土壤微生物生物量和呼吸强度对大气CO2浓度升高的响应

随着全球环境变化对陆地生态系统的影响逐渐成为公众和科学界关注的热点,CO2作为一种重要的温室气体受到格外重视.大气CO2浓度升高将直接影响陆地植物的光合作用[1].植物的光合产物约有20% ～ 50%被运送到地下,通过根系分泌及死亡输入土壤[2],因此大气CO2浓度升高将会间接影响土壤生态系统.长期以来,关于大气CO2浓度升高对农作物地上部分的研究较多,但关于大气CO2浓度升高对土壤特别是土壤微生物的影响的研究报道较少.     

大气CO2浓度升高对植物根系形态的影响及其调控机理

大气CO2浓度升高会对植物根系形态产生明显的影响,尤其是根的长度、分枝、产量、周转以及根与枝的分配模式等方面,从而有助于植物从土壤中摄取更多的养分及水分,更好地适应大气CO2浓度升高后的环境。目前,该领域研究,如在CO2浓度升高条件下,根系形态变化的内部调控机制,以及由其引起的物质分配和能量流动等仍存在较大争议。本文综述了近年来关于CO2浓度升高及与外界环境因素的共同作用对根系形态影响的研究,以期为阐明CO2浓度升高对植物根系生长发育带来的影响及其机制提供理论指导。     

大气CO_2浓度升高对植物影响的研究进展

CO2是植物光合作用的底物,也是构成植物生境的一种环境因子。随着现代工农业的发展与人类活动的增加,大气中CO2浓度将会不可避免的呈升高趋势。这种趋势将对植物生长发育及生物产量产生影响,最终将影响人类的生存环境,因此,近年来对其研究逐渐增多。综述了国内外学者对植物的形态学特征、生物量的变化、生理生化机制、根系分泌物及根际微生物等受大气中CO2浓度升高的影响等方面的研究。结果表明,CO2的浓度升高会增加植物的根系面积、增加叶片的厚度、促进根系分泌物的释放,改变根际微生物的多样性,也可能会提高植物的呼吸作用和光合速率。     

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。     

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。     

高CO2浓度和遮荫对小麦叶片光能利用特性及产量构成因子的影响

CO2和光能是植物光合作用的动力和底物,它们的变化必然引起植物光合特性和生长的变化。研究大气CO2浓度和光强变化对植物光合生理的影响,有利于认识作物对全球生态变化的生理响应机制。试验以高大气CO2浓度和遮荫为处理手段,通过测定小麦(Triticum aestivum)旗叶的光合气体交换参数、光强光合速率响应曲线和产量构成因子,分析光强光能利用效率之间的关系,研究高大气CO2浓度(760μmol.mol 1)和遮荫对小麦叶片光合特性及产量构成因子的影响。结果表明,高大气CO2浓度下,小麦叶片的净光合速率(Pn)增加;同时最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)显著升高;遮荫处理使小麦叶片的Pnmax、LSP、LCP降低。正常光照下大气CO2浓度升高使小麦叶片呼吸速率(Rd)显著下降,遮荫后大气CO2浓度升高对Rd无显著影响。大气CO2浓度升高能显著提高小麦叶片表观量子效率(AQY),而遮荫对AQY的影响因大气CO2浓度而异,高大气CO2浓度下遮荫使AQY显著提高,正常大气CO2浓度下遮荫则使AQY明显下降。高大气CO2浓度下遮荫使小麦株高、穗长增加,而穗粒数、单株穗粒重、千粒重减小。受光合特性的变化和光强限制,高大气CO2浓度下遮荫使小麦叶片呼吸增强,导致Pn下降,不利于干物质积累和籽粒产量的形成。     

大气CO2与植物氮素营养的关系

大气CO2浓度升高对植物吸收氮素，以及对植物和土壤中的氮浓度，C／N比和氮循环都存在着影响。大气CO2浓度与植物氮素营养之间存在着交互作用。大气CO2浓度升高对植物氮素营养物结果与氮浓度，氮形态等因素有关。     

