大气CO2浓度升高对植物 土壤系统地下过程影响的研究

综述了大气CO2浓度升高对根系、根际、根系分泌物、土壤呼吸和土壤物质转化和C、N循环影响的研究进展,阐述了有关实验的研究情况,以及它们在整个生态系统响应大气CO2浓度升高中的重要作用、目前研究中存在的争论、以及还需要研究的领域和方向及其研究的重要性。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

FACE 条件下休闲和秸秆还田对稻麦轮作农田麦季土壤酶活性的影响

利用中国唯一的江都FACE(Free-airCO2 enrichment,开放式空气CO2浓度升高)平台,研究了大气CO2浓度升高下休闲(fallow,不种作物,但翻耕和施肥与其他处理相同)和秸秆还田对土壤脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、转化酶、芳基硫酸酯酶和荧光素二乙酸酯水解(FDA)的影响。研究结果表明:大气CO2浓度升高对于休闲土壤酶活性没有影响。在没有秸秆还田的情况下,大气CO2浓度升高刺激了土壤中脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、转化酶、芳基硫酸酯酶的活性和FDA水解,增加幅度分别达到了14.88%、19.41%、11.69%、17.12%和4.47%。除转化酶外,秸秆还田使土壤酶活性增加。随着秸秆还田量的增加,FACE效应先增加后消失。     

土壤微生物对大气CO_2浓度升高的响应研究

土壤微生物对大气CO2浓度升高的响应是全面评价大气CO2浓度变化对陆地生态系统影响的关键。文章简要回顾了人工控制微域生态环境CO2浓度增高的研究技术及其发展,并着重介绍了新兴的FACE(Free-air CO2enrichm ent,开放式空气CO2浓度增高)研究手段,进而从土壤微生物区系和生物量、微生物呼吸和酶活性、菌根菌侵染和根瘤共生、土壤硝化和反硝化四个方面综述了大气CO2浓度升高影响土壤微生物的试验报道结果,最后结合新兴的土壤微生物分子生态学研究手段论述了该领域今后应关注开展的主要方向。     

高CO2浓度下根系分泌物的研究进展

根系分泌物是植物对大气CO2浓度升高响应的调节器,它能活化土壤养分元素、调节微生物区系组成,在根际微生态系统中扮演重要角色。本文综述了大气CO2浓度升高及其导致的温度上升引起根系分泌物数量和组成上的变化,讨论了这种变化与土壤微生物的关系和对全球C循环的贡献,并根据现状提出了今后的研究方向。     

大气CO2浓度升高对土壤碳库的影响

土壤碳库是输入、输出土壤碳量的平衡:大气CO2浓度升高有可能通过生态系统中的各种生理过程来增加输入土壤的碳量,输入土壤碳量的增加使土壤成为一个潜在的碳汇,有可能缓解大气CO2浓度的升高;但另一方面输入土壤碳量的增加,为微生物的生长提供了能量,从而提高了微生物的活性,因此土壤呼吸增强,土壤碳输出增加.本文综述了大气CO2浓度升高对土壤碳输入、输出的影响以及目前研究中存在的争论,并提出有待进一步研究的领域和方向.     

铜污染胁迫条件下农田土壤酶活性及微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应

在开放式大气CO2浓度升高平台上（Free-Air CO2 Enrichment,简称FACE）,采用盆栽实验,研究了不同浓度Cu污染胁迫条件下,稻麦轮作土壤中土壤酶活性及土壤微生物多样性对大气CO2浓度升高的响应。结果表明,大气CO2浓度升高显著诱导了清洁土壤中蛋白酶、脲酶、尿酸酶活性以及微生物多样性;正常大气和大气CO2浓度升高条件下,3种酶活性都随着土壤Cu污染胁迫的增加而逐渐降低;低浓度Cu污染胁迫条件下（50 mg.kg^-1）,FACE圈中的土壤脲酶和蛋白酶活性显著高于正常大气（Ambience）圈,尿酸酶活性无显著变化;高浓度Cu污染胁迫条件下（400 mg.kg^-1）,土壤脲酶与蛋白酶活性无显著变化,尿酸酶活性则显著降低,其原因可能与不同酶系对铜污染胁迫的敏感差异性以及大气CO2浓度升高对土壤中铜的活化作用有关。与清洁土壤相比,低浓度Cu污染（50 mg.kg^-1）对微生物生长具有一定的刺激作用,Ambience圈和FACE圈土壤微生物多样性都有所增加,FACE圈中这种现象更为明显;高浓度Cu污染胁迫（400 mg.kg^-1）对土壤微生物表现出了明显的毒害作用,微生物多样性有所降低,但在FACE圈中土壤微生物多样性的降低程度要低于Ambience圈,其影响机制有待进一步研究。     

