大气CO_2浓度升高对植物细根影响的研究进展

细根是调节生态系统C平衡的主要组分之一,大气CO2浓度升高对细根影响研究已成为当前全球变化背景下关注的热门课题之一,为此从以下几个方面就大气CO2浓度升高对细根的影响研究进展进行了综述:(1)CO2浓度升高对细根生长动态的影响;(2)CO2浓度升高对细根生理特性的影响;(3)CO2浓度升高对细根组分、分泌物、菌根的影响。由于细根生长受较多因素影响,使得研究结果也表现多样性,此外目前的研究技术和方法也存在一些缺陷,因此如何在非干扰环境条件下开展CO2浓度升高对细根影响的研究,是当前研究地下生态学过程面临的难题之一。     

大气CO2浓度升高对植物细根影响的研究进展

细根是调节生态系统C平衡的主要组分之一，大气CO2浓度升高对细根影响研究已成为当前全球变化背景下关注的热门课题之一，为此从以下几个方面就大气CO2浓度升高对细根的影响研究进展进行了综述：（1）CO2浓度升高对细根生长动态的影响；（2）CO2浓度升高对细根生理特性的影响；（3）CO2浓度升高对细根组分、分泌物、菌根的影响。由于细根生长受较多因素影响，使得研究结果也表现多样性，此外目前的研究技术和方法也存在一些缺陷，因此如何在非干扰环境条件下开展CO2浓度升高对细根影响的研究，是当前研究地下生态学过程面临的难题之一。     

大气CO2浓度升高对水稻生长发育影响的研究进展

随着工业化的进程,人类活动引起大气CO2浓度的迅速上升,水稻是世界最主要的粮食作物之一,其生长发育势必将受影响。结合当前大气CO2升高的模拟试验,归纳了国内外关于大气CO2浓度升高对水稻的生育期、光合作用、产量等方面的研究进展。结果表明随着CO2浓度升高,水稻生育期提前,光合作用短期呈现加强,产量有所提高,但相关机制尚不完全清楚,还需要完善试验方法,深入探索研究。     

CO2浓度和温度升高对川西亚高山红桦幼苗根系结构的影响

CO2浓度和温度升高对植物产生了深刻的影响,为从多角度对这种影响进行研究,该文利用封闭式生长室系统控制CO2浓度和温度,以红桦幼苗为材料,研究了CO2浓度升高、温度升高以及二者同时升高对川西亚高山红桦幼苗根系结构的影响。结果显示:①与对照相比,CO2浓度升高处理显著增加了红桦细根的生物量（最大增幅达152％）、根 幅（增幅为10％～22％）、0～10 cm土壤层根系总长度、5～10 cm层根夹角。②温度升高处理使红桦细根生物量2004年6、10月增加,8月减少,但只有0～5 cm土壤层与对照相比差异显著;根幅6、8、10月分别减少16％、7％、30％;5～15 cm土壤层根系总长度、0～10 cm土壤层根夹角显著(P0.05)减少。③二者同时升高处理使红桦各层细根生物量８月增加最多,0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm土壤层分别比对照增加237％、51％、107％;根系总长度减少,但0～10 cm土壤层根夹角增加。表明CO2浓度和温度升高均改变了红桦根系结构, 且对浅层根系结构影响较大,这是红桦对气候变化的一种有利适应。      

大气CO2浓度升高对亚高山红桦碳水化合物含量与分配的影响

应用封闭式生长室系统,研究了川西亚高山红桦(Betula albo-sinensis)幼苗根、茎、叶和枝中碳水化合物含量及其分配和主要生长指标对大气CO2浓度升高(EC,Elevated CO2,环境CO2浓度+350(±25)μmol·mol-1)的响应.结果表明,红桦幼苗的树高、基径、树干基部横截面积和生物量等均受到CO2浓度升高的促进作用.与对照(CK)相比,CO2浓度升高显著增加了红桦幼苗根、茎、叶中的还原糖、蔗糖、总可溶性糖及淀粉含量.除蔗糖含量外,枝中还原糖、总可溶性糖和淀粉的含量也有显著增加.EC对红桦幼苗各器官中的纤维素含量没有显著影响.升高CO2浓度改变了碳水化合物在红桦幼苗根、茎、叶和枝中的分配格局;与CK相比,分配到根的还原性糖、蔗糖、淀粉、纤维素和总的可溶性糖分别增加了55.96﹪、35.76﹪、39.52﹪、29.36﹪和55.56﹪.综上所述,CO2浓度升高促进了红桦幼苗的生长,增加了红桦幼苗体内的碳水化合物含量及其在根部的积累,这将增强红桦幼苗对寒冷环境的抵抗力,提高其在环境中的竞争力.     