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。     

水稻根系内生细菌对未来大气CO2浓度升高的响应

针对中国FACE（Free Air CO2 Enrichment）平台的镇籼96、扬稻8号、II优084和扬两优6号四种水稻品种,采用新一代高通量测序技术,研究了水稻根系内生菌的整体微生物群落对未来大气CO2浓度升高的响应。结果表明,水稻内生菌群落中γ-变形菌纲的肠杆菌科相对丰度最高,占整体微生物群落的30.8%~59.8%。对于镇籼96、扬稻8号和II优084三种水稻品种,大气CO2浓度升高可能抑制了数量上占优势的微生物菌群（优势菌群）生长,而促进了数量上不占优势的微生物菌群（稀少菌群）繁殖。例如,对于II优084品种,相对丰度高于14.6%的4种水稻内生菌为肠杆菌科、假单胞菌科、黄单胞菌科和气单胞菌科,大气CO2浓度升高,这些优势菌群的相对丰度由74.8%降为67.2%;相反,稀少菌群主要由鞘脂杆菌科、丛毛单胞菌科、黄杆菌科及草酸杆菌科组成,其相对丰度则由4.13%增至16.9%,其中,与对照处理相比,鞘脂杆菌科相对丰度增加比例高达344倍,是大气CO2浓度升高的最敏感微生物类群。但对于水稻品种扬两优6号,根系内生菌对大气CO2浓度升高的响应模式与其他它三种品种不完全一致。这些研究结果表明,微生物的相对丰度可能是影响水稻根系内生菌对大气CO2浓度升高响应的重要因素,为研究全球变化下整体微生物结构与功能的演变规律提供了一定的依据。     

CO_2浓度升高对土壤微生物及土壤酶影响的研究进展

概述了大气CO2浓度条件下,土壤微生物生物量C、土壤微生物区系、土壤细菌群落结构以及土壤酶的变化等方面的研究进展。并提出在CO2浓度升高条件下,根际微生物的优势种群的变化趋势和根系分泌物与根际微生物之间相互影响的研究是今后的研究趋向。     

土壤养分空间异质性与根系觅食作用:从个体到群落

土壤中分布着许多大小不一的养分富集区域（也称之为养分斑块）。植物为了适应环境最大限度的获取资源,会对这些养分斑块做出形态及生理上的响应。当根系接触到这些富集养分的区域就会大量的增生,尤其是比根长较大的细根,并且根系对养分的生理吸收能力也强于养分富集区域以外的根系。养分斑块的属性（大小、强度、组成和位置等）和植物体本身的属性（敏感性和觅食能力等）共同决定了养分空间异质性对于植物体生长的影响。由于不同物种的根系对于养分斑块的可塑性和养分斑块的属性的差异及植物根系接触到养分斑块的时间和规模的不同会加剧种间或种内的竞争强度;先接触到养分斑块的植物根系可能在其他植物的根系到达之前将养分斑块内部的养分大部分吸收或耗尽,从而引起根系间的不对称性竞争。养分空间异质性造成的群体内部竞争强度的增加甚至不对称性会引起群体内植株大小变异性的增加,从而进一步影响群体结构。同时养分空间异质性对根系竞争的影响也会改变群落内部物种的多样性及整个体系的生产力,这与群落内物种之间觅食精度及竞争力的差异有关;觅食能力较强的物种可能会高效整合并占据大量的小养分斑块从而提高自身生长,进而降低了小养分斑块对群落物种丰度的正效应。     

水稻拔节期根系呼吸对臭氧污染和厌氧—有氧环境变化的响应

依托O3FACE(Free-Air O3 Enrichment)研究平台,研究了大气臭氧(O3)浓度增加对拔节期水稻根系呼吸和生物量积累分配的影响,利用特制集气装置分析了厌氧—有氧条件对根系呼吸的影响。结果表明,O3浓度升高水稻冠层和总生物量略有降低,而根干物重和根/冠比分别显著降低14.7%和10.4%。9∶1和9.5∶0.5的纯N2∶O2配比利于根系呼吸,纯N2或空气、CO2饱和蒸馏水条件不同程度降低了根系呼吸速率;高臭氧处理、对照处理的水稻根系呼吸速率分别在CO2饱和蒸馏水、纯N2条件下最小,表明尽管不同根系测定条件影响根系呼吸速率,但影响程度也受植物生长的大气环境制约。臭氧污染处理水稻根系的呼吸速率在气态测定条件下显著高于正常大气处理23.6%～52.7%,在CO2饱和蒸馏水测定条件下未达到显著水平,臭氧污染效应明显降低。两个环境生长的水稻根系呼吸均随测定根系气态环境供氧量的增加呈凸二次函数变化,5%～10%比例的氧气供应促进了根系呼吸,较强的厌氧环境(纯N2)和有氧环境(Air)均不利于水稻根系呼吸。     

