陆地生态系统碳氮过程对大气CO_2浓度升高的响应与反馈

大气二氧化碳(CO_2)浓度升高是影响陆地生态系统碳氮循环的主要气候变化因子之一。大气CO_2浓度升高促进植被生长和光合产物积累,进而增加土壤碳库储量。同时,大气CO_2浓度升高引起土壤生物和非生物环境的改变会导致土壤温室气体排放的变化,形成对气候变化的反馈效应。目前,国际上有关大气CO_2浓度升高导致陆地生态系统碳汇效应的增加与其所引起的土壤温室气体排放之间的消长关系并不清楚。深入研究和了解陆地生态系统碳氮循环过程对大气CO_2浓度升高的响应和反馈机制对定量评估全球变化背景下陆地生态系统和土壤的固碳潜力具有十分重要的意义。本文综述了陆地生态系统碳氮循环过程对大气CO_2浓度升高的响应和反馈机制及主要驱动因子,发现大气CO_2浓度升高显著促进植被生物量碳的累积和土壤温室气体排放、增加土壤碳氮库储量,但却明显减少土壤活性氮源的供给。大气CO_2浓度升高可降低旱地CH4吸收汇的功能。大气CO_2浓度升高导致温室气体排放增加的源效应完全抵消土壤的碳汇效应,并且抵消近50%以上的陆地生态系统固碳潜力,且随其在大气中富集强度的增加呈减弱趋势。本文还提出大气CO_2浓度升高条件下影响土壤-大气温室气体交换的主要生物和环境控制因子,为气候变化背景下陆地生态系统的碳平衡估算研究提供重要理论基础。     

大气CO2浓度年际变化及其对农业的影响

选取Scripps海洋研究所(SIO)的大气CO_2观测数据,对比使用三种方法滤去大气CO_2季节变化信号和人类活动对大气CO_2浓度的影响,从而得到其年际变化时间序列,结果表明:18世纪以来,大气CO_2浓度持续上涨,并表现出强烈的季节性震荡,北半球从4月开始大气CO_2浓度显著减小,8月开始逐渐增大。运用三种不同方法均能较好滤去季节变化信号和人类活动对大气CO_2浓度影响,方法一着重研究大气CO_2的年际增长率,但未将二氧化碳本身的季节变化和影响其年际变化的其他因素分离;方法二在先滤去大气CO_2的长期趋势后,着重研究大气CO_2的季节变化规律,在季节变化规律的基础上,得到其年际变化;方法三中认为大气CO_2长期的变化趋势表现为人类活动等引起的稳定三角函数增长,但对于大气CO_2的长期增长趋势,拟合效果较差。大气CO_2浓度增加对农业生产有利有弊,主要包括通过改变绿色植物的光合作用和新陈代谢所导致的直接效应和导致的气候变化所带来的间接效应。     

青海湖南侧土壤CO_2浓度变化特征研究

通过连续6年(2009-2014年)对青海湖南侧不同植被条件下土壤CO_2和空气中CO_2的浓度的定点检测试验,研究了该区土壤CO_2浓度变化特点、规律及其主要影响因素。不同植被相同深度CO_2浓度变化规律:高草地CO_2浓度明显高于裸地;高草地的小时平均浓度是裸地的4.74倍,而且茂密高草地的CO_2浓度的变化曲线更加平缓。温度是影响该区土壤CO_2浓度的主要因素。统计学分析表明,青海湖南侧地区CO_2浓度的变化与温度呈显著的正相关关系(P0.05);并且随着全球CO_2浓度的增加,青海湖南侧地区土壤CO_2浓度仍有持续增加的趋势。     

大气CO_2浓度升高和干旱的交互作用对大豆光合作用的影响

研究大气CO_2浓度升高和水分胁迫对大豆的影响,有助于了解在未来气候条件下,大豆生产的变化,提前采取必要的应对措施。试验利用开顶式气室开展高CO_2浓度(大气CO_2浓度增加200μmol/mol)和干旱条件下大豆光合生理指标变化的研究。结果表明,开花期,大气CO_2浓度升高后,大豆的净光合速率、水分利用率显著增加,干旱条件下增幅明显小于湿润条件下增幅;干旱使大豆叶片PSⅡ有效光量子效率(Fv'/Fm')、电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和PSⅡ光化学有效量子产率(ΦPSⅡ)显著降低,非光化学淬灭系数(NPQ)显著增加;CO_2浓度升高对大豆叶绿素荧光参数影响不显著。未来大气CO_2浓度升高会提高开花期大豆净光合速率和叶片水分利用效率,但对大豆抗旱能力提升效果有限。     

