大气NH_(3)浓度升高和施氮对冬小麦生物量和氮素利用的影响

为揭示大气NH_(3)浓度升高和施氮对冬小麦生物量和氮素利用的影响,通过开顶式气室,以小偃22为试验材料,于2020-2022两年进行田间微区试验,设置3个施氮水平(0、180和240 kg·hm^(-2))和两种大气NH_(3)浓度(空气背景NH_(3)浓度:0.01~0.03 mg·m^(-3);高NH_(3)浓度:0.30~0.60 mg·m^(-3)),对不同处理下小麦地上部和根系干物质、氮素积累量及氮素利用效率进行分析。结果表明,大气NH_(3)浓度升高能显著提升小麦地上部生物量、根系生物量、地上部氮素积累量和根系氮素积累量,2年内平均增幅分别为5.77%、6.74%、8.94%和9.98%。在空气背景NH_(3)浓度下,施氮后小麦显著增产,180和240 kg·hm^(-2)施氮水平下产量较0 kg·hm^(-2)施氮水平分别提高了45.26%和50.67%。在大气NH_(3)浓度升高环境中,随着施氮量的增加,小麦产量出现先升后降趋势,180 kg·hm^(-2)施氮水平下产量最高,240 kg·hm^(-2)施氮水平下小麦产量较0 kg·hm^(-2)施氮水平降低17.97%,小麦氮肥农学效率和氮素利用率也随之降低。这说明,大气NH3浓度升高的环境中适当减少氮肥施用量能有效提升冬小麦的氮素利用率,稳定小麦产量。

O_3浓度升高对麦田土壤氨氧化细菌、氨氧化古菌和硝化细菌数量的影响

硝化作用在氮循环过程中至关重要,包括氨氧化作用和亚硝酸盐氧化作用,通过氨氧化反应和亚硝酸盐氧化反应将N素转化为植物可利用的NO3-形态。利用开顶式臭氧气室(OTCs,open-top chambers)试验平台,通过大田模拟熏气试验,结合Real-timePCR探讨大气O3浓度升高对麦田土壤氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)及硝化细菌(NOB)数量的影响。结果表明,AOB、AOA和NOB对O3胁迫的反应不一样,AOB基因拷贝数基本上随着O3浓度的升高呈现出降低的趋势,而AOA和NOB基因拷贝数随O3浓度的升高变化不明显。冬小麦拔节期,当O3浓度为40、80、120nmol·mol-1时,20～40cm土层的AOB基因拷贝数分别比对照处理降低39.8%、51.2%和59.4%。AOB和NOB基因拷贝数灌浆期多于收获期,0～10cm土层多于10～20cm。AOA基因拷贝数随季节的变化不大。O3胁迫可通过影响AOB、AOA和NOB的数量和活性来影响土壤的硝化反应,从而影响土壤的氮素循环过程。

开顶式同化室O_(3)浓度升高对水稻土微量元素有效性的影响

由于人类活动导致近地面大气臭氧(O_(3))浓度升高,对中国粮食生产造成严重威胁。目前,大量研究集中在作物地上部分,对O_(3)胁迫下的稻田土壤微量元素有效性的了解甚少。为此,本试验利用开顶气室(Open Top Chambers,OTC)试验平台,设置对照和模拟O_(3)浓度升高(+40 nmol·mol^(-1)O_(3))两种处理,研究大气O_(3)浓度升高对两个水稻品种(汕优63 vs武育粳3)土壤微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn)有效态含量的影响。研究结果表明大气O_(3)浓度升高造成土壤微量元素有效态含量普遍下降,其中土壤微量元素Fe有效态含量随着大气O_(3)浓度升高平均降低35.0%,土壤微量元素Cu有效态含量平均降低9.7%。水稻品种改变了土壤微量元素有效性对大气O_(3)浓度增高的响应。与汕优63相比,武育粳3显著降低土壤Mn、Cu有效态含量,但提高土壤Zn有效态含量。在大气O_(3)浓度升高条件下,汕优63土壤微量元素Fe、Cu、Zn有效态含量分别降低35.2%、12.5%、37.2%;武育粳3土壤只有Fe有效态含量显著降低34.7%。通过两个水稻品种土壤微量元素有效态含量的比较,本研究结果显示汕优63土壤微量元素受大气O_(3)浓度增高的影响幅度更大。另外,大气O_(3)浓度升高显著降低两个水稻品种的土壤可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)以及汕优63土壤微生物生物量氮(MBN)含量。通过相关分析表明,土壤DOC、DON含量与土壤微量元素Fe、Cu之间存在显著的正相关关系。以上结果表明,大气O_(3)浓度升高主要通过土壤可溶性有机物和微生物量影响土壤微量元素有效态含量。选育不同水稻品种在缓解大气O_(3)浓度升高对土壤微量元素有效态含量的不利影响方面具有重要作用。因此,未来选育O_(3)耐受型水稻品种可能是改善土壤微量元素供给的有效途径之一,以此减缓并应对全球气候变化对粮食生产安全的不利影响。

