模拟CO_(2)浓度和温度升高对宁夏枸杞果实品质形成的影响

【目的】探究CO_(2)浓度和温度升高对3个宁夏枸杞品种形态特征和营养组分积累的影响,为未来气候变化背景下培育高抗性优良枸杞品种以及经济林应对气候变化的适应性管理提供依据。【方法】采用开顶气室(OTC)模拟控制系统,对3个宁夏枸杞品种(‘宁杞1号’、‘宁杞7号’、‘宁杞10号’)分别进行CO_(2)浓度(e CO_(2))和温度(e T)升高处理。在果实发育的幼果期(YF,处理60天)、青果期(GF,处理70天)、转色期(CF,处理80天)和红果期(RF,处理90天)采集果实,测定其形态特征和营养组分含量。【结果】1)形态特征分析表明,在CO_(2)浓度升高处理下,‘宁杞1号’果实转色期纵、横径及红果期横径和单果质量显著增加,‘宁杞7号’青果期纵径和转色期横径显著增加,‘宁杞10号’幼果期横径和转色期单果质量显著增加。在温度升高处理下,‘宁杞1号’果实转色期和红果期纵径以及红果期单果质量显著增加,‘宁杞7号’青果期和转色期纵径、转色期和红果期横径和单果质量也显著增加,‘宁杞10号’单果质量显著增加(P<0.05)。2)营养组分分析表明,CO_(2)浓度升高处理显著增加‘宁杞1号’果实4个发育阶段的半乳糖、蔗糖、甜菜碱和黄酮含量,‘宁杞7号’果实红果期果糖、总糖、蔗糖、多糖、类胡萝卜素及甜菜碱含量显著增加,‘宁杞10号’果实红果期半乳糖、果糖、葡萄糖、多糖含量显著增加(P<0.05)。温度升高处理显著增加‘宁杞1号’红果期半乳糖、果糖、总糖、多糖、甜菜碱及黄酮含量,‘宁杞7号’4个发育阶段半乳糖、葡萄糖、蔗糖及红果期果糖、总糖、多糖、类胡萝卜素及甜菜碱含量显著增加,‘宁杞10号’4个发育阶段蔗糖、类胡萝卜素和黄酮含量及红果期半乳糖、总糖、甜菜碱含量显著增加(P<0.05)。【结论】CO_(2)浓度和温度升高对宁夏枸杞果实形态发育和营养组分积累均产生影响。‘宁杞10号’表现出更强的适应性,该品种在发育期,果实大小、单果质量和百粒质量增长最大,果实半乳糖、果糖、总糖、多糖、类胡萝卜素、甜菜碱含量增加显著。

大气CO_(2)浓度升高背景下冬小麦冠层光谱特征和地上生物量估算

本研究旨在探究大气CO_(2)浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响,并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此,在2021—2022年的冬小麦生长季,利用开放式CO_(2)富集系统(Mini-FACE),设定大气CO_(2)浓度(ACO_(2),(420±20)μL L^(–1))和高CO_(2)浓度(ECO_(2),(550±20)μL L^(–1))两个处理水平,分析了高CO_(2)浓度下光谱特征变化,基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明:CO_(2)浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加,在开花期和灌浆期降低,蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动;AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域,CO_(2)浓度升高缩小了AGB敏感波段范围,但不影响AGB的估算;AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R^(2)>0.8),其中SMLR模型中的R_(799′)、D_(y)、SD_(y)和PRI等特征参数与AGB显著相关,R^(2)为0.866。PLSR模型(R^(2)>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO_(2)浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。

