不同氮水平下CO2浓度升高对小麦土壤可溶性C、N和P的影响

采用FACE(Freeaircarbondioxideenrichment)技术,研究了不同N施肥水平下,大气CO2浓度升高对稻/麦轮作小麦季土壤可溶性C、N、P的影响。结果表明,高CO2使土壤可溶性C在小麦前期和0~5cm土层降低,成熟期增加,对水稻和小麦不同轮作季土壤可溶性C的影响不同。在低N和常规N处理下,高CO2使小麦分蘖期土壤可溶性N含量分别增加17.2%和18.9%,在其他生长期,土壤可溶性N含量降低9.8%~63.0%,拔节期降低幅度最大分别为63.0%和50.4%,土层0~5cm降低幅度>5~15cm土层;小麦季和水稻季一样需要增加N肥施用量。CO2浓度升高增加了土壤可溶性P的含量,其中低N处理增加幅度高于常规N处理,研究表明小麦生长不会受到P养分的限制。     

大气CO2浓度和温度升高对水稻植株碳氮吸收及分配的影响

气候变化会对作物生长及养分吸收利用产生显著影响。本研究利用开放式气候变化野外试验平台,研究大气CO2浓度和温度升高对不同生育期水稻植株C、N含量,积累量和分配的影响。试验平台的小区处理有大气CO2浓度升高(500μmol/mol)、温度升高(+2℃)和大气CO2浓度和温度同时升高处理。结果表明:1大气CO2浓度升高显著增加了水稻植株中C含量,C、N积累量及水稻茎鞘中C、N分配;显著降低了水稻植株中N含量及穗中C、N的分配;2温度升高显著增加了拔节期和成熟期水稻叶片中C含量及各生育期水稻植株中N含量,拔节期植株中N积累量及成熟期茎鞘和叶片中C、N分配;显著降低了开花期和成熟期稻穗中C含量,开花期和灌浆期水稻植株中C积累量,成熟期水稻植株中N积累量,开花和灌浆期茎鞘中C素分配及成熟期穗中C、N分配;3大气CO2浓度和温度同时升高显著增加了灌浆期水稻植株中C含量及成熟期茎鞘中C、N分配并降低了叶片中N的含量和穗中C、N的分配,而C、N积累量则无显著变化。     

大气CO2浓度升高对作物根际土壤氮的影响

利用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,在两种氮肥施用（低氮LN和常规氮NN）水平下,研究CO：浓度升高对水稻和小麦收获后根际和非根际土壤硝态氮、铵态氮和有机氮的影响。结果表明,相对于对照CO2浓度处理,高CO2浓度处理在显著增加作物生物量的前提下,使水稻季根际土壤硝态氮含量降低,NN水平下降低明显,小麦季变化不大,高CO2浓度处理对作物根际的影响大于非根际。高CO2浓度对土壤铵态氮含量的影响不显著,仅小幅度增加了水稻季和降低了小麦季土壤铵态氮含量,且根际降低幅度大于非根际;增加氮肥施用使土壤铵态氮含量在高CO2浓度处理增加幅度低于对照。高CO2浓度处理并没有显著增加有机氮的含量,在小麦季作物对土壤有机氮的贡献大于水稻季,且增加氮肥施用条件下根际对有机氮的贡献较大。     

CO2浓度升高对水稻生物量及C、N吸收分配的影响

采用FACE(FreeAirCarbon-dioxideEnrichment)技术研究2种N水平下CO2浓度升高对水稻生物量及C、N吸收分配的影响结果表明,与对照相比,高CO2显著降低水稻生物量和C在叶的分配比例,增加其茎、穗和根的分配。高CO2使N在叶的分配降低,穗的分配增加;低N和常规N处理水稻抽穗期根的分配分别降低9.67%和13.1%,其他生育期则增加3.5%~26.6%;拔节期茎的分配分别增加7.03%和5.71%,成熟期分别降低10.5%和7.43%。N水平对水稻生物量和养分分配的影响不显著。     