大气CO2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响

甲烷氧化细菌是目前已知的稻田甲烷氧化唯一生物,在减少稻田甲烷排放、降低大气甲烷浓度方面发挥着重要作用.利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,采用实时荧光定量PCR技术,研究了大气CO2浓度升高下,典型水稻生长期根际土壤甲烷氧化细菌数量的变化规律,及其对不同施肥处理(高氮HN和常氮LN)的响应.2009和2010连续2a的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长;并可能对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著(P＜0.1)抑制;进一步针对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度.     

植物对CO2浓度升高的响应

大气中CO2浓度在工业革命前约为265μmol/mol,二十世纪60年代全球大气CO2浓度在314μmol/mol左右,目前则在350μmol/mol左右,且平均每年以1.5-2.0μmol/mol的速度递增.研究表明,大气CO2浓度升高的主要原因是煤炭、石油等化石燃料的燃烧造成的,若不加以制约,预计到本世纪中叶,大气CO2浓度将达到工业革命前的2倍[1,2].大气CO2浓度升高,除了通过温室效应引起全球气候变化对植物产生间接影响外,还直接影响到植物的生长发育.研究大气CO2浓度升高对植物的影响已成为国内外研究的重要课题之一.本文阐述了大气CO2浓度升高对植物光合作用、蒸腾作用、生物量和产量以及抗性和品质所带来的影响.     

FACE环境下不同秸秆与氮肥管理对稻田土壤产甲烷菌的影响

产甲烷菌是土壤中与甲烷产生和碳素循环有关的微生物菌群,大气CO2浓度升高可能对它们的数量产生影响。利用江都市小记镇的稻-麦轮作FACE平台,采用最大可能(MPN)法,在2004年水稻生长季研究了不同施肥情况(施常规氮量和低氮量)、不同秸秆还田情况(秸秆全还田、秸秆半还田、秸秆不还田)下,土壤中的产甲烷菌数量在大气CO2浓度升高条件下随时间的变化情况。结果表明,大气CO2浓度升高在秸秆全还田情况下对产甲烷菌数有明显的促进作用,在其他2种秸秆还田情况下,FACE与对照差异不显著。常氮处理仅在水稻生长初期促进产甲烷菌数,而在其他生长季不同氮肥处理之间无明显差异。总之,常氮处理产甲烷菌数量FACE比对照平均高104%～116%,低氮处理平均高101%～126%,进一步证实大气CO2浓度升高会促进稻田CH4的排放。     

开放式空气CO_2浓度增高对水稻体内不同形态N素含量的影响

利用FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)平台技术,研究了低氮(LN150kg·hm-2)和常氮(NN250kg·hm-2)水平下,大气CO2浓度升高对水稻(OryzasativaL.)体内不同形态N素含量的影响。结果表明,CO2浓度升高促进了水稻茎、穗和根的生长而使水稻的总生物量显著增加;同时显著降低分蘖期根、茎、叶,抽穗期茎和成熟期叶、根中的N含量,而其降低量的50%￣181.8%归因于蛋白态N含量的降低,因此蛋白态N含量的降低是N含量下降的直接原因。此外,CO2浓度升高使整个生育期内水稻不同部位氨基酸态N含量普遍降低,而无机态N含量随生育期和植株部位不同的表现为降低或者升高,这可能是根系的N同化能力改变的结果。还讨论了高浓度CO2条件下水稻组织中蛋白态N含量降低的原因。     

淹水胁迫下枫香光合生理特性对CO2浓度倍增的响应

设置了4个CO2浓度(当前大气CO2浓度(392μmol/mol)、1.25倍当前大气CO2浓度(490μmol/mol)、2倍当前大气CO2浓度(784μmol/mol)和3倍当前大气CO2浓度(1 176μmol/mol)),研究了淹水胁迫中C3植物种子繁殖1年生枫香净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和水分利用效率(WUE)光合生理生态参数对CO2浓度倍增的响应。结果表明:在根部渍水和冠层半淹下,CO2浓度升高至当前大气CO2浓度的1.25倍,2倍,3倍,Pn分别较当前大气CO2浓度下的增大1.1%,1.7%,5.0%;1.1%,3.4%,4.8%;Tr分别降低10.5%,13.9%,42.9%;11.5%,13.2%,20.9%;Gs分别减少58.6%,85.6%,90.7%;33.8%,38.4%,46.8%;WUE分别提高22.2%,46.4%,86.7%;3.7%,15.1%,30.9%。在相同淹水条件下,CO2浓度越高,植物Pn和WUE越大,Tr和Gs越小;同时,Pn在根部渍水条件下对CO2浓度升高的响应较冠层半淹的明显,Tr、Gs与之相反,种子繁殖1年生枫香在冠层半淹下3倍CO2浓度时用水最经济,WUE高达21.29μmolCO2/mmolH2O,说明能够适应富二氧化碳背景下滩地等湿地环境。     