大气CO_(2)浓度和气温升高对玉米灌浆期碳氮代谢的影响

为探讨C_(4)作物玉米对CO_(2)浓度升高、温度升高及其交互作用的响应,本研究以玉米品种‘先玉335’为材料,利用人工控制气室设置CK(CO_(2)浓度为400μmol·mol^(-1),环境温度)、EC(CO_(2)浓度为600μmol·mol^(-1),环境温度)、ET(CO_(2)浓度为400μmol·mol^(-1),气温为环境温度+2℃)、ECT(CO_(2)浓度为600μmol·mol^(-1),气温为环境温度+2℃)4个处理,测定玉米灌浆期叶片光合生理、糖代谢、氮代谢相关指标,并在成熟后测定玉米生物量。结果表明:1)CO_(2)浓度升高条件下,玉米叶片叶绿素含量、蔗糖含量、净光合速率及蔗糖合成酶、丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高(P<0.05),但谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),地上部生物量和穗重显著升高35.8%和170.2%(P<0.05)。2)气温升高条件下,叶片净光合速率、蔗糖合成酶和丙酮酸激酶活性显著升高(P<0.05),但α-酮戊二酸脱氢酶和谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),地上部生物量、叶重、茎重和穗重显著降低37.0%、28.7%、32.3%和62.2%(P<0.05)。3)CO_(2)浓度和气温均升高条件下,叶片净光合速率和丙酮酸激酶活性显著升高(P<0.05),但叶绿素含量、α-酮戊二酸脱氢酶和谷氨酸合成酶活性显著降低(P<0.05),叶重显著降低23.4%(P<0.05)。总之,CO_(2)浓度升高可通过促进玉米叶片光合速率,增加糖代谢相关酶活性和光合代谢产物等缓解温度升高对玉米生物量的负效应;CO_(2)浓度升高、气温升高以及二者互作下玉米氮代谢受到抑制,玉米叶片受到氮素胁迫,或对玉米品质产生不利影响。

大气CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)浓度和温度升高对藜麦的影响研究,设置对照CK(CO_(2)浓度和温度与室外相同)、EC(CO_(2)浓度为室外测定值+200μmol·mol-1,气温与室外测定值相同)、ET(CO_(2)浓度与室外测定值相同,气温为室外测定值+2℃)、ECT(CO_(2)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处理使藜麦叶片的光合色素含量升高;在碳代谢中只有ET处理使可溶性糖含量显著降低48.78%,EC和ECT处理使蔗糖含量显著升高;ET和ECT处理均使蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性显著下降,而EC处理使蔗糖合成酶活性显著升高了73.27%,蔗糖磷酸合成酶活性则显著下降;EC和ECT处理均使藜麦丙酮酸激酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著升高;ET处理使琥珀酸脱氢酶活性下降,ECT处理则使琥珀酸脱氢酶活性升高;在氮代谢中,EC、ET、ECT处理均使谷氨酸合成酶活性降低,使硝酸还原酶活性升高,其中ECT处理最高。综上,CO_(2)浓度升高可以缓解气温升高对藜麦生物量和产量的抑制,并促进碳代谢,有利于氮素同化。本研究结果将有助于了解气候变化对藜麦生长和生理生化的影响,为未来气候变化背景下藜麦栽培提供技术参考。

CO_(2)浓度升高及增温下谷子土壤酶活性及其温度敏感性

研究作物重要生长阶段土壤酶活性及其温度敏感性对CO_(2)浓度升高及增温的响应,对于评价气候变化对作物生产的影响以及评估土壤生态系统的功能稳定性具有重要意义。利用人工气候室模拟不同水分(充分供水和轻度干旱)、CO_(2)浓度升高(由400μmol·mol^(-1)升高至700μmol·mol^(-1))和增温(由22℃升高至26℃)条件,以3个因素交互作用下盆栽谷子(Setaria italica)土壤为研究对象,分析了谷子灌浆期土壤中β-葡糖苷酶(βG)、β-N-乙酰葡糖苷酶(NAG)、纤维素酶(CBH)和β-木糖苷酶(βX)活性的温度敏感性。结果表明,对照(CK)在充分供水条件下土壤βG、NAG、CBH和βX的酶活性随着培养温度增加呈先升高后降低的趋势,在25℃时酶活性最高。在最适温度下(25℃),与CK相比,CO_(2)浓度升高使谷子灌浆期土壤βG酶活性显著降低,而对土壤NAG、CBH、βX酶活性的抑制作用较小;CO_(2)浓度升高和增温的交互作用在不同水分条件下表现不同,具体表现为轻度干旱条件下酶活性受到抑制,而充分供水时无显著差异。此外,CO_(2)浓度和温度显著影响谷子灌浆期土壤酶活性的温度敏感性(Q_(10))CO_(2)浓度升高使土壤胞外酶活性的Q_(10)显著增大,而增温使Q_(10)相对减小。在充分供水条件下,增温抵消了CO_(2)浓度升高对酶活性Q_(10)的影响,二者的交互作用对Q_(10)无显著影响。然而,在轻度干旱条件下,CO_(2)浓度升高和增温对Q_(10)影响显著,即CO_(2)浓度、温度及水分三者对Q_(10)的交互作用显著。同时,CO_(2)浓度与水分对Q_(10)有显著的交互作用,但与仅CO_(2)浓度升高以及3个因素交互作用的影响无明显差异。冗余分析显示,除CO_(2)浓度和温度外,Q_(10)还受到微生物量、土壤养分等环境因子的影响。本研究表明CO_(2)浓度、温度和水分以及三者之间的交互作用对土壤酶活性及其温度敏感性的影响复杂,特别是CO_(2)浓度升高抑制了土壤酶的温度敏感性,减弱了土壤碳氮循环相关酶的代谢功能及其稳定性,进而影响土壤生态系统的功能稳定性。