CO2浓度升高、氮和水分对春小麦养分吸收和土壤养分的效应

研究了 2种CO2浓度水平 ,2种土壤水分处理和 5种N肥施用水平对春小麦 (TriticumaestivumL cv DingxiNo. 8654)养分吸收和土壤速效养分的影响。结果表明 ,高CO2浓度 (700 molmol-1)明显降低春小麦对氮(N)的吸收 ,低N时降低更为明显 ,但对磷 (P)、钾 (K)吸收的影响不明显。小麦对N、P、K吸收 ,干旱处理明显比湿润处理低。CO2浓度增高对土壤速效N的影响与土壤水分状况有关。湿润处理 ,CO2浓度增加的处理速效N量比当前CO2浓度的处理低 ;而干旱处理 ,施N 50、100、150mgkg-1时 ,速效N则较高。高CO2 浓度对土壤速效P、K量的影响不明显 ,而低N和水分不足 ,土壤速效P、K量较高     

CO2浓度升高对三江平原湿地土壤碳氮含量的影响

利用开顶箱薰气室(open-top chamber,OTC),设置正常大气CO2浓度(ambient CO2)和高CO2浓度(elevated CO2,700μmol/mol)2个水平和不施氮(NN,0g/m2),常氮(MN,5g/m2)和高氮(HN,15g/m2)3个氮素水平,研究了CO2浓度升高对三江平原草甸小叶章湿地(Calamagrostis angustifolia)土壤碳氮含量的影响。结果表明,CO2浓度升高连续运行两个生长季后,湿地土壤总有机碳含量没有显著变化,不同N处理增加了0.5%～1.8%。CO2浓度升高,土壤总氮含量总体呈下降趋势。就各生长期平均值而言,CO2浓度升高使土壤NH4+—N的含量分别降低了8.2%(NN),8.9%(MN)和9.7%(HN)。CO2浓度升高使不同N处理的土壤NO3-—N含量也呈降低趋势,其中高氮水平(HN)降低最多,降幅为9.6%。土壤有效态氮是控制植物对高CO2浓度响应的关键因素。     

CO2浓度升高对不同水稻品种幼苗养分吸收和根系形态的影响

本文利用水培试验研究了CO2浓度升高对水稻幼苗生物量、养分含量和根形态的影响,探讨了CO2浓度升高下粤杂889(YZ)和荣优398 (RY)幼苗养分吸收和根系形态的差异性.结果表明,与CO2浓度正常水平(对照)相比,CO2浓度升高显著增加了2个水稻品种幼苗根系、茎叶和总生物量,YZ分别增加58.33％、27.96％、33.16％;RY分别增加45.87％、34.17％、36.07％.同时,CO2浓度升高增加了2个水稻品种的根冠比.CO2浓度升高显著降低了2个水稻品种茎叶中的N、P、K、Ca、Mg和Fe含量,这是“稀释效应”的结果;但YZ幼苗中S含量显著增加,2个品种幼苗Mn含量均显著增加.CO2浓度升高显著增加了2个水稻品种的幼苗根系根毛数、总根长、表面积,降低幼苗粗根比例,增加了细根比例.CO2浓度升高增加了细根在总根长中的比例,有利于水稻对养分的吸收,导致部分营养元素含量增加;但CO2浓度升高条件下水稻生物量的增加使大部分营养元素含量降低.同时,CO2浓度升高对水稻幼苗生物量、养分吸收和根形态的影响存在显著的品种差异.     

不同施肥处理对红壤性水稻土团聚体的分布及有机碳、氮含量的影响

土壤采自江西省红壤研究所历经22年的肥料定位试验地,各施肥处理为:不施肥(CK)、施N肥(N)、施P肥(P)、施K肥(K)、施N、P肥(NP)、施N、K肥(NK)、施N、P、K肥(NPK)、施双倍N、P、K肥(2NPK)、施N、P、K肥和有机肥(NPK OM).研究了不同施肥处理对水稻土团聚体分布的影响以及土壤有机C、N在各级团聚体上赋存的情况.研究结果表明:有机C、N主要分配在2～0.25 mm的大团聚体上,C/N比随着团聚体粒级的减少而降低;水稻土团聚体的形成与有机C(SOC)密切相关,表现出与“层次性“机制相符的现象;施P、K、NK肥和NPK OM显著提高大团聚体的含量和团聚体的稳定性;NPK OM也显著提高土壤有机C、N和各级团聚体上的有机C、N的含量.     

