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。     

年际环境温度变化驱动水稻产量及其构成对CO2浓度和温度升高的响应差异

大气CO₂浓度([CO₂])和温度升高是未来气候变化的主要情境，阐明水稻产量及其构成对[CO₂]和温度升高的响应，是助力农业生产应对气候变化的重要组成部分。本文基于开放式[CO₂]和温度升高(elevated temperature and CO₂-free air controlled enrichment,T-FACE)试验平台的多年水稻生产数据，探讨了未来[CO₂]和温度升高对水稻产量和产量构成的影响。结果表明：与对照(CT)相比，高[CO₂](C+T)处理提高了水稻有效穗数和结实率，使水稻增产11.1%左右(5年平均)；增温(CT+)1～2℃减少了有效穗数和穗粒数，使水稻产量下降10%～25%；高[CO₂]和增温互作(C+T+)处理使水稻产量下降约10%，即高[CO₂]并未完全抵消温度升高带来的负效应。多年试验数据比较发现，相同处理对产量的影响趋势较为一致，但年际差异明显。随着年际生...     

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。     

土壤酶活性对温度和CO2浓度升高的响应研究

作为土壤生态系统中的重要组成部分及生物元素循环的积极参与者,土壤酶在陆地生态系统地下生态过程中扮演着十分重要的角色。升高温度和(或)大气CO2浓度可能直接或者间接影响其活性。但目前对温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶的影响机理、过程及土壤酶对其的响应机制研究相对薄弱。本文初步总结了国内外关于温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶活性影响研究的现状,并指出了目前研究中存在的不足。     

大气CO2浓度升高对温带森林土壤微生物活性的影响

Microorganisms play a key role in the response of soil ecosystems to the rising atmospheric carbon dioxide (CO2) as they mineralize organic matter and drive nutrient cycling. To assess the effects of elevated CO2 on soil microbial C and N immobilization and on soil enzyme activities, in years 8 (2006) and 9 (2007) of an open-top chamber experiment that begun in spring of 1999, soil was sampled in summer, and microbial biomass and enzyme activity related to the carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) cycling were measured. Although no effects on microbial biomass C were detected, changes in microbial biomass N and metabolic activity involving C, N and P were observed under elevated CO2. Invertase and dehydrogenase activities were significantly enhanced by different degrees of elevated CO2. Nitrifying enzyme activity was significantly (P < 0.01) increased in the August 2006 samples that received the elevated CO2 treatment, as compared to the samples that received the ambient treatment. Denitrifying enzyme activity was significantly (P < 0.04) decreased by elevated CO2 treatments in the August 2006 and June 2007 (P < 0.09) samples. β-N-acetylglucosaminidase activity was increased under elevated CO2 by 7% and 25% in June and August 2006, respectively, compared to those under ambient CO2. The results of June 2006 samples showed that acid phosphatase activity was significantly enhanced under elevated CO2. Overall, these results suggested that elevated CO2 might cause changes in the belowground C, N and P cycling in temperate forest soils.     

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.     

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。     

开放式空气CO2浓度升高对水稻土壤可溶性C、N和P的影响

采用 FACE (Free air carbon dioxide enrichment)技术,研究了不同 N 施肥水平下,大气 CO2浓度升高对水稻/小麦轮作中水稻土壤可溶性 C、N、P 的影响。结果表明,CO2浓度升高使土壤表层可溶性 C 含量增加,土壤 5 ~ 15 cm 的可溶性 C 含量倾向于降低,增加 N 肥施用(常规 N 处理)更易于使土壤可溶性 C 含量降低。CO2浓度升高使水稻土壤中的可溶性 N 含量降低,在低 N 处理和土壤表层降低幅度较大,N 肥施用仍有提高的余地。CO2浓度升高使水稻成熟期土壤可溶性 P 含量增加,但是常规N 处理下会降低水稻生长前期和土壤表层的可溶性 P,增加 N 肥施用有利于水稻对 P 的吸收。     

