水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO_(2)浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO_(2)的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,未来大气CO_(2)浓度升高情景下(elevatedCO_(2),eCO_(2)),水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。依托中国FACE(FreeAir CO_(2) Enrichment)水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)和高通量测序技术,研究未来大气CO_(2)浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。结果表明:与常规大气CO_(2)浓度(ambient CO_(2),aCO_(2))相比,eCO_(2)条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1)增加至302 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1),增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1倍~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO_(2)升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%~11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。综上所述:未来大气CO_(2)升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。

大气CO_(2)浓度升高背景下优化施氮对淹水稻田CH4排放的影响

为探讨未来气候变化条件下,合理管理氮肥以充分协调水稻产量与温室气体排放量之间的矛盾,实现低碳排放并保持水稻产量,本研究探讨了大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)与氮肥减施40%对淹水稻田水稻生产及CH4排放的影响及机理。利用开顶式气室(OTC)组成的CO_(2)浓度自动调控平台设置4个处理,即环境CO_(2)浓度+施氮250 kg·hm^(-2)(CK)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮250 kg·hm^(-2)(C+)、环境CO_(2)浓度+施氮150 kg·hm^(-2)(N-)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮150 kg·hm^(-2)(C+N-),分析了稻田CH4累积排放量(CAC)、水稻生物量及产量、土壤理化性质及酶活性等指标。结果表明:与CK处理相比,C+处理使CAC/产量显著提高了16.93%,N-处理使CAC/产量显著降低了13.33%,C+N-处理使CAC/产量降低了7.89%,但不显著;N-处理在一定程度上削弱了C+处理对CAC、CAC/产量、水稻生物量、土壤可溶性有机碳含量的促进作用;逐步回归分析表明,基于可溶性有机碳和硝态氮含量及土壤脲酶活性的线性模型,可解释稻田CH4累积排放64%的变异。综上,在大气CO_(2)浓度升高条件下,氮肥减施可通过影响土壤碳、氮基质及土壤脲酶活性来调节稻田CH4排放。

大气CO_(2)浓度升高和温升对水稻纹枯病侵染后的相关蛋白和防御酶的影响

纹枯病(sheath blight)作为一种土传病害,其发生和发展严重威胁到水稻(Oryza sativa L.)的生产。目前,大气CO_(2)浓度([CO_(2)])和温度升高如何影响感病植株内病程相关蛋白(pathogenesis related proteins,PR蛋白)和防御酶尚不清楚。本研究以纹枯病易感品种(Lemont)和抗性品种(YSBR1)为实验材料,利用田间开放式自由大气[CO_(2)]和温度升高(T-FACE)平台设置四个处理:对照、[CO_(2)]升高([CO_(2)]升高至590μmol·mol^(-1))、温升(冠层温度升高2℃)及[CO_(2)]升高和温升交互,通过人工接种Rhizoctonia.solani,探究不同抗性品种叶片和茎鞘PR蛋白与防御酶活性,以及土壤基本理化性状的响应。研究结果表明:高[CO_(2)]和温升下耕作土制成的土壤浸提液培养基中R.solani生长速率无显著差异,接种R.solani后病斑发展速率与土壤基本理化性状无关。水稻植株感病后,两个品种叶片和茎鞘中PR蛋白和相关防御酶表现出明显差异,且在高[CO_(2)]和温升条件下,该差异进一步增大。对于茎鞘中的PR蛋白和防御酶,高[CO_(2)]和温升交互处理明显增加Lemont和YSBR1茎鞘中过氧化氢酶(CAT)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、β-1,3-葡聚糖酶(GLU)和超氧化物歧化酶(SOD)活性。对于两个水稻品种,当R.solani入侵后,在各处理下,YSBR1叶片中PR蛋白和相关防御酶以及茎鞘中SOD和CAT活性均显著高于Lemont,且YSBR1病斑发展速率显著低于Lemont。在整个发病过程中,温升处理及其与高[CO_(2)]互作处理均显著增加易感品种Lemont的病斑发展速率(增加了21%~45%),而对抗性品种YSBR1的病斑发展速率无显著影响。相关性分析结果表明,各处理下Lemont和YSBR1植株纹枯病病斑的发展速率均与其茎鞘中GLU活性存在显著正相关。因而,在R.solani侵染后,抗病品种中较高的PR蛋白和防御酶活性形成的防卫反应,能够有效减轻未来高[CO_(2)]和温升条件对纹枯病病斑发展速度的影响。研究结果对选育纹枯病抗性品种来适应未来气候变化背景下的水稻生产提供重要的借鉴意义。