名词解释

温室效应 随着城市的扩大,人口的剧增及工业的飞速发展,由于人类活动向大气中排放的CO_2越来越多。同时随着森林植被大面积破坏,植物光合作用时消耗的CO_2大量减少。这样,大气中CO_2的浓度在迅速增加。目前,地球上CO_2浓度自工业革命     

大气CO_2浓度升高对小白菜生长发育及品质的影响

随着经济发展,人类活动导致大量温室气体排放,使大气CO_2浓度持续升高。小白菜因其富含多种营养元素已逐渐成为人们所青睐的绿色蔬菜之一。研究高CO_2浓度环境中小白菜的生长状况,将有助于了解未来气候变化后小白菜生长发育的变化,为未来气候变化背景下蔬菜生产提供理论依据。利用OTC(Open top chamber)系统对小白菜生长发育及光合受高CO_2浓度的影响进行了研究。结果表明,大气CO_2浓度升高后,小白菜的净光合速率在幼苗期和营养生长期均极显著增加,增幅分别为277.48%和58.76%;气孔导度和蒸腾速率在幼苗期显著增加,而在营养生长期无显著变化;水分利用率在幼苗期和营养生长期均显著增加;单株鲜质量、干质量、叶绿素和类胡萝卜素含量均显著增加,但叶片中的Vc含量显著下降。高CO_2浓度可以提高小白菜的产量,但同时会对其营养品质造成负面影响。     

气候变化对农业生产的影响

近百年来,大气中CO_2含量正以令人不安的速度不断增加,由工业革命前的260—280ppm增至80年代初的340ppm,估计到21世纪中叶CO_2浓度可能较工业化前增加1倍。由于CO_2气体具有“温室”效应,其含量增加很有可能造成全球性的变暖,随之又引起气象水文条件的异常变化。植物需要直接从大气中吸收辐射和CO_2以进行光合作用,其生长发育及产量形成又无时不受气候条件的影响,因此大气中CO_2浓度增加及其引起的气候变化会直接影响到植物生长和农业生产。     

[CO2]升高对粮食作物影响的研究进展

自工业革命以来,由人类活动引起的大气CO_2浓度([CO_2])不断攀升,正驱动着全球气候变化,对全球农业产生重大影响。本文归纳总结了目前作物对高[CO_2]响应的主要研究技术手段,以及作物对高[CO_2]响应的机理研究,并进一步梳理了当前全球关于[CO_2]升高对作物产量和营养品质影响的研究。结果表明:相比封闭式或半封闭式环境控制试验系统,开放式试验系统(如开放式CO_2控制系统FACE)由于其能更加真实地模拟自然条件下作物对未来高[CO_2]的响应和适应情况,被公认为是目前研究作物对高[CO_2]响应的最理想手段。[CO_2]增高会增加C3作物光合速率、生物量和产量,在一定程度上缓解气候变化对农作物产生的负面影响,但是作物对大气[CO_2]的升高存在光合适应现象,当作物长期暴露在高[CO_2]条件下时,高[CO_2]对作物的促进作用会逐渐减缓。近10年的FACE试验发现,对高[CO_2]出现高应答的水稻品种,其光合速率和产量在高[CO_2]下的增加幅度比早期的主要粮食作物FACE试验结果平均高出两倍。此外,高[CO_2]会明显降低大部分非豆科C3作物中蛋白质和矿物质(如锌、铁)以及部分维生素的含量,加剧目前全球约2亿人由于维生素和矿物质元素等营养缺乏导致的健康问题。如何充分利用未来高[CO_2]实现高增产的同时,减缓粮食养分下降的负面影响,是迫切需要解决的科学问题。     

气候变化对我国主要C3作物影响的研究进展

针对当前全球气候变暖的事实,未来大气CO_2浓度升高、气温增加对我国主要粮食作物的生长发育和产量品质等产生影响。从大气CO_2浓度升高、增温2个方面综述了气候变化对C3作物水稻、小麦和大豆的影响研究,并提出了未来的研究方向,为了解未来我国主要粮食作物C3作物的生产状况及保障我国粮食安全提供依据。     

