more N was immobilized in tree biomass and in the O horizon under elevated CO2. In contrast to the PNL hypothesis, microbial-N immobilization did not increase under elevated CO2, and although the rate of net N mineralization declined through time, the decline was not significantly more rapid under elevated CO2. Ecosystem C-to-N ratios widened more rapidly under elevated CO2 than ambient CO2 indicating a more rapid rate of C fixation per unit of N, a processes that could delay PNL in this ecosystem. Mass balance calculations demonstrated a large accrual of ecosystem N capital. Is PNL occurring in this ecosystem and will NPP decline to levels under ambient CO2? The answer depends on the relative strength of tree biomass and O-horizon N immobilization vs. widening C-to-N ratios and ecosystem-N accrual as processes that drive and delay PNL, respectively. Only direct observations through time will definitively answer this question.     

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。     

退耕土壤的碳、氮固存及其对CO2、N2O通量的影响

采样分析陇中黄土高原地区农田退耕种植苜蓿3 a、5 a、8 a后0～5、5～10、10～20 cm土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、活性有机碳(SAOC)及矿质氮(NO3-N、NH4-N)含/储量的变化,并用静态箱-气质联用法对样地的COO2、NO2O排放通量进行了测定,研究碳氮变化对土壤CO2、N2O排放通量的影响.结果表明:(1)SOC、TN基础含量很低的贫瘠土壤退耕后表现出明显的碳、氮固存效应,有很强碳、氮固存潜力.与未退耕休闲农田相比,退耕3 a、5 a、8 a后0～20 cm SOC储量分别提高了9.12%、20.18%、34.39%,SOC平均固存率分别为0.17、0.23、0.25mg/(hm2·a).TN储量在5～10、10～20 cm增加不明显,在0～5 cm退耕3 a、5 a、8 a后储量分别提高14.29%,35.71%和64.29%,各退耕年限0～20 cm TN平均固存率均为0.2 mg/(hm2.a);(2)退耕后各年限草地土壤活性有机碳(SAOC)含量有所增加,但各层含量变化不明显,其增加量远小于SOC的增加,说明退耕初期阶段积累了较多的土壤惰性碳;NO3-N含量增加明显,0～5、5～10 cm土壤各退耕年限含量达5%的显著性差异,但退耕前后NH4-N含量无明显变化.(3)土壤CO2通量与SOC含量、SAOC含量、TN含量及N2O通量显著正相关;N2O通量与SOC含量、矿质氮含量及CO2通量显著正相关.说明在环境因素稳定的条件下,退耕后土壤碳、氮含量的增加会导致CO2、N2O排放的加剧,表现出大气CO2、N2O的"源"效应.     

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。     

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。     

土壤氨氧化细菌对大气CO2浓度增高的响应

利用FACE(free-air carbon dioxide enrichment,开放式空气CO2浓度增高)试验平台,研究大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的数量、优势菌群及其硝化活性的影响.结果表明,大气CO2浓度增高时,土壤氨氧化细菌的数量在常氮水平上趋于减少,而在高氮水平上与对照没有差异.大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的优势菌群也产生明显影响.CO2浓度增高条件下,亚硝化球菌(Nitrosococcus sp.)和亚硝化弧菌(Nitrosovibrio sp.)是优势菌属;而在对照条件下,亚硝化单胞菌(Nitrosomonas sp.)和亚硝化球菌(Nitrosococcus sp.)是优势菌属.另外,CO2浓度增高条件下优势菌株的硝化活性也有不同程度的减弱.     

Interactive effects of plant species diversity and elevated CO2 on soil biota and nutrient cycling

Terrestrial ecosystems consist of mutually dependent producer and decomposer subsystems, but not much is known on how their interactions are modified by plant diversity and elevated atmospheric CO2 concentrations. Factorially manipulating grassland plant species diversity and atmospheric CO2 concentrations for five years, we tested whether high diversity or elevated CO2 sustain larger or more active soil communities, affect soil aggregation, water dynamics, or nutrient cycling, and whether plant diversity and elevated CO2 interact. Nitrogen (N) and phosphorus (P) pools, symbiotic N2 fixation, plant litter quality, soil moisture, soil physical structure, soil nematode, collembola and acari communities, soil microbial biomass and microflora community structure (phospholipid fatty acid [PLFA] profiles), soil enzyme activities, and rates of C fluxes to soils were measured. No increases in soil C fluxes or the biomass, number, or activity of soil organisms were detected at high plant diversity; soil H2O and aggregation remained unaltered. Elevated CO2 affected the ecosystem primarily by improving plant and soil water status by reducing leaf conductance, whereas changes in C cycling appeared to be of subordinate importance. Slowed-down soil drying cycles resulted in lower soil aggregation under elevated CO2. Collembola benefited from extra soil moisture under elevated CO2, whereas other faunal groups did not respond. Diversity effects and interactions with elevated CO2 may have been absent because soil responses were mainly driven by community-level processes such as rates of organic C input and water use; these drivers were not changed by plant diversity manipulations, possibly because our species diversity gradient did not extend below five species and because functional type composition remained unaltered. Our findings demonstrate that global change can affect soil aggregation, and we advocate that soil aggregation should be considered as a dynamic property that may respond to environmental changes and feed back on other ecosystem functions.     