川西亚高山森林土壤过氧化氢酶活性对升高温度和CO_2浓度的响应

川西亚高山针叶林由于其特殊地理位置和特定生态环境下植被的演替动态,使之成为全球变化的敏感性区域之一。本文通过原位模拟升高温度2(±0.4)℃和CO2浓度加倍对川西亚高山针叶林土壤过氧化氢酶活性的影响。结果显示升温和升高CO2浓度对岷江冷杉(Abies faxoniana)根际和非根际土壤过氧化氢酶活性的影响不同,还与冷杉的种植密度有关。同时,冷杉根际和非根际土壤过氧化氢酶活性对升高温度和CO2浓度的响应还随着时期而发生变化。另外,遮荫处理也会影响土壤过氧化氢酶活性。原位研究结果表明亚高山针叶林土壤酶对升高温度和CO2的响应并非简单的提高或者抑制,不同时期、不同密度以及与非根际环境中过氧化氢酶活性反应差异很大,可能涉及的土壤学和生态学过程十分复杂,需深入研究。     

大气CO_2升高与农田土壤碳循环研究

大气CO2浓度的升高通过植物-土壤-微生物的相互作用对陆地生态系统中最大碳库土壤的稳定性产生重要影响。大气CO2浓度升高,影响许多植物生长发育过程,进而影响土壤有机碳输入量。与此同时,土壤微生物的群落与功能也会随之发生变化,参与土壤碳的转化,深刻影响陆地生态系统的碳循环。文章分析了大气CO2浓度升高影响农田土壤碳循的有关过程,包括高CO2浓度条件下,作物地下部分的生长响应,以及向土壤中输入作物光合有机物量和质的变化,探讨了土壤碳库对大气CO2浓度升高反馈的土壤微生物作用机制,进一步解析了土壤微生物群落结构在土壤碳与大气CO2浓度之间的相互作用,提出研究土壤有机碳转化的土壤微生物作用机制是预测全球气候变化条件下的农田土壤碳循环规律的关键。图1,参79。     

大气CO2浓度升高对稻田土壤Ca、Mg迁移的中长期效应

为了进一步认识稻田土壤中Ca、Mg元素生物地球化学循环对大气CO2浓度升高的响应,本实验利用中国稻麦轮作FACE(free air carbon-dioxide enrichment)试验平台,通过观测稻季不同生育期不同深度(30、60和90 cm)土壤溶液中的Ca2+、Mg2+ 浓度,研究大气CO2浓度升高对土壤Ca、Mg淋移的中长时期(第9年)影响。研究结果表明,随着土壤深度的增加,土壤溶液中的Ca2+浓度呈降低趋势,Mg2+浓度呈增加趋势;随着生育期的推进,呈现先增加后减小的趋势,并在抽穗期达到最大值。大气CO2浓度升高略微降低30、60 cm处土壤溶液的Ca2+ 浓度,增加90 cm处Ca2+ 浓度(6.7%)。稻田不同深度土壤溶液中Mg2+ 浓度对大气CO2浓度升高的响应有所不同,且在60 cm处有较强的正响应(12.1%)。研究明确高浓度CO2有加剧Ca2+、Mg2+ 向下淋溶损失的趋势,耕层土壤有机物料输入增多、 浓度增加、pH下降等是主要原因。大气CO2浓度升高对农田生态系统土壤Ca、Mg元素循环的长期影响值得进一步关注。     

气候变化对农田生态系统碳氮过程的影响及其对生产的启示

从农田生态系统过程角度综合分析了气候变化（[CO2]增加、温度升高）对土壤碳库、氮供给生物化学过程的综合影响和长期效应。总结指出,[CO2]增加、温度升高对农田生态系统过程的影响具有明显的时间效应,短时间尺度上加快农田土壤养分周转,改变碳氮组分,长时间尺度上导致土壤养分有效性降低;[CO2]增加、温度升高和养分管理对农田生态系统过程的影响具有显著的交互作用,土壤养分有效性制约着气候变化对农田生态系统生产力和碳汇功能的影响。因此,气候变化（[CO2]增加、温度升高）情景下对农业生产管理包括施肥运筹及秸秆还田策略等的启示在于：根据气候变化背景下土壤养分的周转规律有效管理农田土壤养分、保持农田土壤肥力,从而保障农业高产的可持续性以及农田碳汇的生态服务功能。     

土壤酶学硏究进展

土壤酶学是研究土壤酶活性及其相关特性的科学,是一门介于土壤生物学和生物化学之间的边缘交叉学科。土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面具有主要的作用。本文综述了土壤酶学发展简史、土壤酶的来源、分类、功能及分布特征等,总结了土壤理化性质、施肥、放牧、土壤微生物、施用稀土元素、草地生长年限、不同土地利用和耕作方式及其他因素对土壤酶活性的影响,对于加深理解生态系统中的物质循环、土壤酶的生态重要性以及土壤生态系统退化机理有重要作用。最后,结合本项目组的研究对土壤酶学的研究前景进行了展望。     

CO2浓度升高与增施钾肥对土壤化学性质的影响

采用土培和开顶箱法,研究了大气CO_2浓度升高与增施K肥共同作用对土壤化学性质的影响.结果表明,土壤中N、P的含量在高CO_2浓度和高K肥水平下下降,K的含量随K肥用量增加而增加.高K(200、300 mg/kg)处理和高浓度CO_2下温室次生盐渍化土壤中的NO_3~(-)、PO_4~(3-)、Ca~(2+)、Mg~(2+) 含量也显著降低.因此,在未来CO_2浓度升高的环境中,更多的K肥供应能促进作物对此生盐渍化土壤中养分的吸收,降低此生盐渍化土壤中盐分的积累.     