开放式空气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响

采用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,研究了不同施N水平下,大气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响。结果表明,相对于对照处理,在不同氮水平下CO2浓度升高使作物生物量增加,导致作物生长季对土壤钾的吸收增加,但并没有降低作物主要生长期土壤（0―5、5―15 cm土层）速效钾的含量;CO2浓度升高使土壤速效钾增加的幅度在作物根际达6.3%~22.3%,在行间达3.7%~11.2%,且土壤速效钾增加的幅度在小麦季大于水稻季。表明根系对土壤速效钾的影响很大,因此,短期内土壤钾含量不会成为限制因素而影响作物对高CO2浓度的响应,反而会增加土壤钾的有效性。但在土壤肥力较低的土壤上可能会产生消极影响。     

不同肥源、施氮量对土壤-作物系统中铬、镉含量的影响

外源有害重金属是造成土壤-作物系统污染的重要渠道,采用田间试验方法,研究了不同施肥条件下土壤和作物中重金属镉、铬的含量状况,分析了土壤-植物系统中重金属镉、铬的富集特征。结果表明,施肥易造成表层土壤中重金属的累积,重金属镉富集效果明显。化肥处理下,土壤镉的生物有效性提高,显著增加白菜对镉的吸收富集,与对照相比,过量施肥(N1)、常规施肥(N2)、减量施肥(N3)处理下白菜中镉含量分别提高59.7%、41.1%和40.3%(P0.05),过量施肥(N1)处理下,白菜中镉含量接近食品安全国家标准的限量要求(0.2 mg·kg-1)。施用有机肥可以显著降低白菜对镉的吸收(P0.05),单施有机肥(N6)处理效果更为显著,镉含量比对照降低了36.3%(P0.05),比有机肥配施磷钾肥(N4)和有机-无机肥混施(N5)处理也显著降低了41.9%和38.8%(P0.05)。施肥同样造成表层土壤重金属铬的富集,随着化肥施用量的增加,白菜对铬的吸收富集也显著增加,同样,过量施肥(N1)处理下,白菜中铬含量接近食品安全国家标准的限量要求(0.5 mg·kg-1)。有机肥的施用可以调节土壤p H值,抑制白菜对重金属的吸收,对镉的抑制效果要好于铬。有机肥、化肥具有不同的供肥特征和理化性质,根据需求合理配施,方可达到合理供肥和保护环境的双重效益。     

大气O_3浓度升高对稻季耕层土壤溶液CaMg浓度的影响

利用中国稻/麦轮作系统O3-FACE（Ozone-Free Air Concentration Enrichment）试验平台,研究了大气O3浓度升高（比周围大气高50%）对稻季不同生育期耕层土壤溶液中Ca、Mg浓度的影响。结果表明,大气O3浓度升高对稻田0~15 cm耕层土壤溶液Ca浓度无明显影响,但Mg浓度呈现降低趋势;降低了15 cm处土壤溶液Ca、Mg浓度,其中对Mg浓度的降低幅度为20.97%,且达显著水平;大气O3浓度升高可改变耕层土壤溶液中Ca、Mg离子在不同深度的分布,降低15 cm处土壤溶液Ca、Mg浓度与5 cm处比值,降低幅度分别为13.50%、34.29%。文章指出大气O3浓度升高会对稻田生态系统土壤Ca、Mg元素地球化学循环产生重要影响,并可能因此影响稻米产量和品质。     