大气CO2浓度升高对谷子生长发育及玉米螟发生的影响

人类活动导致全球大气CO_2浓度持续升高,研究大气CO_2浓度升高对C4作物谷子(Setaria italica)生长发育及虫害发生的影响,可以为谷子等C4作物制订应对气候变化栽培措施提供理论依据。本研究利用OTC(Open Top Chamber)系统,设两个CO_2浓度梯度(正常大气CO_2浓度、正常CO_2浓度+200μmol·mol-1)模拟CO_2浓度升高对谷子生长发育的影响。结果表明:大气CO_2浓度升高后,谷子净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、叶片蒸腾速率(Tr)和水分利用率(WUE)分别增加38.73%、27.53%、6.93%和40.56%;谷子叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和非光化学淬灭系数(NPQ)显著下降,光系统Ⅱ实际光化学量子产量(ΦPSII)和表观电子传递效率(ETR)显著增加,而对光化学淬灭系数(q P)无显著影响;此外,谷子株高、茎粗和小穗数分别增加3.41%、13.28%和13.11%;而叶重、茎重、千粒重、单株粒数和产量无显著变化,穗重和地上部分生物量分别显著下降12.8%和7.44%;大气CO_2浓度升高后,谷子灌浆期和收获期玉米螟(Ostrinia furnacalis)发生数量显著增加。大气CO_2浓度升高将有利于谷子的生长发育,但会增加玉米螟危害。     

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。     

稻田CH4和N2O排放对大气CO2浓度升高响应的研究进展

大气CO₂浓度升高是全球气候变化的主要驱动力,可直接或间接影响陆地生态系统碳氮循环。阐明稻田生态系统CH₄和N₂O排放对大气CO₂浓度升高的响应及其机制,是农业生产应对全球气候变化的重要组成部分。本文综述了国内外不同大气CO₂浓度升高模拟技术平台条件下稻田CH₄和N₂O排放的响应规律,进一步讨论分析了大气CO₂浓度升高影响CH₄和N₂O排放的相关机制,并展望了今后稻田CH₄和N₂O排放对大气CO₂浓度升高响应的主要研究方向,以期为应对全球气候变化提供理论依据和技术支撑。     

大气CO2浓度和气温升高对藜麦生长及碳氮代谢的影响

为明确大气CO₂浓度升高和气温升高的交互作用对藜麦(Chenopodium quinoa Willd)生长及碳氮代谢的影响机制,在控制气室开展CO₂浓度和温度升高对藜麦的影响研究,设置对照CK(CO₂浓度和温度与室外相同)、EC(CO₂浓度为室外测定值+200μmol·mol^-1,气温与室外测定值相同)、ET(CO₂浓度与室外测定值相同,气温为室外测定值+2℃)、ECT(CO₂浓度为室外测定值+200μmol·mol^-1,气温为室外大气测定值+2℃)共4个处理,对藜麦灌浆期的光合作用、碳氮代谢以及成熟期的形态指标进行测定。结果表明,与对照相比,ET处理使藜麦的单株粒重降低75.73%,而EC处理使藜麦的地上部分生物量增加50.14%,单株粒重增加38.20%;ET处理使藜麦的水分利用效率下降,但EC、ECT处理均提高了藜麦叶片净光合速率和水分利用效率;ET处理使藜麦叶片光合色素含量显著降低,而EC处理使藜麦叶片的...     