水稻分蘖期干物质积累对大气CO_(2)浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制

【目的】探究不同类型水稻品种物质生产响应大气CO_(2)浓度升高和氮素营养的综合响应差异及其生理机制。【方法】以产量和物质生产对CO_(2)浓度升高响应有明显差异的水稻品种两优培九(LY)和南粳9108(NJ)为材料,在人工气候室进行水培试验。分别设置对照CO_(2)浓度(A-CO_(2),400μmol·mol^(-1))和CO_(2)浓度升高(E-CO_(2),600μmol·mol^(-1))两个CO_(2)处理,高氮(HN,1.25 mmol·L^(-1) NH_(4)NO_(3))和低氮(LN,0.25 mmol·L^(-1) NH_(4)NO_(3))两个氮水平。分析CO_(2)浓度升高对不同水稻品种根系形态与生理活性、叶片和根系中细胞分裂素(CTKs)含量、氮素同化酶活性、叶片生理特性、光合参数以及干物质积累的影响差异。【结果】(1)E-CO_(2)显著增加了LY总冠根数、总根长(LN水平除外)、总根表面积和平均直径,提高其根系呼吸速率和维持较高的根系氧化力,而对NJ无显著影响或表现相反;(2)无论氮水平如何,E-CO_(2)显著提高了LY叶片和根系CTKs含量,但显著降低了HN水平下NJ根系中玉米素核苷(ZR)含量;(3)在LN水平下,E-CO_(2)显著提高了LY叶片GOGAT、GDH活性,显著降低了NJ叶片NR活性。在HN水平下,LY氮同化酶活性在E-CO_(2)条件下都表现为提高,NJ仅NR活性提高;(4)在LN水平下,E-CO_(2)使得LY和NJ净光合速率(P_(n))分别提高了28.0%和29.4%。在HN水平下,两品种分别提高了41.0%和28.1%。LY光合响应大幅度提高归因于叶片最大羧化效率(V_(c,max))、最大光合电子传递效率(J_(max))、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量、叶绿素含量、叶片氮含量等显著提高;(5)E-CO_(2)显著增加了不同氮水平下LY单株叶面积,对NJ无显著影响;(6)E-CO_(2)显著增加了LY各器官及总生物量,且HN水平增幅明显大于LN水平。E-CO_(2)并未显著影响不同氮水平下NJ的总生物量,显著降低了HN水平下NJ地下部生物量(-16.7%)。【结论】无论在HN还是LN水平下,LY物质生产和生理特征对E-CO_(2)的响应幅度与NJ相比更高。生育前期LY较优的根系形态性状和根系活力、较高的CTKs含量、较强的氮素同化能力、较大的绿叶面积以及光合响应能力是其干物质生产对E-CO_(2)响应幅度较高的重要原因。