Advances on the Responses of Root Dynamics to Increased Atmospheric CO2 and Global Climate Change

Plant roots dynamics responses to elevated atmospheric CO2 concentration, increased temperature and changed precipitation can be a key link between plant growth and long-term changes in soil organic matter and ecosystem carbon balance. This paper reviews some experiments and hypotheses developed in this area, which mainly include plant fine roots growth, root turnover, root respiration and other root dynamics responses to elevated CO2 and global climate change. Some recent new methods of studying root systems were also discussed and summarized. It holds herein that the assemblage of information about root turnover patterns, root respiration and other dynamic responses to elevated atmospheric CO2 and global climatic change can help to better understand and explore some new research areas. In this paper, some research challenges in the plant root responses to the elevated CO2 and other environmental factors during global climate change were also demonstrated.     

不同CO2浓度对油菜根系特性及叶片硝酸还原酶活性的影响

[目的]探讨不同CO2浓度对油菜根系特性和叶片硝酸还原酶的影响,为确定环境CO2浓度升高对油菜生理及形态的影响提供参考.[方法]不同CO2浓度温棚环境下,采用Hoagland完全营养液砂培法,设CO2浓度、油菜品种两个因子,探讨不同CO2浓度对油菜根系性状和生理特性的影响.[结果]相对于正常CO2浓度(CK),高CO2浓度处理的油菜品种X-2在抽薹期的一级侧根数、根体积、根茎粗分别增加0.43%、34.33%和16.61%,总根长降低33.01%;在盛花期,根体积、根茎粗、总根长和根冠比分别增加18.77%、9.68%、3.88%和3.57%.X-6高CO2浓度处理在抽薹期的一级侧根数、根体积、根茎粗、总根长分别增加19.58%、9.17%、9.87%和21.08%;盛花期根体积、根茎粗和根冠比分别增加1.95%、12.70%和10.52%,一级侧根数和总根长分别降低6.80%.23.37%.与对照相比,高CO2浓度条件下,X-6的根系活跃吸收面积和总吸收面积在抽薹期和盛花期表现为先降低后增加的趋势,X-2则表现为先增加后降低的趋势;抽薹和盛花期X-2根系活力分别增加83.40%和18.67%,而X-6根系活力较对照分别降低12.50%和380.13%;X-2和X-6在抽薹期的NR活性分别降低12.65%和37.71%,在盛花期则分别增高18.59%和10.67%.[结论]不同生育期不同浓度CO2条件下,品种X-2的根系性状表现相对优于X-6,CO2浓度升高利于改善X-2抽薹期和盛花期的根系性状和生理活性;高CO2浓度对不同时期X-6的根系性状和生理活件的影响无明显规律.     

土壤水分与养分对树木细根生物量及生产力的影响

树木细根是吸收水分和养分的重要器官,它的生长、死亡、分解在森林生态系统养分循环中起着重要作用。根系对水分和养分的吸收密切复杂地联系在一起,土壤水分和养分有效性对细根生长与发育影响不同,但细根生长的季节动态与土壤水分的季节动态分布规律一致,增加土壤水分显著增加细根生物量;而增加土壤养分对细根生长变化的影响较复杂,多数研究结果认为随土壤养分的增加,细根生物量增加或减少,低级根的根长和直径普遍增大,比根长减小。水肥耦合处理下的细根生物量显著大于灌溉和施肥处理下的细根生物量,并具有明显的季节规律性;水肥耦合会使细根根长密度增大;细根寿命暂时性缩短或延长等。在分析了不同树种在不同立地条件下细根生长规律及变化原因后,依据研究现状提出将来水肥耦合处理条件下树木根细的研究方向。参56     

Effects of Elevated CO2 Concentration on the Biomasses and Nitrogen Concentrations in the Organs of Sainfoin （Onobrychis viciaefolia Scop.）

In forage grasses, the nitrogen concentration is directly related to the nutritional value. The studies examined the hypothesis that global elevation of CO2 concentration probably affects the biomass, nitrogen （N） concentration, and allocation and distribution patterns in the organs of forage grasses. While sainfoin （Onobrychis viciaefolia Scop.） seedlings grew on a low nutrient soil in closed chambers for 90 days, they were exposed to two CO2 concentrations （ambient or ambient＋350 μmol mol^-1 CO2） without adding nutrients to them. After 90 days exposure to CO2, the biomasses of leaves, stems, and roots, and N concentrations and contents of different parts were measured. Compared with the ambient CO2 concentration, the elevated CO2 concentration increased the total dry matter by 25.07%, mainly due to the root and leaf having positive response to the elevated CO2 concentration. However, the elevated CO2 concentration did not change the proportions of the dry matters in different parts and the total plants compared with the ambient CO2 concentration. The elevated CO2 concentration lowered the N concentrations of the plant parts. Because the dry matter was higher, the elevated CO2 concentration had no effect on the N content in the plants compared to the ambient CO2 concentration. The elevated CO2 concentration promoted N allocations of the different parts significantly and increased N allocation of the underground part. The results have confirmed the previous suggestions that the elevated CO2 concentration stimulates plant biomass production and decreases the N concentrations of the plant parts.     