大气CO2和O3浓度升高对水稻'汕优63'叶片光合作用的影响

大气CO2浓度升高使水稻光合作用增强,而地表O3浓度增加则相反,但人们对大气CO2和O3浓度同时升高情景下水稻光合作用的响应和适应知之甚少。本文利用新型的自然光气体熏蒸平台,以杂交籼稻‘汕优63’为供试材料,设置室内对照(CK,大气本底浓度,实时模拟室外环境)、高浓度CO2(CO2本底浓度+200μmol·mol-1)、高浓度O3(O3本底浓度的1.6倍)、高浓度CO2+O3 4个处理,于拔节期、抽穗期和灌浆期测定稻叶的主要光合参数。整个布气期间,CO2和O3浓度平均的控制目标完成比(TAR)分别为1.04和1.00。与CK相比,CO2处理使拔节、抽穗和灌浆期净光合速率(Pn)分别增加15%、11%和28%,O3处理使对应生育期Pn分别降低32%、32%和88%,CO2+O3处理对拔节期和抽穗期Pn无显著影响,但成熟期Pn平均下降48%。CO2处理使拔节和抽穗期叶片气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)显著下降,但灌浆期无显著变化;O3处理对各期Gs和Tr的影响明显大于CO2处理,且以灌浆期的降幅最大;CO2+O3处理叶片Gs和Tr的降幅总体上明显低于单独的O3处理。CO2处理或CO2+O3处理叶片胞间CO2浓度(Ci)明显增加,而O3处理叶片Ci的变化相对较小。CO2处理使各期水分利用效率(WUE)增加,而O3处理则呈相反趋势,特别是生长后期。CO2+O3处理叶片拔节期和抽穗期WUE平均增加约15%,但灌浆期因O3的累积伤害,WUE不升反降。以上结果表明,大气CO2浓度升高将使杂交稻‘汕优63’叶片光合能力增强,但地表同步升高的O3浓度则使光合能力削弱并表现出明显的累积伤害,大气CO2和O3浓度同时升高可缓解O3胁迫对‘汕优63’光合作用的负效应。     

CO2浓度升高对番茄苗根系生长及其吲哚乙酸和乙烯含量的影响

A hydroponic experiment was carried out to study the effect of elevated carbon dioxide (CO2) on root growth of tomato seedlings. Compared with the control (350 μL L-1), CO2 enrichment (800 μL L-1) significantly increased the dry matter of both shoot and root, the ratio of root to shoot, total root length, root surface area, root diameter, root volume, and root tip numbers, which are important for forming a strong root system. The elevated CO2 treatment also significantly improved root hair development and elongation, thus enhancing nutrient uptake. Increased indole acetic acid concentration in plant tissues and ethylene release in the elevated CO2 treatment might have resulted in enhanced root growth and root hair development and elongation.     

大气 CO2 浓度升高对水稻氮代谢影响的研究进展

自工业革命以来,大气中浓度不断升高的CO2对C3植物生长发育的影响十分显著。CO2浓度升高条件下,植物光合作用增强,C同化产物增多,C、N代谢的平衡受到影响,植株N代谢发生变化。水稻(Oryza sativa L.)作为世界上最主要的食物来源之一,其N素营养状况的变化必然引起人类食物品质的改变,近年来已成为人们关注的焦点。本文结合气室条件的研究结果,从水稻N吸收和N积累量、N浓度、N代谢相关酶、不同形态的N(主要是蛋白氮)、C/N比、根系含N分泌物以及N与光合适应的关系等方面,重点收集和整理开放式空气中CO2浓度升高(FACE,Free Air Carbon-dioxide Enrichment)条件下水稻对N素的吸收、分配和利用等方面的研究进展,并对有待进一步深入的问题进行了探讨。     

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。     

不同供磷状况下CO2浓度升高对番茄根系生长及养分吸收的影响

采用培养试验研究了磷缺乏与正常供磷条件下,CO₂浓度由350μL/L升高至800μL/L苗期番茄的生物量、根系特征和不同器官N、P、K养分含量的变化。结果表明,无论缺磷与否,CO₂浓度升高均能显著增加番茄地上部及根系的干物质积累量,提高根冠比。在磷缺乏条件下,CO₂浓度升高对番茄根系生长的促进主要表现为增加根系的体积和表面积;而在磷正常供应条件下主要表现为同时增加根体积和分根数,有利于形成强壮的根系。在两种供磷水平下,CO₂浓度升高对番茄各器官的N、P、K含量产生不同的稀释效应,但N、P、K总积累量却随CO₂浓度升高而显著增加;而且CO₂浓度与供P水平对番茄植株的N、P、K积累量具有极显著的正交互效应。     

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。     

CO2浓度对德国平菇生殖生长影响的研究

在人工控制环境条件下研究了CO2浓度对德国平菇生殖生长的影响结果表明，子实体正常分化的CO2浓度上限临界值为100μmol/L；子实体形成后，随着CO2浓度处理水平的升高，显著抑制菌盖扩展生长并促进菌柄伸长生长，为了获得优质高产平菇，环境内CO2浓度应控制在＜35μmol/L范围内。