缓释尿素（SCU）对超级杂交中稻产量及土水中氮素的影响研究

为探讨超级杂交中稻超高产栽培的缓释尿素（硫包衣尿素,SCU）最佳施用量及其环境效应,在大田试验条件下,研究了SCU不同用量对超级杂交中稻Y两优1号产量以及对土水中氮素含量的影响。结果表明,与普通尿素相比,施用SCU有显著的增产效果,同等施氮量（180 kg N.hm-2）的SCU和普通尿素相比,增产幅度为13.2%;施用135 kg N.hm-2的SCU与180 kg N.hm-2普通尿素相比（氮素用量减少25%）仍可增产12.9%。稻田施氮量可显著影响土壤中铵态氮的累积和分布,但对硝态氮的影响较小。折合等量纯氮的SCU与普通尿素处理相比,可以显著减少肥料施用初期土壤水中氮素含量,施肥后10 d,SCU处理农田面水、0～20 cm层和20～40 cm层土壤水全氮含量分别为施用普通尿素处理的26.3%、64.4%和64.0%。     

长期大量施肥增加设施菜田土壤可溶性有机氮淋溶风险

可溶性有机氮比较活跃,在氮素转化和生态环境安全方面都有重要作用。该文研究了长期不同施肥处理（不施肥、施有机肥、传统施氮、优化施氮和秸秆还田）对设施菜田土壤矿质氮和可溶性有机氮含量及其在剖面累积的影响。结果表明,设施菜田土壤0～180 cm可溶性有机氮含量范围为29.1～88.9 mg/kg,占可溶性总氮的27%～50%;与不施肥处理相比,有机肥和氮肥的施用显著增加土壤可溶性有机氮的含量,并且随着化肥氮投入的增加可溶性有机氮含量也相应增加;其中,有机肥处理比不施肥处理可溶性有机氮在0～180 cm土层累积增加了1132 kg/hm2,传统施氮比单施有机肥处理累计增加了1505 kg/hm2,秸秆的施用显著降低土壤无机氮累积量,但是对可溶性有机氮没有影响。综上所述,可溶性有机氮是设施菜田氮素重要的损失形态,其对环境的影响值得关注。     

CH4 production potential in a paddy soil exposed to atmospheric CO2 enrichment

Abstract

An anaerobic incubation experiment was conducted to investigate methane (CH₄) production potential in soil samples collected from a paddy field after exposure to free-air CO₂ enrichment (FACE). The FACE experiment with two CO₂ levels, ambient and ambient + 200 p.p.m.v CO₂ during the rice growing season, was conducted at Shizukuishi, Iwate Prefecture, Japan. The soil was a wet Andosol. Soil samples were taken from the surface (0–1 cm) and the sub-surface (1–10 cm) soil layers 2 months after rice harvest. Sub-samples of the fresh soils were put into glass bottles and submerged under N₂ gas headspace during the incubation. The results showed that, prior to incubation, the contents of total C and dissolved organic C (DOC) were significantly greater in FACE soil than ambient soil. During the incubation, CH₄ production potential was approximately 2–4-fold higher in FACE soil than ambient soil and approximately 500–1,000-fold greater in surface soil than sub-surface soil. In general, the FACE soil contained more DOC than ambient soil, particularly in the surface soil layer. These findings suggest that FACE treatment exerted long-term positive effects on CH₄ production and increased organic C content in this paddy soil, particularly in the surface soil layer.     

臭氧污染对水稻土物理结构和氮磷钾含量的影响

利用中国稻-麦轮作O3FACE(Free-air O3 concentration enrichment)试验平台,研究了连续3年大气O3浓度升高(比周围大气高50%)对稻田表层(0~20 cm)土壤团聚体、土壤容重及孔隙度和氮磷钾养分含量的影响。结果表明,大气O3浓度升高显著增加耕层土壤0.25~0.053 mm团聚体23.5%和降低<0.053 mm团聚体24.6%。O3污染具有增大0~10 cm土层和降低10~20 cm土层土壤容重的趋势,0~10 cm土壤中气体孔隙度显著减小39.8%,10~20 cm土壤中毛管孔隙度显著增加9.1%和气体孔隙度显著减小32.4%,改变了固、液、气三相比。长期O3污染显著降低土壤全氮含量10.5%和速效钾13.3%,显著增加有效磷40.8%,但对有效氮未产生显著影响。结果表明,长期臭氧污染将改变土壤物理结构和养分物质的生物地球化学循环。     