毛乌素沙地三种荒漠灌木根系分布特征与土壤水分研究

用全根系挖掘法,调查研究了风沙地生境中的黑沙蒿、杨柴、沙木蓼的根系分布特征;对根际不同土层土壤水分含量进行了观测,确定3种植物根系分布和土壤水分的响应特征。结果表明:杨柴的根系分布范围为地下0-280cm,主要分布在20-110cm,占总根重的65.86%;沙木蓼的根系分布范围0-180 cm,主要分布在0-80cm,占总根重的68.29%;黑沙蒿的根系分布范围0-240cm,主要分布在0-60cm,占总根重的62.14%。3种不同植物根系垂直分布形态特征,杨柴为“V”型分布,黑沙蒿为“伞”型分布,相比之下沙木蓼分布比较均匀。各土层中,除杨柴0-20cm土层根系分布较少外,黑沙蒿和沙木蓼表层根系分布较多;0-60cm土层中分布的根系密度最大,均表现为从土壤表层到深层逐次递减趋势;植物根系分布对土壤水分的响应显著,根系集中分布区域土壤含水量明显减小;黑沙蒿根际平均土壤水分含量最大,沙木蓼次之,杨柴最小,其与根系分布、水分利用策略密切相关。在水分资源竞争中,植物根系分布特征起到重要的作用。     

地质封存CO2泄漏对农田生态系统的影响评估及耐受阈值

碳捕获与封存(carbon capture and storage,CCS)是全球碳减排的重要战略性技术,但封存CO2泄漏对地表生态系统的严重威胁是CCS活动的重要障碍之一。该研究选择受封存CO2泄漏威胁的农田生态系统作为研究对象,通过运用人工控制手段模拟地质封存CO2泄漏到达地表的系列情景,监测农田生态系统主要指标变化,评估和确定封存CO2泄漏对农田生态系统的影响和耐受阈值。研究结果表明,不同泄漏情景下玉米均受到不同程度的不利影响,并且泄漏通量越大,影响程度越深:CO2泄漏情景下的玉米出苗受到严重阻碍,株高和叶片数随泄漏通量增大而呈逐渐减小的趋势,地上部和地下部生物量较对照情景明显减少,光合作用受到干扰,土壤pH值降低。500～2000g/(m2·d)范围内的泄漏情景为玉米对地质封存CO2泄漏的耐受阈值。     

大气CO2浓度升高对小麦蒸腾耗水与根系吸水的影响

为了探索大气CO2浓度升高对作物蒸腾耗水与根系吸水的影响,该文布置了春小麦室内水培试验,试验共设置3个CO2浓度梯度(400±50、625±50、850±50μmol/mol),期间对各处理条件下小麦生长与蒸腾耗水的动态变化过程进行监测,包括水气交换、干物重、叶面积、根长、蒸腾速率等。试验结果表明:当CO2浓度从400μmol/mol升高至625、850μmol/mol时,短期(约3 d)内叶片气孔导度迅速降低,蒸腾耗水减弱,光合作用增强,导致水分利用效率升高;随着小麦被置于高CO2浓度条件下时间的延长,叶片气孔导度与蒸腾速率的降低幅度以及光合速率的增大幅度都逐渐缩小,即发生了CO2驯化现象。此时小麦生长仍然很旺盛,但蒸腾耗水并未发生显著变化,因此水分利用效率升高。CO2浓度升高可显著促进根系生长发育,导致单位根长潜在吸水系数显著降低(P<0.05),但其与单位根长氮含量之间仍呈线性正相关关系(R^2=0.83)。研究结果可为改进根系吸水模型与作物生长模型提供参考依据,并有助于系统理解土壤-作物-大气连续体。     

根系分泌物主要作用及解析技术进展

根系分泌物是植物保持根际微生态系统活力的关键因素，也是根际物质循环的重要组成部分，对根际土壤生态环境中的物质循环具有重要的驱动作用。根系分泌物可以刺激微生物生长，增强其活性，加速根际养分循环，增加土壤养分利用率，并在小规模空间引起温室气体通量的变化。此外，它也是植物参与竞争的重要策略，植物通过根分泌物以获取种间长期生存的养分，甚至分泌对自身有害的化感物质来排挤其他植物，实现自我生存，即使存在自毒作用或引起连作障碍等。植物的健康生长依赖于自身与土壤微生物复杂动态群落的相互作用，但是根际微生物群落结构和组成却又受植物物种、植物生长期、土壤性质、功能基因等因素影响，这些因素的动态变化可能导致根系分泌物的多样化，从而形成复杂多变的根系分泌物与植物的关系，进而影响植物的健康生长。目前，对植物根系分泌物的研究是土壤生态学、植物营养与代谢等领域的研究热点，且随着分析技术手段的快速发展，根系分泌物相关研究也逐渐深入，进一步揭示植物与微生物间的协同作用机理对农、林等行业生产具有重要的指导意义。     

