大气CO_2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响

利用中国唯一的FACE(Free-AirCarbondioxideEnrichment,开放式空气CO2浓度增高)平台,研究大气CO2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响。位于无锡的中国稻麦轮作农田生态系统FACE试验平台于2001年6月开始运行,设有FACE与Ambient(普通空气对照)2个处理,FACE区CO2浓度比Ambient区高200μmol·mol-1,每个处理含低氮与常氮2个氮肥水平。在轮作水稻和小麦各3季之后,发现大气CO2浓度增高下,常氮水平上土壤的NO3--N质量分数降低,NH4+-N质量分数增高;而低氮水平上土壤的NO3--N质量分数增高,NH4+-N质量分数没有显著差异。然后分别在土壤样品中加入NH4+-N,好气培养42d后通过测定土壤中的NO3--N、NO2--N总质量分数来研究土壤的硝化活性。结果显示,不管在CO2浓度增高下还是对照条件下,增加氮肥施用量均增强了土壤的硝化活性;且与对照相比,大气CO2浓度增高在常氮水平上降低了土壤的硝化活性,在低氮水平上却增强了土壤的硝化活性,说明大气CO2浓度增高对农田土壤硝化活性的影响与N肥供应水平有关。

土壤氨氧化细菌对大气CO_2浓度增高的响应

利用FACE(free aircarbondioxideenrichment,开放式空气CO2浓度增高)试验平台,研究大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的数量、优势菌群及其硝化活性的影响。结果表明,大气CO2浓度增高时,土壤氨氧化细菌的数量在常氮水平上趋于减少,而在高氮水平上与对照没有差异。大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的优势菌群也产生明显影响。CO2浓度增高条件下,亚硝化球菌(Nitrosococcussp )和亚硝化弧菌(Nitrosovibriosp )是优势菌属;而在对照条件下,亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp )和亚硝化球菌(Nitrosococcussp )是优势菌属。另外,CO2浓度增高条件下优势菌株的硝化活性也有不同程度的减弱。

稻田水体可溶性有机碳与可溶性氮对大气CO2浓度增高的响应

为了增强对全球变化背景下湿地生态系统碳氮循环的整体认识,采用稻田FACE(Free AirCO2Enrichment)试验(位于江苏省江都市,始于2004年)方法,研究了2006年位于江都市的稻田水体中总有机碳、总氮、可溶性有机碳、可溶性氮的动态变化.结果表明:大气CO2浓度升高显著提高了稻田水体中以上各指标含量(p<0.01),其中各有机碳的增幅均大于相应的氮.与对照相比,FACE田块水体中总有机碳、总氮、可溶性有机碳和可溶性氮分别平均提高了31.2%、25.9%、28.3%和25.6%.不同生育时期各指标含量存在显著差异(p<0.01).上述结果还表明,大气CO2浓度增高不仅会通过富营养化稻田水体来影响水稻安全生产,而且还会提高其中可溶性碳氮含量,进而可能通过田间排水尤其是水稻生长前期暴雨导致的洪涝来增加稻田碳氮向周边水域的输送,从而影响到稻田生态系统的碳氮循环和土壤生产力.

高大气CO_2浓度下氮素对小麦叶片光合能量分配的调节

探讨了施氮量对高大气CO2浓度下小麦功能叶光合能量传递与分配的影响,进而明确氮素对小麦叶片光合作用适应性下调的能量分配调节作用。采用开顶式气室盆栽法,通过测定小麦拔节期和抽穗期不同大气CO2浓度和施氮水平下的叶氮浓度、光合速率-胞间CO2浓度(Pn-Ci)响应曲线和荧光动力学参数,测算光合电子传递速率和分配去向。与在正常CO2浓度(400μmol mol-1)条件下相比,在高大气CO2浓度(760μmol mol-1)下,小麦叶氮浓度显著下降,N200处理(200mg kg-1)叶片抽穗期叶氮浓度的下降幅度较拔节期高335.7%。N200处理较N0处理(0mg kg-1)提高小麦叶片光适应下PSⅡ反应中心最大量子产额(Fv′/Fm′)、光化学效率(ΦPSⅡ)和开放比例(qP),降低非光化学猝灭系数(NPQ)。高大气CO2浓度下,小麦叶片光化学反应的非环式光合电子传递速率(Jc)和Rubisco羧化速率(Vc)显著升高,而光呼吸的非环式光合电子传递速率(Jo)和Rubisco氧化速率(Vo)明显降低;施氮使Jc、Jo、Vc和Vo值均呈上升趋势,而且Jc和Vc达到显著差异。高大气CO2浓度下Jo/Jc和Vo/Vc显著降低,施氮后小麦拔节期叶片Jo/Jc和Vo/Vc降低,但抽穗期Jo/Jc升高而Vo/Vc无明显变化。叶氮浓度与小麦叶片Jc、Jo和Vo均呈显著线性正相关,而且高大气CO2浓度下小麦叶片Jc、Jo和Vo对氮浓度的敏感性降低。高大气CO2浓度下,小麦叶片PSⅡ反应中心开放比例增加,非光化学耗能降低,更多的光合电子进入光化学过程;施氮后使小麦叶氮浓度增加,提高光合能力,改变了能量分配,这是高氮条件下光合作用适应性下调被缓解的一个关键因素。

高大气CO2浓度下氮素对小麦叶片光能利用的影响

关于氮素对高大气CO2浓度下C3植物光合作用适应现象的调节机理已有较为深入的研究,但对其光合作用适应现象的光合能量转化和分配机制缺乏系统分析。该文以大气CO2浓度和施氮量为处理手段,通过测定小麦(Triticum aestivum)抽穗期叶片的光合作用-胞间CO2浓度响应曲线以及荧光动力学参数来测算光合电子传递速率和分配去向,研究了长期高大气CO2浓度下小麦叶片光合电子传递和分配对施氮量的响应。结果表明,与正常大气CO2浓度处理相比,高大气CO2浓度下小麦叶片较多的激发能以热量的形式耗散,增施氮素可使更多的激发能向光化学反应方向的分配,降低光合能量的热耗散速率;大气CO2浓度升高后小麦叶片光化学淬灭系数无明显变化,高氮叶片的非光化学猝灭降低而低氮叶片明显升高,施氮促进PSII反应中心的开放比例,降低光能的热耗散;高大气CO2浓度下高氮叶片通过PSII反应中心的光合电子传递速率(JF)较高,而且参与光呼吸的非环式电子流速率(J0)显著降低,较正常大气CO2浓度处理的高氮叶片下降了88.40%,光合速率增加46.47%;高大气CO2浓度下小麦叶片JF-J0升高而J0/JF显著下降,光呼吸耗能被抑制,更多的光合电子分配至光合还原过程。因此,大气CO2浓度增高条件下,小麦叶片激发能的热耗散速率增加,但增施氮素后小麦叶片PSII反应中心开放比例提高,光化学速率增加,进入PSII反应中心的电子流速率明显升高,光呼吸作用被抑制,光合电子较多地进入光化学过程,这可能是高氮条件下光合作用适应性下调被缓解的一个原因。