大气二氧化碳浓度增加对农业生产的影响

近年来,美、英等国的不少科学家对大气CO_2浓度的变化及其影响进行了大量的模式试验工作。我国也在这方面作了不少工作。研究成果表明,大气CO_2浓度升高将对农业生产产生较大的影响。 1 大气CO_2浓度的上升趋势 大气中CO_2主要产生于矿物物质、生物物质的燃烧和生物的生命活动。目前,大气CO_2浓度上升主要原因是人类对矿物燃料(石油、煤、天然气等)、生物燃料利用的     

全球环境变化对森林土壤呼吸的影响

森林土壤呼吸是陆地植物固定CO2后又释放CO2返回大气的主要途径,是与全球变化密切相关的一个重要过程.较全面地综述全球变化条件下,全球变暖、CO2浓度上升、N沉降和森林采伐对土壤呼吸的影响.全球增温可能导致土壤向大气中释放更多的CO2,大气CO2浓度的上升将增加土壤中CO2的释放量,同时也将通过提高植被生产力促进土壤的碳吸存.在CO2浓度上升和全球变暖相互作用下,土壤是碳的净"源"还是"汇"尚不完全清楚.N沉降和森林采伐对森林土壤呼吸既有增强作用,也有抑制作用.综合来看,全球变化对森林土壤呼吸的作用仍有很大的不确定性.     

北方冬麦区CO_2浓度增高与氮肥互作对冬小麦生理特性和产量的影响

【目的】阐明CO_2浓度增高与氮肥互作对冬小麦生理和产量的影响,为客观评估气候变化背景下冬小麦生产潜力提供理论依据。【方法】2011—2014年利用开放式CO_2富集系统(FACE)平台,采用盆栽方法,研究冬小麦"中麦175"在不同CO_2浓度及高低氮肥水平下(高浓度CO_2 550 mg·L~(-1)和大气浓度390 mg·L~(-1);高氮N1,0.16 g·kg~(-1)和低氮N0,0 g·kg~(-1))的生育进程、光合特征及产量变化。CO_2富集处理于每年返青-成熟期间进行,通气时间为每日6:30-18:30,夜间不通气。CO_2浓度通过计算机程序控制,并根据具体风向和风速控制释放管电磁阀的开合度,实现预定设置浓度。【结果】盆栽试验表明与大气CO_2浓度相比,高浓度CO_2加快了冬小麦生育进程,拔节期提前1d,开花期可提前1-2 d,全生育期可缩短3-5 d,高氮肥处理对生育进程具有延迟作用,开花期延长1-2 d,灌浆期可延长4-5 d,同步缓解高浓度CO_2对生育进程的加快作用;高浓度CO_2使叶片光合速率提高13.7%,产量平均提高16.0%,且在高氮肥下光合速率的增幅比低氮肥相对提高2.5%,蒸腾速率提高13.5%;试验中单独高氮较低氮的增产效果达到50%,高于单独高浓度CO_2较大气浓度的增产效果;高浓度CO_2对产量构成中穗粒数和千粒重提高明显,高浓度CO_2较大气浓度穗粒数增加3.69%,单独高氮处理较低氮处理平均穗粒数增加3.43%,即CO_2肥效起到了增加穗粒数的作用并略高于单独氮肥处理,高氮和高CO_2双重促进下的穗粒数最多,达到38.37粒/穗,低氮和低CO_2处理的穗粒数水平最低,可见CO_2和氮肥互作对穗粒数的促进相对更明显,各自单独施用的促进作用彼此差异不大,但低氮、大气CO_2浓度处理的穗粒数则相对较低;与大气CO_2浓度相比,高浓度CO_2的千粒重增加5.3%,高氮高浓度CO_2处理的千粒重大约提高7.3%,说明氮肥的施用促进了高浓度CO_2对千粒重的提升效果。【结论】高浓度CO_2可提高冬小麦产量,且与氮肥有明显的正向互作关系,高氮肥处理可降低CO_2浓度升高对生育期的加快作用,提高光合能力,促进CO_2肥效的发挥;CO_2对冬小麦产量的提高主要是缘于CO_2浓度升高有利于穗粒数和千粒重的增加,育种中可以做综合性考虑和应用。     