淹水条件下FACE处理的水稻以及小麦秸秆的分解及产物

Winter wheat and rice straw produced under ambient and elevated CO2 in a China rice-wheat rotation free-air CO2 enrichment (FACE) experiment was mixed with a paddy soil at a rate of 10 g kg-1 (air-dried), and the mixture was incubated under flooded conditions at 25 ℃ to examine the differences in decomposition as well as the products of crop residues produced under elevated CO2. Results showed that the C/N ratio and the amount of soluble fraction in the amended rice straw grown under elevated CO2 (FR) were 9.8% and 73.1% greater, and the cellulose and lignin were 16.0% and 9.9% lesser than those of the amended rice straw grown under ambient CO2 (AR), respectively. Compared with those of the AR treatment, the CO2-C and CH4-C emissions in the FR treatment for 25 d were increased by 7.9% and 25.0%, respectively; a higher ratio of CH4 to CO2 emissions induced by straw in the FR treatment was also observed. In contrast, in the treatments with winter wheat straw, the CO2-C and CH4-C productions, the ratio of straw-induced CH4 to CO2 emissions, and the straw composition were not significantly affected by elevated CO2, except for an 8.0% decrease in total N and a 9.7% increase in C/N ratio in the wheat straw grown under elevated CO2. Correlation analysis showed that the net CO2-C and CH4-C emissions from straw and the ratio of straw-induced CH4 to CO2 emissions were all exponentially related to the amount of soluble fraction in the amended straw (P < 0.05). These indicated that under flooded conditions, the turnover and CH4 emission from crop straw incorporated into soil were dependent on the effect of elevated CO2 on straw composition, and varied with crop species. Incorporation of rice straw grown under elevated CO2 would stimulate CH4 emission from flooded rice fields, whereas winter wheat straw grown under elevated CO2 had no effect on CH4 emission.     

自由大气CO2浓度升高对稻田CH_4排放的影响研究

采用FACE田间试验,对高CO2浓度影响稻田CH4排放规律进行了观测分析,并利用δ13C技术初步分析了土壤CH4的排放来源。结果显示,植株和土壤的CH4排放速率在高CO2浓度处理大于对照18%以上,其增加幅度为土壤大于植物,CH4排放速率可能受田间水分条件影响较大。与对照比较,高CO2浓度条件下植物和土壤部分CH4累积排放总量增加,且变化幅度随生长期而降低,前期（54d）常规氮处理（NN）高于低氮处理（LN）,后期LN高于NN;但是行间裸土CH4累积排放总量在前期（54d）增加和之后降低的幅度均为NN高于LN。土壤排放CH4δ13C值从移栽到第102d,高CO2浓度处理LN和NN水平下土壤对照（CK）仅分别升高9.0%和8.3%,种水稻则降低8.8%和8.1%;但是在对照CO2浓度条件下土壤对照降低17.2%和112.5%（P=0.047）,种水稻降低40.3%和105.9%（P=0.023）,表明高CO2浓度下有更多C4来源的碳释放,对照CO2浓度条件下有更多C3来源的碳释放。水稻不同生长期与土壤对照比较,种水稻土壤排放CH4δ13C值降低的幅度总和在高CO2浓度条件LN和NN水平下分别为114.8%和72.7%,对照CO2浓度条件下分别为41.9%和72.8%,表明在种有植物的情况下更多当季的碳分解释放,LN水平下高CO2浓度促进来源于当季碳的CH4排放,NN水平下没有发现CO2浓度的影响,可能与作物生物量和它的间接产物（根系分泌物）的影响有关。