大气CO2浓度升高对水稻土团聚体的分布与有机碳含量的影响

采取中国FACE(Free-air CO2 enrichment)平台9年试验区的土壤,采用干湿筛法获得水稳定性团聚体,研究高CO2浓度处理对水稻土团聚体组成、有机碳含量的影响。FACE试验设对照和高CO2浓度两个主处理,低氮和常氮两个施氮水平裂区。结果表明,经高CO2浓度连续9年处理后,小区土壤有机碳总量显著增加(年均1%)。高CO2浓度改变0~5 cm土层土壤团聚体的分布,大团聚体(250μm)含量有减少趋势,而微团聚体(250~53μm)含量平均增加27.49%(P=0.05);常氮仅改变5~15 cm土层土壤粗大团聚体(2 000μm)含量,平均减少20.60%(P0.05)。分析表明,高CO2浓度使得0~5 cm土层土壤细大团聚体(2 000~250μm)有机碳含量平均降低9.67%(P0.01),微团聚体有机碳含量平均增加31.30%(P0.05),CO2和N交互有促进上述变化趋势。高CO2浓度增加5~15 cm土层土壤粗大团聚体有机碳含量(26.44%,P=0.05),降低细大团聚体有机碳含量(6.83%,P0.01);常氮减少5~15 cm土层土壤粗大团聚体有机碳含量(30.19%,P0.001);CO2和N交互显著降低5~15 cm土层两级大团聚体有机碳含量。高CO2浓度降低耕层土壤(0~15 cm)细大团聚体有机碳储量(6.41%,P0.01),增加微团聚体有机碳储量(15.09%,P0.05);常氮显著降低两级大团聚体有机碳储量,且CO2和N交互降低细大团聚体有机碳储量(P0.05)。     

大气CO2浓度升高和海平面上升对滨海湿地植物地下生物量的影响

大气CO₂浓度升高和海平面上升会通过影响植物的分布和生长状况,继而影响湿地的稳定性。地下生物量是调节潮汐湿地生态系统功能的关键因素,包括土壤有机质的积累和湿地海拔高程的维持。本文通过设置开顶式生长箱(OTC:open top chamber)试验探究不同海拔的3个典型植物群落(SC群落：C₃植物为主的群落;MX群落：C₃、C₄植物混合群落;SP群落：C₄植物为主的群落)对CO₂浓度升高和海平面上升的响应差异。研究结果显示：CO₂浓度升高能够显著增加SC、MX和SP群落的根茎、根和总地下生物量,但年际差异较大。海平面上升显著降低了3个群落植物的根生物量和SC群落高CO₂浓度处理下及SP群落对照处理下的总地下生物量,但对根茎却无显著影响。在高盐的条件下,高CO₂浓度一定程度上能够缓解高盐分对植物的胁迫,但高CO₂浓度的施肥作用下降。对照条件下的SC和MX群落总地下生物量随试...     

大气CO2浓度上升对植物地下竞争的影响

植物地下竞争是影响农业生态系统和自然生态系统中植物群落结构变化的重要因素,而大气CO2浓度升高直接或间接影响了植物的生长及其地下环境,可能需重新评估植物地下竞争的状况。本文从大气CO2浓度升高对植物根系形态结构、生理吸收能力、根系共生真菌、叶片蒸腾速率的影响以及对地下竞争因子的土壤环境方面的影响,探讨未来CO2浓度升高条件下地下竞争的变化。     

水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO2浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO2的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,但未来大气CO2浓度升高情景下（elevated CO2, eCO2）,水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。本研究依托中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）和高通量测序技术,研究了未来大气CO2浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。研究结果表明：与常规大气CO2浓度（ambient CO2, aCO2）相比,eCO2条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol g-1 d.w.s h-1增加至302 mol g-1 d.w.s h-1,增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO2升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%-11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。这些研究结果表明：未来大气CO2升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。     