气候变化的农业气候后果

全球气候变化对人类活动,尤其是对农业生产的影响,已引起国际上极大的关注。各国政府把保护气候列入重要议事日程。 全球气候变化和人类活动引起的大气中CO_2浓度的增加会产生什么样的农业气候后果,怎样评价对农业生产的影响。据美苏等国专家的研究,可从以下四个方面进行评     

大气CO_2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N_2O排放的影响

【目的】研究大气CO_2浓度和温度升高条件下稻麦轮作生态系统N_2O排放的响应规律,以期科学评估未来气候变化情境下,CO_2浓度和温度升高对稻麦轮作生态系统N_2O排放的影响,为中国应对未来气候变化提供数据支持。【方法】依托同步模拟自由大气CO_2浓度升高和温度升高的T-FACE试验平台,设置本底大气CO_2浓度和温度(Ambient)、500μmol·mol~(-1) CO_2+本底大气温度(C)、本底大气CO_2浓度+温度增加2℃(T)和500μmol·mol-1 CO_2+温度增加2℃(C+T)等4个处理。采用静态暗箱-气相色谱法原位观测稻麦轮作生态系统N_2O排放通量,研究稻麦轮作生态系统N_2O排放对大气CO_2浓度和温度升高的响应规律。【结果】(1)CO_2浓度升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著增加9.7%、11.3%和5.6%、5.7%(P0.05);温度升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著减少21.1%、18.0%和31.6%、17.7%(P0.05);CO_2浓度和温度的同步升高使水稻和小麦生物量和产量分别显著降低13.5%、8.7%和26.0%、10.3%(P0.05)。(2)CO_2浓度和温度升高,均未改变稻麦轮作系统N_2O的季节排放模式。CO_2浓度升高条件下,水稻季和小麦季N_2O排放分别增加15.2%和39.9%,其中后者达显著水平(P0.05);温度升高未显著影响水稻季N_2O排放,但显著增加小麦季N_2O排放20.5%(P0.05);CO_2浓度和温度同步升高对水稻季N_2O排放的影响存在较大的年际差异,但总体上有促进N_2O排放的趋势;CO_2浓度和温度同步升高极显著增加小麦季N_2O排放(46.0%,P0.01)。(3)小麦季N_2O排放与小麦生物量密切相关,在CO_2浓度和温度升高条件下,小麦季N_2O排放与小麦地下部生物量和ΔSOC之间具有显著的正相关关系。(4)与对照组相比,CO_2浓度升高、温度升高以及两者的共同作用,分别导致稻麦轮作系统单位产量的N_2O排放强度(GHGI)分别增加29.1%、66.3%和81.8%,其中温度升高和CO_2浓度和温度同步升高处理达显著水平(P0.05)。【结论】CO_2浓度升高和温度升高均未改变稻麦轮作生态系统N_2O的季节排放模式。CO_2浓度升高导致稻麦轮作系统N_2O排放显著增加;温度升高显著增加小麦季N_2O排放,但未显著影响水稻季N_2O排放。CO_2浓度和温度升高导致稻麦轮作系统温室气体排放强度增加,各处理条件下温室气体排放强度的响应从大小依次为:C+TTC。可见,在未来CO_2浓度和温度升高情境下,为保证现有粮食供应水平不变,由稻麦生产所导致的N_2O排放强度变化可能会进一步加剧气候变化进程。     

高大气CO2浓度下遮阴对小麦叶片气孔特性及光合特性的影响

以高大气CO_2浓度和遮阴为处理手段,研究高大气CO_2浓度和遮阴对小麦叶片光合生理的影响。结果表明,与全光照相比,遮阴使小麦叶片的气孔长度增加了22.93%和10.23%,而气孔宽度减小了30.00%和30.22%,气孔面积降低了17.99%和18.11%,周长增加了16.80%和6.85%,气孔密度降低了6.61%和23.78%,气孔指数降低了5.99%和14.23%。与正常大气CO_2浓度相比,高大气CO_2浓度使小麦叶片的气孔面积增加了1.91%和1.95%,使全光照处理的小麦叶片的气孔密度降低了14.33%;使遮阴处理的小麦叶片的气孔密度增加了5.00%。与全光照相比,遮阴使小麦叶片的气孔导度和蒸腾速率降低了56.11%、53.21%和40.57%、49.27%,而光合速率没有得到提高,这可能是小麦叶片对高大气CO_2浓度发生了"光适应"。与正常大气CO_2浓度相比,高大气CO_2浓度降低了小麦叶片的气孔导度。小麦叶片的气孔长度和宽度与光合速率有显著相关性。     