大兴沙地中11个树种基于根系形态的适应性

通过地上生长量、根系垂直分布和形态特征分析以及系统聚类分析,对11个树种在北京大兴沙地生长的适宜性进行了研究。结果表明:各树种的树高、直径、新梢生长量和相对生长以及根系长度、根系表面积、根系体积和比根长等指标均有极显著的差异(p<0.001)。其中,臭椿(Ailanthus altissima)、楸树(Catalpa bungei)细根分化极强,皂角(Gleditsia sinensis)、圆柏(Sabina chinensis)和栾树(Koelreuteria paniculata)根系分化能力较强,通过较高的土壤资源消耗体现抗旱能力;酸枣(Ziziphus jujuba)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)和沙棘(Hippophae rham-noides)通过降低直径小于2 mm根系分化、提高直径2～5 mm和大于5 mm根系生长和分布深度体现出避旱特性;樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)则通过降低地上和根系生长体现出耐旱特性;果桑(Morus alba L.)和饲料桑(Morus alba L.)对沙地环境的适应性较差。     

离体根呼吸研究及其在原位根呼吸测量中的应用

运用动态根箱方法,室内测量了马尾松和黄果厚壳桂离体根呼吸随离体时间的变化和在不同CO2浓度下根呼吸速率,并用根离体法在野外测量了鼎湖山针阔叶混交林根呼吸速率。结果表明,根离体后呼吸速率迅速下降,离体30 min后根呼吸速率为未离体时的50%左右,细根呼吸速率高于粗根,且下降速率高于粗根;CO2体积浓度在2 500×10-6条件下离体根呼吸速率为在400×10-6浓度下的33%左右。鼎湖山针阔叶混交林根呼吸速率雨季高于旱季,分别为(127±50)、(84±21)mg.m-2.h-1,主要与温度、土壤含水量和植物生长季节有关。     

切根与不同形态氮素对板栗苗木根系构型及生长的影响

为探明不同调控技术对板栗根系构型的影响和对板栗生长发育的作用效果,以期为培育高质量板栗苗木提供科学依据,采用大田板栗苗木为对象进行切根(切根深度分别为12、8、4 cm、CK)及不同形态氮素(尿素、硝酸钠、CK)追肥试验。结果表明:苗高生长量最大的处理为X2N2,地径生长量最大的处理为X4N1,不同处理苗木地径生长量差异性不显著;在同样切根深度的处理下,施用尿素的苗木在根系总根长、总表面积、总体积上均大于施用硝酸钠的苗木,也即NH^+4较NO^-3对板栗苗木根系生长发育具有更好的促进效果;X1N1、X2N1、X2N3处理在不同径级侧根的根长、根表面积、根体积上分别达到最高,差异性显著(P<0.05)。综合考虑苗木根系指标和形态指标,X2N1即切根深度8 cm结合施用尿素为板栗苗木根系的最佳调控处理。     

长白山原始阔叶红松林细根分布及其周转的研究

采用连续土钻分层取样法，对长白山自然保护区中原始阔叶红松林细根的垂直分布、生长和周转进行了研究. 结果表明，在原始阔叶红松林中，细根的平均生物量为827.8 g/m[[sup]]2[[/sup]]；细根在不同土层中的垂直分布符合指数曲线回归方程，大量的细根集中在0～10 cm土层. 通过回归分析发现，细根的垂直分布与土层容重、温度和碳、氮含量存在显著的回归关系（P0.01）. 在原始阔叶红松林中，群落细根的生长高峰发生在7月和10月，但其中主要树种、其他木本和草本的细根有着不同的生长动态，所以在计算细根生产量时应该分类计算，才会得出较为准确的结果. 通过对主要树种、其他木本和草本细根的分类计算，得出原始阔叶红松林中细根年生产量为912.4 g/m2，周转率为每年1.6次.      

CO2体积分数升高条件下森林土壤的碳循环

从CO2体积分数升高对碳在植物地上地下部分的分配的改变、对细根的周转的影响、与土壤呼吸的关系以及对凋落物的分解的影响方面,阐述了影响陆地生态系统碳循环的因素。