冻融交替对土壤CO2及N2O释放效应的研究进展

在秋冬交替和冬春交替时期高纬度地区和高海拔生态系统表层土壤常有冻融交替频繁发生。由于冻融交替作用通过改变土壤水热性质而对土壤物理、化学、生物学特性产生效应。冻结通常导致土壤团聚体破裂、微生物细胞及细根死亡,释放出活性较高的有机物,增强随后融解的土壤的反硝化和呼吸活性,从而影响土壤生物、生物化学过程以及生物地化循环。已有对苔原、泰加林等北极和亚北极生态系统的研究表明,土壤冻融交替次数、冻融极端温度、土壤水分、土壤团聚体结构变化等对CO2和N2O的释放通量影响较为显著,一般在冻融的最初几个循环温室气体排放会增加,随后会降至一个较为稳定的水平。目前,冻融循环变化背景下的温室气体排放研究主要是针对北方高纬度地区,而且对冻融交替影响土壤温室气体排放的机理研究也不够。我国面积广大的青藏高原高海拔地带在全球增温背景下,轻微增温会导致季节性冻土表层冻融交替次数增加,甚至冻土季节消失,加强全球增温背景下我国高山亚高山季节性冻土生态系统效应和过程研究,特别是土壤暖化导致的温室气体排放变化通量和变化机理的研究,对揭示全球变化的区域效应以及高海拔生态系统的管理都具有重要作用。     

新疆达坂城盐湖不同植物群落土壤呼吸研究

新疆盐湖分布地域广泛而不均匀。盐湖生态系统碳循环是干旱区生态系统碳循环的重要组分,其动态变化对干旱区碳平衡有着重要的影响,然而目前对干旱区盐湖土壤呼吸的研究相对薄弱。为探讨盐湖沿岸不同植物群落土壤呼吸及其影响因子,以新疆达坂城盐湖为典型研究区,选取沿岸小獐毛(Aeluropus pungens)、鸢尾(Iris tectorum)、芨芨草(Achnatherum splendens)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr)植物群落土壤为主要研究对象,以周边农田撂荒地为对照,利用LI-COR 8100对达坂城盐湖沿岸4种植物群落和撂荒地土壤呼吸进行了监测,结果表明:盐湖沿岸土壤呼吸具有明显的日变化。监测时段内土壤呼吸作用均为单峰曲线,排放通量在13:00左右最高,07:00左右出现最低值。不同群落土壤呼吸速率变化范围在0.89~4.34μmol/(m~2·s)之间,撂荒地为1.77~3.48μmol/(m~2·s),表现为黑果枸杞小獐毛芨芨草撂荒地鸢尾。不同植物群落地下生物量影响土壤CO_2排放,研究区土壤呼吸日平均累计CO_2排放通量为209.28 mg/(m~2·d)。土壤呼吸速率与土壤5 cm温度呈现显著正相关(P0.01),可以解释土壤呼吸日变化的69%~78%,是决定达坂城盐湖土壤呼吸变化的主要因子。利用土壤5 cm处温度得到小獐毛、鸢尾、芨芨草、黑果枸杞、撂荒地的Q_(10)值分别为2.30、1.24、1.20、1.57、1.28,小獐毛样地土壤呼吸对温度更敏感。除撂荒地外各群落土壤呼吸与土壤湿度呈显著负相关(R~2=0.38~0.51)。该研究对进一步明确干旱区盐湖生态系统土壤呼吸变化规律和影响因素,以及对估算区域碳平衡及"碳汇"功能具有重要意义。     

喀纳斯自然保护区林地和草地土壤呼吸速率差异及影响因素

为了研究新疆喀纳斯国家自然保护区森林生态和草地生态系统与大气的相互作用,分析土壤呼吸速率的时空变异特征及与影响因子的关系,2012年及2013年5月上旬至9月上旬利用土壤碳通量测量系统LI-8150对林地和草地两种植被类型土壤的呼吸速率日动态进行了全天连续自动监测,研究了两类土壤呼吸速率在生长季各月日的变化规律。结果表明:林地和草地生态系统土壤呼吸速率在植被生长季内均呈现较明显的单峰曲线型日变化,其月最大值均出现在7月,林地土壤呼吸速率的最大值(2.43μmol/(m~2·s))显著高于草地土壤呼吸速率最大值(1.55μmol/(m~2·s)),且各月林地生态系统的土壤呼吸速率均明显高于草地,波峰出现在北京时间17:00—18:00,波谷出现在北京时间9:00—10:00,草地最小值出现在6月(0.35μmol/(m~2·s)),而林地最小值出现在5月,其呼吸速率仅0.71μmol/(m~2·s),且整个生长季白天大于晚上,全天以呼出CO_2为主。植被生长季内林地和草地土壤呼吸速率与土壤温度的变化趋势相似,具有显著的正相关性,但与土壤含水量的变化没有这样的趋势。