大气CO_(2)和O_(3)浓度升高对水稻根际土壤胞外酶活性的影响

大气二氧化碳(CO_(2))和臭氧(O_(3))浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者,其活性对于大气CO_(2)和O_(3)浓度升高的响应特征及驱动机制研究,以及应对并缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究采用开顶式气室(OTCs)分别模拟大气CO_(2)浓度升高(环境大气+200μmol·mol^(-1),eCO_(2))、大气O_(3)浓度升高(环境大气+0.04μmol·mol^(-1),eO_(3))及其交互处理(环境大气+200μmol·mol^(-1)CO_(2)+0.04μmol·mol^(-1)O_(3),eCO_(2)+eO_(3)),探究水稻根际土壤胞外酶活性对大气CO_(2)和O_(3)浓度升高的响应。结果表明:与对照(环境大气)相比,eCO_(2)处理的土壤β-葡萄糖苷酶(βG)活性显著提高73.0%,而多酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)、酸性磷酸酶(AP)活性分别显著降低48.9%、46.6%和72.9%,纤维素水解酶(CBH)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性则无明显变化;eO_(3)处理的土壤CBH、AP活性分别显著降低34.2%和30.4%;eCO_(2)+eO_(3)处理的土壤PHO、AP活性分别显著降低87.3%和32.3%。主坐标分析、置换多元方差分析和冗余分析显示,大气CO_(2)和O_(3)浓度升高均可显著影响土壤胞外酶活性,且大气CO_(2)浓度升高对土壤胞外酶活性的影响程度高于O_(3)浓度升高;根系氮含量、根系碳氮比、土壤硝态氮和土壤微生物生物量碳是土壤胞外酶活性的主要驱动因子;大气O_(3)浓度升高能够部分中和大气CO_(2)浓度升高对土壤胞外酶活性的影响。综上,大气CO_(2)和O_(3)浓度升高抑制了大部分土壤胞外酶活性,表明未来气候变化潜在威胁着农田土壤生态系统服务功能。

O_3浓度升高和UV-B辐射增强对大豆叶片叶绿素含量和活性氧代谢的影响

以大豆栽培品种铁丰29为试验材料,利用开顶式气室研究O_3浓度升高和UV-B辐射增强复合胁迫对大豆叶片叶绿素(Chl)含量、膜脂过氧化程度、活性氧产生速率、抗氧化酶活性和籽粒产量的影响.结果表明:在大豆整个生育期内,与对照相比,O_3和UV-B单一胁迫及其复合胁迫下的大豆叶片Chl(a+b)、Chl a和Chl b含量均呈下降趋势;相对电导率、丙二醛含量增大,活性氧产生速率和H_2O_2含量增加,超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性下降,产量降低.O_2和UV-B复合胁迫加剧了大豆叶片膜脂过氧化程度,促进大豆体内活性氧自由基的产生,使大豆抗氧化能力减弱,叶绿素含量降低,对大豆表现为协同效应.O_3胁迫对大豆叶片的影响与复合胁迫更相近,其原因可能是在复合胁迫中臭氧起主要作用.

阿克达拉O_(3)与PM_(2.5)的污染特征及潜在来源研究

基于2021年3月1日-2022年2月28日阿克达拉大气本底站PM_(2.5)和O_(3)(P-O)逐小时质量浓度资料以及2012-2022年PM2.5、部分反应性气体(NO_(2)、CO)观测资料和同期气象数据,采用后向轨迹聚类分析、潜在来源贡献函数法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT)进行研究,以探究阿克达拉站P-O浓度变化特征和P-O相关性及潜在来源.结果表明:(1)阿克达拉站观测期间O_(3)-8 h浓度为49.21~128.22μg·m^(-3),年平均浓度为89.58μg·m^(-3),且春季(105.36μg·m^(-3))>夏季(103.05μg·m^(-3))>冬季(75.51μg·m^(-3))>秋季(75.32μg·m^(-3)),O_(3)浓度呈春夏高、秋冬低的季节变化特征,日变化呈单峰型特征.PM_(2.5)日平均浓度为2.06~40.01μg·m^(-3),年平均浓度为9.43μg·m^(-3),且冬季(14.45μg·m^(-3))>春季(9.36μg·m^(-3))>秋季(7.24μg·m^(-3))>夏季(6.77μg·m^(-3)),PM_(2.5)浓度呈冬春高、夏秋低的季节变化特征,日变化呈双峰双谷型特征.(2)整体而言,P-O呈负相关,但在夏季和秋季之间存在弱的正相关关系.(3)综合潜在来源分析发现,阿克达拉站春季、夏季和秋季多受到来自哈萨克斯坦与俄罗斯的长距离输送气流的影响;冬季受蒙古高压影响,偏东气流增多.WPSCF和WCWT分析结果具有较好的一致性,表明P-O春、夏、秋三季的污染源多来自哈萨克斯坦与俄罗斯交界地带,而冬季境内本地污染源增多.