大气CO2浓度升高和温升对水稻纹枯病侵染后的相关蛋白和防御酶的影响

纹枯病（sheath blight）作为一种土传病害,其发生和发展严重威胁到水稻（Oryza sativa L.）的生产。目前,大气CO2浓度（[CO2]）和温度升高如何影响感病植株内病程相关蛋白（pathogenesis related proteins, PR蛋白）和防御酶尚不清楚。本研究以纹枯病易感品种（Lemont）和抗性品种（YSBR1）为实验材料,利用田间开放式自由大气[CO2]和温度升高（T-FACE）平台设置四个处理：对照、[CO2]升高（[CO2]升高至590 μmol·mol-1）、温升（冠层温度升高2 ℃）及[CO2]升高和温升交互,通过人工接种R. solani,探究不同抗性品种叶片和茎鞘PR蛋白与防御酶活性,以及土壤基本理化性状的响应。研究结果表明：高[CO2]和温升下耕作土制成的土壤浸提液培养基中R. solani生长速率无显著差异,接种R. solani后病斑发展速率与土壤基本理化性状无关。水稻植株感病后,两个品种叶片和茎鞘中PR蛋白和相关防御酶表现出明显差异,且在高[CO2]和温升条件下,该差异进一步增大。对于茎鞘中的PR蛋白和防御酶,高[CO2]和温升交互处理明显增加Lemont和YSBR1茎鞘中过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、β-1,3-葡聚糖酶（GLU）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。对于两个水稻品种,当R. solani入侵后,在各处理下,YSBR1叶片中PR蛋白和相关防御酶以及茎鞘中SOD和CAT活性均显著高于Lemont,且YSBR1病斑发展速率显著低于Lemont。在整个发病过程中,温升处理及其与高[CO2]互作处理均显著增加易感品种Lemont的病斑发展速率（增加了21% ~ 45%）,而对抗性品种YSBR1的病斑发展速率无显著影响。相关性分析结果表明,各处理下Lemont和YSBR1植株纹枯病病斑的发展速率均与其茎鞘中GLU活性存在显著正相关。因而,在R. solani侵染后,抗病品种中较高的PR蛋白和防御酶活形成的防卫反应,能够有效减轻未来高[CO2]和温升条件对纹枯病病斑发展速度的影响。研究结果对选育纹枯病抗性品种来适应未来气候变化背景下的水稻生产提供重要的借鉴意义。     

开放式臭氧浓度升高对水稻叶片光合作用日变化的影响

运用开放式臭氧浓度升高系统(O3-FACE:Ozone-free air controlled enrichment)平台,以武运粳21(粳稻)和两优培九(杂交稻)两个耐性不同的品种为材料,研究了大气臭氧浓度升高对水稻叶片光合作用日变化的影响,旨在为高臭氧浓度条件下水稻生产和国家粮食安全的制定提供理论依据。结果表明,臭氧胁迫未改变光合作用日变化规律,处理和对照下净光合速率和气孔导度日变化相似,均呈现单峰曲线,高峰值出现在11:00—15:00之间;胞间CO2浓度日变化趋势与气孔导度和净光合速率日变化不一致;臭氧处理55d对净光合速率和气孔导度影响较小,随着处理时间的延长,相关指标降低幅度变大,而胞间CO2浓度没有降低,说明臭氧对水稻的影响是一个累积过程,净光合速率降低的主要因素是由非气孔限制引起的;武运粳21的净光合速率和气孔导度在臭氧处理时的降低幅度小于两优培九,这种品种间的差异表明武运粳21比两优培九对臭氧耐受性强。     

稻米外观与加工品质对大气CO2浓度升高的响应

【目的】大气CO2浓度升高会降低水稻的外观与加工品质。为探明其下降机制并予以缓解,【方法】采用开放式大气CO2浓度升高(FACE)平台、两种栽培品种及其三种不同的基因调控遗传材料(中花11及其蒸腾调节材料ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30;中花11及其促冠根生长材料ERF3-7和ERF3-12;日本晴及其促硝酸盐吸收材料NIL),研究稻米外观与加工品质对CO2浓度升高的响应。【结果】稻米外观品质与加工品质对CO2浓度升高的响应因品种不同而异。CO2浓度升高下,中花11的垩白粒率和垩白度增加9.2%和4.4%,整精米率降低5.3%;而日本晴的垩白粒率和垩白度降低11.1%和7.9%,整精米率提升9.8%。蒸腾调节材料显著改善了CO2浓度升高对中花11外观与外观品质的负面效应,与当前CO2浓度相比,CO2浓度升高,ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30的垩白粒率相对变化量为?2.7%、?16.3%、?14.8%,+7.4%,垩白度为?8.7%、?22.3%、?15.1%、?3.0%,整精米率为+2.1%、+6.4%、+3.6%、?7.0%。促冠根生长材料加大了CO2浓度升高对中花11号外观与加工品质的负面效应,ERF3-7、ERF3-12的垩白粒率在CO2浓度升高下分别增加17.7%和11.5%,垩白度增加34.4%和19.1%,整精米率分别降低10.1%和0.8%。促硝酸盐吸收材料(NIL)的垩白粒率和垩白度在CO2浓度升高下无明显变化,整精米率下降4.2%。NIL的外观品质较日本晴明显改善,CO2浓度升高下垩白粒率和垩白度分别下降16.5%和17.9%,当前CO2浓度条件下分别下降26.3%和28.9%。【结论】未来CO2浓度升高条件下,通过基因改良促进水稻蒸腾作用和硝酸盐吸收是提升稻米外观与加工品质的有效途径之一。     