COVID-19背景下上海大气CO_(2)浓度特征及潜在源分析

基于2021年4月~2022年12月上海中心大厦(上海站)的CO_(2)浓度观测记录,研究了上海大气CO_(2)浓度特征和影响因素,重点分析台风“烟花”登陆期、春节期间和COVID-19疫情封控期的CO_(2)浓度差异.结果表明:上海站大气CO_(2)日变化特征均呈现双峰型(11:00LT和17:00LT),与当地人为活动高峰时段对应.工作日CO_(2)浓度高于周末,浓度差异主要出现在03:00~05:00LT以及早高峰时刻.在4~9月,大气CO_(2)浓度较低,最低值出现在7月((423.42±0.05)×10^(-6)),最高值出现在12月((445.94±0.27)×10^(-6)).台风“烟花”登陆期间,由于降水和强局地风的影响,大气CO_(2)浓度被稀释.春节和疫情封控期间,人为活动影响的减弱显著降低了大气CO_(2)浓度.地面风分析,后向轨迹聚类和潜在源贡献函数(WPSCF)分析表明,来自海洋方向的气团对上海城区大气CO_(2)浓度有稀释作用,上海站西部的安徽,江苏,湖北和浙江等地区的城市交通及工业等人为排放对上海上空大气CO_(2)有明显影响.

延长油田CO_(2)大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO_(2)浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO_(2)大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO_(2)驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明:随着风速的不断增加,CO_(2)云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO_(2)云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO_(2)云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO_(2)云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO_(2)云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环境、裂缝发育方向、“注气”优势方向和近地表植被高度,确定监测点位布局:方向上为北东—南西向;平面上为距离井口下风向15 m;纵向上为采样高度50 cm。CO_(2)浓度大气监测点的监测结果表明并未发生泄漏。

珠江三角洲地区大气CO_(2)浓度特征及地面风的作用

利用光腔衰荡光谱(CRDS)技术在线观测了广州番禺大气成分站(GPACS)的大气CO_(2)浓度特征,分析了地面风对CO_(2)的作用。结果表明:(1)大气CO_(2)在珠江三角洲地区存在明显的地域不均匀特征,2014—2016年期间GPACS的年均本底浓度比全球背景地区平均增加了22.5×10-6(22.5 ppm);(2)大气CO_(2)浓度在春季最高,冬、秋季次之,夏季最低,年均值为426.64±15.76 ppm;(3) CO_(2)的日变化为双峰结构,峰值分别在05:00—07:00和21:00—22:00,谷值在13:00—15:00,表明受到了自然过程以及人为排放源的复合影响;(4)风场显著影响CO_(2)的浓度分布,春、夏季CO_(2)浓度距平日变化与地面风速为显著负相关,秋、冬季则为显著正相关。在春、夏季,S-WSW和NNE-N风向上CO_(2)浓度较低,在秋、冬季,SSE-S和N方向均导致CO_(2)浓度下降。NW和NE-ENE风向在四季中均能提升CO_(2)浓度,其中NW-NNW和NNE-ENE为弱的CO_(2)源区,分别贡献了0.42 ppm和0.32 ppm的CO_(2)浓度。

稻田亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化对大气CO_(2)浓度缓增的响应

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)是控制稻田甲烷排放的一种新途径,但有关其对大气CO_(2)升高的响应尚不清楚。依托开顶式气室组成的CO_(2)浓度自动调控平台,设置环境CO_(2)浓度处理(CK)和CO_(2)缓增处理(EC:每年增加40μL·L^(–1),至采样时CO_(2)浓度为CK+160μL·L^(–1))。采用稳定性同位素示踪、定量PCR和高通量测序等手段,分析不同CO_(2)处理下水稻关键生育期(分蘖期、拔节期和开花期)稻田n-damo活性及其功能微生物Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)-like细菌的丰度、多样性和群落组成。结果发现,供试土壤中n-damo活性为0.31~5.09 nmol CO_(2)g^(–1)·d^(–1),M.oxyfera-like细菌丰度为7.51×10^(6)~5.49×10^(7)copies·g^(–1)。CO_(2)缓增一定程度上刺激了土壤中n-damo活性以及M.oxyfera-like细菌丰度,且在拔节期达到显著性水平:活性和丰度分别增加了137.9%和96.0%。同时还使M.oxyfera-like细菌的群落组成发生显著改变,并影响其多样性。EC处理下土壤可溶性有机碳含量和无机氮含量的改变很可能是导致n-damo活性及M.oxyfera-like细菌群落结构发生变化的重要原因。综上,稻田n-damo过程对大气CO_(2)浓度缓增具有正响应。