Correction to: Higher sequestration of wheat versus maize crop carbon in soil under rotations

Environmental Chemistry Letters -     

Seasonal variation of soil carbon and nitrogen under five typical Pinus massoniana forests

Five different typical Pinus massoniana forests were sampled in the Guizhou Province to evaluate the effects of seasons on soil organic carbon (SOC), total nitrogen (STN), and inorganic nitrogen (SIN) in these forests. More seasonal variation occurred in the topsoil than in lower layers. The SOC and STN contents varied the least amongst the soil layers, but the SIN contents had the largest values and ranges during autumn. Carbon-to-nitrogen ratio (C/N) exhibited neither a vertical change nor a seasonal trend. C/N was either maximal or minimal depending upon the sites during autumn, indicating that ecological process during summer soils would strongly change this. More gravel content resulted in higher litter stock, SOC, and STN level in low-productivity forests. A low phosphorus level might result in low SOC and STN contents in clay-rich soils. Low litter stock and clay content will result in low SOC and STN levels in coniferous and broad-leaved mixed forests in contrast to pure forests. The SOC and soil N contents in P. massoniana forests are apparently affected by different sampling seasons, particularly in topsoil. This should be taken into account when evaluating C and N contents and their respective storages in other forest types.     

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.     

Estimation of soil carbon saturation and carbon sequestration potential of an agro-ecosystem in China

Soil is believed to be the most important sink for sequestering atmospheric carbon. Hence, estimating soil carbon sequestration potential has been carried out for different regions and agricultural practices. However, soil carbon saturation (SCS), a fundamental concept for estimating soil carbon sequestration potential, has not been estimated for countries or regions. In this study, we estimated SCS of agricultural land for most provinces in China for 1990 by the DNDC model, a carbon and nitrogen biogeochemical cycle model, in order to provide a basis for farmers to select the land use, tillage and fertilization regimes to sequester more carbon. The result showed that SCS was as low as 0.48% in Tianjin and up to 5.14% in Tibet. There was a positive correlation between SCS and the proportion of paddy field in a province. In 1990, cropland soil carbon sequestration potential (SCSP) in China was -0.969 Gt C (-2.706 to 0.767 Gt C). This suggests that agricultural soil will be a carbon source to the atmosphere if agricultural practices are not altered. However, SCSP differed between provinces in China. SCSP was highest in Tibet (7.9 t C ha-1) and lowest in Heilongjiang Province (-60.8 t C ha-1), with a gradual decrease from south to north in China.     

不同氮水平下夏玉米农田土壤呼吸动态变化及碳平衡研究

为探讨氮肥对华北平原高产农田土壤呼吸动态变化及其碳平衡的影响,试验设计了习惯施氮量(N228,228 kg·hm-2)、2/3习惯施氮量(N152,152 kg·hm-2)和不施氮(N0)3个处理,采用密闭静态箱法研究了不同施氮水平下夏玉米生长季农田的土壤呼吸速率季节变化、土壤呼吸与地温等环境因素的关系以及农田系统的碳平衡。结果表明,夏玉米农田土壤呼吸速率均值和土壤呼吸释放的总碳量分别为C 98.8-115.9 mg·m-2.h-1和C 2 232.3-2 524.2 kg·hm-2。与处理N0相比,处理N152(N 152kg·hm-2)和N225(N 225 kg·hm-2)的土壤呼吸速率均值分别增加了10.2%和17.4%,土壤呼吸释放的总碳量分别增加了6.74%和13.1%。地温(5 cm)和土壤含水量(0-10 cm)分别与土壤呼吸速率呈指数和二次曲线关系,R2均达显著水平。其中地温(5 cm)解释了土壤呼吸季节变化的55.9%-67.0%,而土壤含水量(0-10 cm)可解释土壤呼吸季节变化的25.3%-59.3%。土壤呼吸的温度敏感系数Q10在2.05-2.23之间,且随着施氮水平的提高而增加。处理N0、N152(N 152 kg·hm-2)和N228(N 228kg·hm-2)的土壤含水量分别是22.5%、22.7%和23.3%时,土壤呼吸速率达最高值,超过此阈值,土壤呼吸速率均呈下降的趋势。夏玉米农田系统是大气二氧化碳(CO2)重要的汇,净初级生产力(NPP)固碳量和农田系统的净碳输入(NEP)分别为C 6 829.1-8 950.2 kg·hm-2和C 4 898.2-6 766.8 kg·hm-2。处理N152(N 152 kg·hm-2)和N228(N 228 kg·hm-2)与处理N0相比,NPP固碳量分别增加了24.8%和131.1%,NEP分别增加了31.9%和38.1%。