高浓度CO2条件下水稻叶片氮含量下降与氮代谢关键酶活性的关系

利用FACE（Free Air Carbon Dioxide Enrichment）平台技术,研究了低氮（125 kg/hm2,以纯N计）和常氮（250 kg/hm2）水平下,高浓度CO2（周围大气CO2浓度+200 μmol/mol）对水稻不同生育期功能叶N代谢关键酶活性的影响。结果表明,高浓度CO2提高了叶片硝酸还原酶和蛋白水解酶的活性,两者在常N下的响应程度大于在低N下的响应程度;高浓度CO2降低了低N下叶片谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶（NADH GDH）活性,常N水平下酶活性的下降趋势得到改变或缓解。由此可见,高浓度CO2条件下NO3-转化为NH4+加速,而NH4+进一步同化为有机N却受阻,而且,由于后期蛋白水解加速,将进一步加剧叶片N含量的下降。这是水稻叶片N含量下降的内在因素。而增施N肥,有利于同化酶的表达,降低叶片蛋白水解酶活力,从而缓解叶片N含量的下降。     

大气CO2浓度升高条件下移栽水稻与不同出苗时间稗草竞争的响应差异

通过田间试验,研究了FACE（开放式空气CO2浓度升高）条件下,移栽稻田水稻（Oryza sativa）与不同发生时期稗草（Echinochloa crusgalli）生长和竞争的响应差异。结果显示,FACE条件下水稻与稗草比例为1∶1时,水稻分蘖、生物量和产量均增加,而稗草则减少。水稻与移栽稻田本田萌生稗草的生物量比率增加181.7%、产量比率增加259.7%、茎蘖比率增加24.2%、有效分蘖比率增加186.3%,水稻竞争优势增加,而移栽稻田本田萌生稗草竞争能力下降。水稻与秧田萌生稗草的竞争关系变化趋势在营养生长期与上述情况相同,但进入生殖生长后水稻竞争优势不再显著,FACE条件下与秧田萌生稗草竞争的水稻最终生物量和产量分别增加22.7%和8.2%,但秧田萌生稗草的最终生物量和产量也增加了11.9%和9.5%。水稻与秧田萌生稗草的生物量比率、茎蘖比率和产量比率增加均不显著。 可见,田间大气CO2浓度升高条件下水稻与稗草的竞争关系发生的变化与稗草发生时期有重要关系。     

长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响

大气CO2浓度升高可直接或间接影响稻田CH4排放。深入研究长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放及其相关微生物的影响，对评估和应对未来气候背景下稻田CH4排放的响应具有重要意义。为探明长期大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响及其机制，依托连续运行10年以上的中国稻田FACE（free-air CO2 enrichment）平台，观测2016—2017年正常大气条件（ACO2）和大气CO2浓度升高200 μmol?mol-1条件（ECO2）下稻田CH4排放通量、产甲烷菌和甲烷氧化菌群落丰度，并采用Meta分析方法定量研究CO2熏蒸年限对稻田CH4排放及其相关微生物群落丰度的影响。结果表明：对比ACO2处理，长期ECO2处理使稻田CH4排放降低28%（P<0.05），产甲烷菌群落丰度降低39%（P<0.05），同时甲烷氧化菌群落丰度增加21%（P>0.05）。Meta分析结果发现，随着CO2熏蒸年限的增加，大气CO2浓度升高对稻田CH4排放和产甲烷菌群落丰度的促进作用逐渐减弱，对甲烷氧化菌群落丰度的促进作用却逐渐增大。因此，未来气候条件下，长期大气CO2浓度升高会降低稻田CH4排放，这对缓解水稻种植带来的温室效应具有重要意义。