大气CO_(2)浓度升高对长江中下游地区水稻灌溉需水量的影响

利用1981—2013年长江中下游地区127个气象站的观测资料与历史大气CO_(2)浓度数据,对考虑和不考虑大气CO_(2)浓度变化的水稻需水量进行模拟,分析了大气CO_(2)浓度上升对长江中下游地区水稻需水量的影响。结果表明:不考虑大气CO_(2)浓度时,长江中下游地区水稻需水量多年平均值为400.16 mm,空间分布具有明显差异;考虑大气CO_(2)浓度会使水稻需水量比未考虑大气CO_(2)浓度时平均下降1.6%左右;大气CO_(2)浓度每上升1μmol/mol,研究区水稻需水量平均下降0.071 mm;各子流域的灌溉需水量因有效降水量不同而具有一定差异,考虑大气CO_(2)浓度变化时,长江中下游地区水稻年需补充灌溉总量减少4.24 km^(3)。

大气CO_(2)浓度升高对黑土有机碳稳定性的影响

【目的】阐明大气CO_(2)浓度升高对黑土有机碳稳定性的影响,为黑土碳中和应对气候变化提供理论依据。【方法】以黑土为研究对象,依托中国科学院海伦农业生态试验站长期定位模拟气候变化开顶箱(OTC)试验平台,设2个处理,分别为对照处理(CK,CO_(2)浓度400μmol/mol)和CO_(2)浓度升高处理(eCO_(2),CO_(2)浓度700μmol/mol),采用13C同位素示踪法,研究大气CO_(2)浓度升高对黑土及不同粒级团聚体有机碳稳定性的影响,并对土壤有机碳含量与更新率和半衰期进行相关分析。【结果】与CK相比,eCO_(2)处理使>0.25 mm粒级团聚体含量显著增加11.09%(P<0.05,下同),0.25~0.053 mm粒级团聚体含量显著减少23.85%,提升团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD);大气CO_(2)浓度升高使>0.25 mm粒级团聚体有机碳显著增加11.61%,0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳含量显著减少8.72%,全土及<0.053 mm粒级团聚体有机碳含量无显著变化(P>0.05,下同)。13C丰度随着粒级减小而依次增大,且CO_(2)浓度升高使全土及各个粒级团聚体的13C丰度均显著降低,全土、>0.25 mm粒级及0.25~0.053 mm粒级团聚体的更新率分别显著增加34.62%、21.60%和57.22%,半衰期依次显著降低34.61%、19.63%和36.84%,<0.053 mm粒级团聚体更新率和半衰期未发生显著变化;更新率与全土和>0.25 mm团聚体有机碳含量呈显著正相关,半衰期与全土和>0.25 mm团聚体有机碳含量呈显著负相关。【结论】大气CO_(2)浓度升高对黑土有机碳含量影响不显著,但使大团聚体结构稳定性和有机碳含量增加,加快全土和大团聚体有机碳更新周转,有利于提升黑土肥力。

百年尺度不同区域地表气温对CO_(2)浓度非均匀动态分布敏感度的研究

地球系统模式结果表明大气CO_(2)浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明,大气CO_(2)浓度并非均一的,而是有明显的区域差异,以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO_(2)的敏感度,需要进一步深入系统的研究,利用地球系统模式BNU-ESM(Earth System Model of Beijing Normal University)进行数值模拟,并与观测数据进行比较,结果表明:在试验模拟结果2°C阈值内,非均匀CO_(2)浓度试验的CO_(2)浓度增加阈值范围小于均匀CO_(2)浓度试验结果,偏少约为4.3 ppm(106)。在区域尺度上,中国地表气温对CO_(2)敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平,这表明CO_(2)浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异,很可能是CO_(2)浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果,这需要进一步研究。非均匀CO_(2)浓度对地表气温敏感度影响将会对碳中和目标下未来碳汇潜力精准估算提供科学支持。