干旱与大气CO_2倍增对土壤微生物量及活性的影响

全球气候变化可能会对土壤生态系统产生潜在的影响,通过室内培育试验,设置了3种土壤水分梯度(土壤体积含水率为80%、60%、40%)、2种大气CO_2浓度(350、700μg/L)、2种土壤使用状况(裸土、种植大豆土壤),对土壤微生物量及活性的变化进行研究。结果表明,干旱胁迫使土壤微生物生物量碳量(MBC)含量极显著降低。重度干旱时,植物碳输入会加剧干旱对土壤生态系统的胁迫。大气CO_2倍增对土壤MBC量显著不影响。干旱胁迫导致土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性极显著降低。大气CO_2倍增能够极显著促进土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性,这可能会加速土壤有机质的降解,加快土壤碳库周转速率,对大气CO_2增加起到正反馈作用。干旱与CO_2倍增交互作用对土壤MBC和酶活均显著不影响,但在种植大豆的土壤中交互作用对蔗糖酶活性有一定影响。     

大气CO_2浓度升高对大豆光合生理的影响

绿色植物进行光合作用离不开CO_2,其浓度的高低对植物的生长发育会产生一定的影响。大豆是我国及世界主要的粮食作物之一,开展大气CO_2浓度升高对大豆影响的研究,将为CO_2浓度升高条件下,大豆生产如何响应高浓度CO_2提供理论依据。利用开顶式气室(OTC)进行了CO_2浓度升高对大豆主要发育期叶片光合及叶绿素荧光影响的研究。结果表明,大气CO_2浓度升高使大豆净光合速率增加,气孔导度和蒸腾速率均下降,水分利用效率增加。大气CO_2浓度升高对大豆的叶绿素荧光参数的影响因生育期不同而有所差异,开花期,大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、光系统Ⅱ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、非光化学淬灭系数(NPQ)和光化学淬灭系统(q P)均无显著变化;在鼓粒期,大豆叶片光系统Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)和非光化学淬灭系数(NPQ)均比对照明显降低,光系统Ⅱ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)和光化学淬灭系数(q P)均比对照显著增加。     

CO_2施肥与植物生长

<正> 引言早在1804年,Desaussure就提出了高浓度CO_2下豌豆比自然环境下的生长得好。Brown(1902)和Cumming(1918)等人指出,约1000ppm的CO_2能提高作物产量。此后,有关文献渐增。特别是七十年代后,人们普遍认识到自工业化革命以来,大气中的CO_2浓度已明显增加,并以每年大于1ppm的速率继续增加。CO_2浓度的增加,必然会对各类植物的生长产生影响,进而影响全球农作物、园艺作物的产量、植物种的分布、植物群落的构成和演替等。到1982年5月,130多名国际知名科学家会集雅典,举行了有关CO_2对植物影响的首届学术会议。这次会议广泛回顾和评论了碳代谢,生理效应,植物生长发育,     

三叶半夏在不同CO_2浓度下的光合特征研究

为了研究半夏在不同CO_2浓度下的光合特征,本研究利用Li-6400便携式光合仪测定了半夏的CO_2响应曲线,分析了净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)、胞间CO_2浓度(Ci)等随CO_2浓度变化趋势。结果显示,半夏在环境CO_2浓度为600μmol mol~(-1)以下时,会因为气孔关闭而使得Ci迅速下降;CO_2浓度超过600μmol mol-1时,净光合速率增加并不明显。本研究表明在半夏种植过程中,大气中的CO_2完全能满足半夏的光合作用需求,不必增加CO_2浓度。     

全球变化研究热点——碳循环

40多年来,全世界的科研工作者已经在碳循环领域的各个方面做了大量的工作.本文总结了全球碳循环研究的最新进展,着重介绍了大气CO2浓度的变化及增长趋势,陆地生态系统和海洋对于大气CO2浓度变化及由此而引起的气候变化的反馈及其研究现状.同时,对许多固碳措施和技术方法也作了阐述.目前全球碳循环研究已经达到了系统集成的高度,因此集成研究将是21世纪碳循环研究的发展趋势.