CO2气体在植物组培中的应用及前景

本文就植物对CO2 的利用、保护地与组织培养环境中CO2 浓度的变化及其对植株的影响、组织培养中CO2 的施用方法与技术进行了概述 ,指出在组织培养中施用CO2 存在的问题 ,并对其应用前景进行了展望     

根际通气对盆栽玉米生长与根系活力的影响

针对盆栽作物生长空间有限且通气不良的生长环境问题,为改善根际气体环境,试验设每隔2d通气1次(T1)、每隔4d通气1次(T2)两个通气处理,以不通气(CK)为对照,研究根际通气对盆栽玉米生长及根系活力的影响。结果表明,T1和T2处理均能提高玉米株高、叶面积、叶绿素含量,促进地上部分和地下部分干物质的积累。T1、T2处理有利于提高玉米根冠比和根系活力,拔节期T1和T2处理的根冠比分别是CK的1.27倍、1.18倍,根系活力分别为CK的1.26倍和1.54倍;抽穗期根冠比分别为CK的1.18倍、1.09倍,根系活力分别为CK的1.22倍和1.40倍。同时,通气处理能够促进作物吸收土壤内的养分。研究结果表明,根际通气能够增强盆栽玉米的根系活力,促进植株的生长发育。     

Nitrogen-fixing Bacteria Associated with Graminaceous Roots with Special Reference to Spirillum lipoferum Beijerinck

Methods and results for field estimation of nitrogen fixation in the rhizosphere of grasses and cereals and the problem of choosing a reliable method for estimates based on acetylene reduction tests are reviewed. Growth and nitrogen fixation of Azotobacter spp. and of Spirillum lipoferum in plant rhizospheres are discussed on the basis of their physiology. Special consideration is given to the oxygen sensitivity of the nitrogenase reaction and adaptation to microaerophilic conditions, plant root exudates, plant specificity and genotype, mineral nitrogen and to microbial synergism, antagonism and competition. A better understanding of factors essential for a successful saprophytic competition of S. lipoferum in the root environment could allow utilization of its nitrogen fixing potential in crop production. Examples of growth promoting and ineffective associations of this organism with various graminaceous host plants are given.     

红砂根系形态和功能特征对CO2浓度升高和降水量变化的响应

【目的】探明CO₂浓度升高及降水变化对红砂 (Reaumuria soongorica) 根系形态结构及其功能特征的影响,为预测未来荒漠生态系统中CO₂浓度升高及降水变化下荒漠植物红砂的生长提供基础数据和理论参考。【方法】采用盆栽试验和开顶式CO₂控制气室,研究了红砂根系形态及功能特征对不同CO₂浓度变化 (350、550和700 μmol/mol) 和降水处理 [–30%、–15%、100% (自然降水)、+15%、+30%] 的响应。【结果】CO₂浓度升高、降雨量变化及二者的交互作用对红砂总根长、总表面积、根生物量和根平均直径均有极显著影响 (P < 0.01),CO₂浓度升高和降水量变化对红砂根冠比、比根长和比表面积均有极显著影响 (P < 0.01),而两者的交互作用对其影响不显著 (P > 0.05)。CO₂浓度升高和降水量变化显著提高了红砂总根长、总表面积、总根体积、根生物量和根平均直径 (P < 0.01),但总根长、总表面积、总根体积和根平均直径在降水量减少时的增加量大于降水量增加时的增加量 (平均高出18.53%),生物量在降水量增加时的增幅大于降水量减少时的增幅 (平均高出120.84%)。红砂根冠比在降水量减少时比降水量增加时提高更显著 (平均高出57.14%),CO₂浓度升高显著降低了红砂的根冠比。降水量增多,红砂比根长和比面积显著降低,CO₂浓度升高则显著提高了这两个指标。降水量增加显著提高红砂根系的碳、氮含量,CO₂增加显著增加根系碳含量而降低氮含量;CO₂升高和各降水量的耦合导致红砂根系的C/N随CO₂的升高而升高,随降水量的增加而呈波浪形变化。【结论】CO₂升高对除红砂根冠比以外的根系形态指标具有显著的正效应,总根长、总根体积、根平均直径、根冠比、比根长和比表面积对降水量减少的响应更为显著,而总表面积和根生物量则对降水增加的响应较为显著。红砂可通过升高C/N来响应CO₂浓度的升高,但C/N比对CO₂与降水量耦合的响应则因CO₂浓度及降水量多少而不同。