大气CO_(2)浓度升高和干旱互作对谷子光合及抗旱生理特性的影响

为明确谷子光合作用以及抗旱生理过程对高大气CO_(2)浓度和干旱交互作用的响应机制,在开顶式气室中(OTC)开展大气CO_(2)浓度和干旱交互对谷子影响的研究。设置两个CO_(2)浓度:环境CO_(2)浓度(400μmol·mol^(-1))和高CO_(2)浓度(600μmol·mol^(-1));两个水分处理:正常水分(70%~80%田间持水量)和干旱(45%~55%田间持水量),对高CO_(2)浓度和干旱互作下谷子光合气体交换参数、荧光动力学参数及抗旱相关生理指标的变化进行了研究。结果表明:高CO_(2)浓度可降低干旱条件下光合色素含量,加剧孕穗期谷子气孔关闭,减轻灌浆期干旱对谷子净光合速率的负效应并增加其水分利用效率。孕穗期高CO_(2)处理使正常水分处理下谷子气孔导度下降66.7%,而干旱处理下减少77.7%;灌浆期高CO_(2)使正常水分处理和干旱处理下谷子净光合速率分别增加19.0%和87.7%,水分利用效率增加37.1%和39.2%。干旱处理显著降低谷子除非光化学淬灭系数(NPQ)以外所有荧光动力学参数值,灌浆期高CO_(2)能缓解该作用。高CO_(2)处理显著减少纤维素含量和正常水分处理下过氧化物酶活性。干旱极显著升高POD活性(高CO_(2)浓度)及脯氨酸含量、可溶性总糖、淀粉含量(环境CO_(2)浓度)和纤维素含量(高CO_(2)浓度)。因此CO_(2)浓度升高能够改善谷子的PSⅡ光化学效率和提高抗氧化酶活性来增强谷子的抗旱性。

大气CO_(2)浓度升高和氮肥互作对玉米花后功能叶碳氮同化物的影响

在常规大气CO_(2)浓度(aCO_(2),400±15μmol·mol^(−1))和高CO_(2)浓度(eCO_(2),550±20μmol·mol^(−1))下分别设置无氮(ZN)和施氮(CN,180kg N·hm^(−2))2个氮水平的交互处理,以夏玉米品种郑单958为供试材料开展田间试验,测定花后功能叶碳同化物(可溶性糖和淀粉、总碳)动态和氮吸收及同化物组分(硝态氮、游离氨基酸、可溶性蛋白、非溶性氮化合物细胞壁氮素和类囊体氮素、总氮)动态以及碳氮比动态的变化及玉米产量,以探究CO_(2)浓度升高和氮肥交互作用下,以玉米为代表的C4作物花后功能叶不同组分碳氮同化物质量分数及动态和产量的变化,以期为全球气候变化下玉米生理过程的变化提供理论支撑,同时为玉米作物模型调参提供实证数据。结果表明:(1)本试验条件下,大气CO_(2)浓度升高对夏玉米生物量及产量的作用不显著。(2)eCO_(2)下夏玉米花后功能叶主要碳同化产物(可溶性糖和淀粉)和总碳的质量分数显著(P<0.05)增加,功能叶中氮同化物中简单组分(硝态氮、游离氨基酸及可溶性蛋白)质量分数和碳氮比、地上部生物量、产量也有一定增加,但未达显著水平;而氮同化物中的结构氮组分(如细胞壁氮和类囊体氮)质量分数显著降低,总氮也有一定降低趋势,显示出后期结构氮组分合成有一定不足。(3)氮肥施用显著增加了花后功能叶碳同化物(如可溶性糖和大部分时期淀粉)及各种氮同化物的质量分数和生物量及产量,对总碳的增加作用不显著。(4)eCO_(2)下合理施用氮肥,会使地上部生物量、产量、功能叶中简单碳同化物可溶性糖、简单氮同化物指标(硝态氮、游离氨基酸和可溶性蛋白)和总碳质量分数达到较优。因此,在未来大气CO_(2)浓度升高为特征之一的气候变化背景下,氮素合成的生理调控管理对促进碳氮代谢及玉米高产优质有积极作用。

高分五号卫星GMI大气CO_(2)反演方法

二氧化碳(CO_(2))是大气中重要的温室气体,准确掌握大气CO_(2)的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持。为满足气候研究的需求,卫星观测大气CO_(2)柱平均干空气混合比(XCO_(2))的反演精度需优于1%。搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪GMI (Greenhouse gases monitoring instrument)采用新型的空间外差光谱技术,具有超高光谱分辨率。由于超分辨率卫星观测光谱面临着大气、地表和仪器的综合影响,故根据GMI仪器特征设计了针对性的反演方法,通过光谱信息含量的分析,构建出用于大气CO_(2)反演的信息谱以及用于背景扣除的参考谱,以此重建观测数据和模拟数据,并采用最优化估计法反演大气XCO_(2)。该方法具备缓变背景扣除功能,可解决空间外差干涉型光谱的大气CO_(2)反演问题。利用该反演方法对2018年8月至2019年3月的GMI观测数据开展反演,并采用碳总量观测网12个站点的地面大气CO_(2)测量结果进行验证。验证结果表明该反演方法可稳定实现GMI卫星观测数据的反演,且GMI大气XCO_(2)反演精度为0.67%,优于1%的应用需求。

秸秆还田下大气CO_(2)浓度升高对水稻生长和CH4排放的影响

【目的】明确秸秆还田下大气CO_(2)浓度升高对水稻生长和稻田CH_(4)排放的影响,为气候变化下温室气体排放评估和丰产低碳的稻作技术创新提供理论参考和科学依据。【方法】利用开顶式气室(Open top chamber,OTC)进行田间试验,设置两个CO_(2)浓度处理,分别为正常大气CO_(2)浓度处理(简称aCO_(2),CO_(2)浓度约为0.04%)和大气CO_(2)浓度升高处理(简称eCO_(2),CO_(2)浓度约为0.055%),每个处理的田块混入等量的前茬小麦秸秆,探明秸秆还田下大气CO_(2)浓度升高对水稻产量等生长特性、稻田CH_(4)排放及微生物丰度的影响,揭示秸秆还田下大气CO_(2)浓度升高对CH_(4)排放的影响机制。【结果】大气CO_(2)浓度升高显著促进水稻的生长,使剑叶叶面积增加25.0%,地上生物量增加22.0%,产量提高29.0%。大气CO_(2)浓度升高显著增加了穗数、结实率和千粒重,但对穗粒数影响不显著。秸秆还田下,大气CO_(2)浓度升高有降低稻田CH_(4)排放的趋势,使单位产量CH_(4)排放量降低了39.4%。大气CO_(2)浓度升高使土壤甲烷氧化关键基因pmoA的拷贝数增加了20.0%,但对甲烷产生关键基因mcrA的拷贝数影响较小。【结论】秸秆还田条件下,未来大气CO_(2)浓度升高不仅提高了水稻产量,而且有利于减少稻田温室气体CH_(4)的排放。

大气CO_(2)浓度缓增对稻田土壤甲烷氧化过程的影响

微生物介导的甲烷好氧氧化,对控制稻田甲烷排放起着重要作用。本文从基因、群落、活性等多个层次上解析CO_(2)浓度缓增对稻田土壤甲烷好氧氧化过程的影响及其作用机理。依托于田间CO_(2)浓度自动调控平台,在背景CO_(2)浓度(AC)基础上,设置了CO_(2)浓度缓增处理(每年增加40μL·L^(-1),持续4年)(EC)。采用室内泥浆培养以及高通量测序和定量PCR技术,对不同CO_(2)处理下水稻关键生育期(分蘖期、拔节期、扬花期和乳熟期)土壤中的甲烷氧化潜势及其功能微生物的丰度和群落结构进行了系统研究。结果表明:大气CO_(2)浓度升高促进了稻田甲烷氧化潜势和甲烷氧化菌丰度的增加;CO_(2)浓度升高还使得土壤中甲烷氧化菌的群落结构发生了显著变化,其优势菌从Ⅱ型菌转变为Ⅰ型菌。CO_(2)浓度升高所致的土壤中甲烷、氧气浓度以及氮素水平等的改变很可能对稻田甲烷氧化过程产生了重要影响。综合本研究发现,稻田甲烷氧化过程对大气CO_(2)浓度缓增具有积极的响应作用,这对全球气候变暖有一定的缓解作用。

CO_(2)浓度升高和有机肥-化肥施用对水稻光合作用、抗氧化酶活性和重金属含量的影响

依托中国水稻FACE平台(Free air CO_(2)enrichment),研究了化肥和50%有机肥等氮替代化肥2种施肥方式下,大气CO_(2)浓度升高(环境大气+200μmol/mol)对水稻光合作用、抗氧化酶活性以及铜和锌吸收的影响。结果表明,单独大气CO_(2)浓度升高显著增加了抽穗期水稻叶片的净光合速率、丙二醛含量和成熟期水稻子粒中锌含量,但显著降低了抽穗期水稻叶片气孔导度和抗氧化酶活性。50%有机肥等氮替代化肥处理下,对比正常大气CO_(2)浓度,大气CO_(2)浓度升高显著增加了过氧化物酶活性,但降低了水稻叶片气孔导度和蒸腾速率、丙二醛含量和水稻子粒中铜和锌含量。因此,50%有机肥等氮替代化肥有助于提高水稻对CO_(2)浓度升高的适应性。

大气CO_(2)浓度升高对土壤Cd污染刺槐幼苗根围土壤黄酮含量的影响

【目的】探究CO_(2)浓度升高与Cd污染耦合对刺槐幼苗根围土壤黄酮积累的影响,为重金属污染土壤的植物修复、矿区植被恢复及场地污染修复提供参考。【方法】先将供试土壤用CdSO_(4)·8H_(2)O处理,使土壤中Cd含量分别为0,0.45,4.5 mg/kg,放置暗处平衡5个月后,将Cd处理的土壤装盆,以刺槐幼苗为材料,采用盆栽试验,研究大气CO_(2)浓度和高浓度CO_(2)处理45,90,135 d后根围土壤及茎干、根系的总黄酮、槲皮素以及茎干和根系C、N、Cd含量,分析根围土壤总黄酮与茎干和根系总黄酮、C、N、Cd含量和C/N的相关性。【结果】当土壤中Cd含量为0 mg/kg时,与大气CO_(2)浓度处理相比,高浓度CO_(2)处理根围土壤槲皮素含量显著增加(P<0.05);总黄酮含量在幼苗生长45 d时显著(P<0.05)增加,而90和135 d时变化不显著。当土壤中Cd含量为0.45 mg/kg时,45 d时土壤总黄酮和槲皮素含量均随CO_(2)浓度升高而显著(P<0.05)增加,90和135 d时土壤总黄酮含量无显著变化,而土壤槲皮素含量则显著(P<0.05)降低。当土壤中Cd含量为4.5 mg/kg时,45和90 d土壤总黄酮和槲皮素含量随CO_(2)浓度升高而显著(P<0.05)降低,而135 d时则显著(P<0.05)升高。无论是在大气CO_(2)浓度下还是在高浓度CO_(2)下,当土壤中Cd含量为0~0.45 mg/kg时刺槐幼苗茎干总黄酮含量随生长时间延长而降低;45 d时幼苗根系总黄酮含量呈先降低后升高趋势,而90 d呈先升高后降低趋势,135 d时总体呈增加趋势;茎干和根系C、N、Cd含量及C/N有明显的变化,但是规律性不明显。相关性分析表明,根围土壤总黄酮含量与茎干总黄酮含量及根系C、Cd、C/N呈显著或极显著正相关,而与茎干和根系N含量呈显著或极显著负相关;根围土壤槲皮素与幼苗茎干总黄酮及根系C、槲皮素、Cd含量和C/N呈显著或极显著正相关,而与茎干和根系N呈显著或极显著负相关。【结论】茎干和根系Cd积累对CO_(2)浓度升高的响应显著影响根围土壤总黄酮和槲皮素的积累。

大气CO_(2)浓度升高对宁夏枸杞根区土壤微生物功能多样性及碳源利用特征的影响

【目的】分析大气CO_(2)浓度升高对宁夏枸杞根区土壤微生物功能多样性及碳源利用特征的影响,为宁夏枸杞适应气候变化进行可持续管理提供理论依据。【方法】以宁夏枸杞扦插苗为材料,采用开顶气室设置自然环境大气CO_(2)浓度[CK,(400±20)μmol·mol^(-1)]、0.5倍增[TR1,(600±20)μmol·mol^(-1)]和1倍增[TR2,(800±20)μmol·mol^(-1)]3个处理宁夏枸杞苗木,分别于处理后的30、60、90、120天采集根区土样,采用BIO-ECO技术分析土壤微生物群落功能多样性及碳源利用特征。【结果】1)CO_(2)浓度升高均显著提高宁夏枸杞根区土壤微生物碳源代谢活性(AWCD),0.5倍增和1倍增大气CO_(2)浓度AWCD分别比对照提高22.56%、36.45%。2)随着CO_(2)浓度升高,土壤微生物Shannon指数、McIntosh指数显著增加,而Simpson指数在处理前期增加,但处理中后期无显著变化。3)宁夏枸杞根区土壤微生物群落利用并转化的主要碳源为氨基酸类、酯类和胺类碳源;CO_(2)浓度升高处理下,土壤微生物利用率较大的碳源主要为酯类和胺类,而糖类和酸类利用率较低。其中1倍增大气CO_(2)浓度下土壤微生物群落对L-精氨酸、L-天冬酰胺酸、吐温-40、苯乙基胺和4-羟基苯甲酸等的利用代谢能力均显著高于对照,但对γ-羟基丁酸的利用代谢能力显著低于对照。4)大气CO_(2)浓度升高显著影响宁夏枸杞根区土壤微生物群落碳源利用率,不同时期将土壤微生物群落划分而起分异作用的主要碳源是糖类和胺类。【结论】大气CO_(2)浓度升高能使微生物群落的活性及碳源利用率明显增加,并且均提高宁夏枸杞根区土壤微生物群落的物种丰富度、物种优势度及群落均匀度,1倍增大气CO_(2)浓度处理土壤微生物群落代谢活性和多样性最高,六大类碳源中,氨基酸类、酯类和胺类碳源是宁夏枸杞根区土壤微生物群落利用并转化的主要碳源。处理60天时(7月份)土壤微生物群落碳源利用率最强。因此,大气CO_(2)浓度升高是造成宁夏枸杞根区土壤微生物群落代谢多样性和碳源利用差异的主要原因。

基于APSIM模型的旱地春小麦产量对大气CO_(2)浓度和氮肥水平的响应

气候变化显著影响作物产量及产量构成,CO_(2)浓度和氮肥水平的交互作用对陇中黄土丘陵沟壑区旱地春小麦(Triticum aestivum L.)产量的影响效应并不明确。本研究以陇中黄土丘陵沟壑区为研究区域,利用甘肃农业大学试验区1970-2018年气象数据,运用APSIM模型对不同大气CO_(2)浓度和氮肥水平耦合变化下旱地春小麦的产量进行模拟,并采用二次多项式回归、单因素分析和通径分析研究了不同大气CO_(2)浓度和氮肥水平交互作用下对旱地春小麦产量的影响机制。结果表明:APSIM模型在试验区具有较高的精确度和适应性。在试验设计范围内,旱地春小麦产量与CO_(2)浓度呈开口向上的二次抛物线且无阈值出现,与施氮水平呈开口向下的二次抛物线变化且在N150(施氮量为150 kg/hm^(2))处出现阈值。CO_(2)浓度和施氮水平对春小麦产量均为正效应,且施氮水平对小麦产量影响在一定程度会出现报酬递减效应,每增加CO_(2)浓度100 mol/mol,最大增产可达13%,每增加施氮量50 kg/hm^(2),最大增产可达到3.1%。

大气CO_(2)浓度升高对华北夏玉米地温室气体排放的影响

开展大气CO_(2)浓度升高对华北夏玉米地温室气体排放的影响可为未来气候变化下农业温室气体减排提供依据。研究基于已稳定运行10年的华北典型一年两季自由大气CO_(2)富集平台进行,于2017年设置2个处理,即常规浓度CO_(2)(aCO_(2),平均400μmol·mol^(-1))和高浓度CO_(2)(eCO_(2),550μmol·mol^(-1)),2018年在不同CO_(2)浓度下增设低氮(LN)和高氮(HN)水平下的不同CO_(2)浓度处理(即aCO_(2)-LN、aCO_(2)-HN、eCO_(2)-LN、eCO_(2)-HN)开展试验,监测和分析不同处理下土壤CO_(2)及N_(2)O排放通量特征,结合土壤硝化潜势和反硝化潜势测定解析N_(2)O排放量变化的可能原因。结果表明,eCO_(2)下夏玉米生育期农田N_(2)O和CO_(2)累积排放量分别比aCO_(2)下显著增加45.5%~65.9%和16.7%~19.2%;N_(2)O排放增加主要发生在施肥、灌溉和降雨后,而土壤CO_(2)在玉米营养生长期排放量较高。eCO_(2)条件下土壤硝化潜势和反硝化潜势分别比aCO_(2)下提高了36.4%和59.0%,对土壤N_(2)O排放有贡献潜力。eCO_(2)下,N_(2)O减排需结合排放机理采取合理的田间管理和水肥调控措施。