大气CO_(2)浓度升高和氮添加对镉污染下两种树木叶片元素含量及回收率的影响

选择造林树种大叶相思(Acacia auriculiformis)和樟树(Cinnamomum camphora)为对象,采用开顶生长箱(open-top chamber,OTC)构建实验林,探讨镉(Cd)胁迫及其与大气CO_(2)浓度升高、氮(N)添加的复合作用对2种树木叶片N、P养分利用策略和Cd积累特征的影响。试验设5个处理:对照(CK)、加Cd[10 kg Cd/(hm^(2)·a)](Cd)、加Cd与加CO_(2)(700μmol/mol)(CdC)、加Cd与加N[100 kg N/(hm^(2)·a)](CdN)、加Cd加CO_(2)加N(CdCN)。处理约2.5 a后,测定两树种的成熟叶和衰老叶中N、磷(P)和Cd含量。结果表明,不同处理对两树种叶片P含量及P回收率均无显著影响,但显著影响叶片N含量及N回收率;CdN处理下两树种叶片N含量升高;Cd和CdN处理下樟树叶N回收率显著降低。Cd、CdC、CdN和CdCN处理下两树种叶片Cd积累浓度及樟树成熟叶中的Cd/N和Cd/P升高。大叶相思叶片N、P回收率显著高于樟树,Cd积累浓度显著低于樟树。速生豆科固氮树种大叶相思比普通非固氮树种樟树具有更好的N、P养分利用策略和抵御叶片积累Cd的能力,表明大叶相思可以作为Cd污染林地土壤生态修复的适宜树种。

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。

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。

土壤呼吸对大气CO_(2)浓度升高的响应研究进展

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,其微小变化会直接影响碳循环过程。目前,土壤呼吸对全球大气CO_(2)浓度升高响应已引起广泛关注。本文初步总结了模拟土壤呼吸对CO_(2)浓度升高响应的研究进展,尤其关注CO_(2)浓度升高对土壤呼吸组分的影响差异和微生物调控机制等。深入认识CO_(2)浓度升高-微生物-土壤呼吸之间的关系,有利于在未来全球变化的背景下,提高土壤碳汇功能。在此基础上,指出了当前土壤呼吸对CO_(2)浓度升高的响应过程中存在的问题和不足,并对未来研究提出展望。

不同灌溉模式下CO_(2)浓度升高对玉米幼苗生理特性的影响

为了揭示不同灌溉模式下CO_(2)浓度升高对玉米幼苗生理特性的影响,深入分析了充分灌溉、交替灌溉与亏水灌溉模式下CO_(2)浓度升高对内源激素含量、光合与叶绿素荧光、活性氧积累及抗氧化机制的影响。结果表明:交替与亏水灌溉均能够促进脱落酸/玉米素核苷(ABA/ZR)升高,进而诱导气孔收缩。这大幅降低了蒸腾,但仅在一定程度上降低了交替灌溉模式下的光合碳同化。最终,交替灌溉诱导了幼苗叶片水分利用效率(WUEleaf)的升高,且其维持了幼苗最大光化学效率(F_(v)/F_(m))的稳定。气孔收缩还进一步诱导了叶片O_(2)^(·-)与H_(2)O_(2)的大量生成;交替灌溉能够通过提高叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)与过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性,维持丙二醛(MDA)含量稳定,从而避免了膜脂过氧化伤害。CO_(2)浓度升高降低了各灌溉模式下的ABA/ZR,加快了电子传递、升高了光合速率(Pn)与WUEleaf。此外,CO_(2)浓度升高还在一定程度上抑制了各灌溉模式下叶片O_(2)^(·-)与H_(2)O_(2)的生成,叶片SOD、CAT与POD等抗氧化酶活性相应降低。最终,CO_(2)浓度升高降低了各灌溉模式下膜脂过氧化程度,从而有利于作物的生长。

大气CO_(2)浓度升高和海平面上升对滨海湿地植物地下生物量的影响

大气CO_(2)浓度升高和海平面上升会通过影响植物的分布和生长状况,继而影响湿地的稳定性。地下生物量是调节潮汐湿地生态系统功能的关键因素,包括土壤有机质的积累和湿地海拔高程的维持。本文通过设置开顶式生长箱(OTC:open top chamber)试验探究不同海拔的3个典型植物群落(SC群落:C_(3)植物为主的群落;MX群落:C_(3)、C_(4)植物混合群落;SP群落:C_(4)植物为主的群落)对CO_(2)浓度升高和海平面上升的响应差异。研究结果显示:CO_(2)浓度升高能够显著增加SC、MX和SP群落的根茎、根和总地下生物量,但年际差异较大。海平面上升显著降低了3个群落植物的根生物量和SC群落高CO_(2)浓度处理下及SP群落对照处理下的总地下生物量,但对根茎却无显著影响。在高盐的条件下,高CO_(2)浓度一定程度上能够缓解高盐分对植物的胁迫,但高CO_(2)浓度的施肥作用下降。对照条件下的SC和MX群落总地下生物量随试验年份延长呈下降趋势,其下降主要是由于海平面的快速上升导致的,而高CO_(2)浓度能减缓其下降趋势,一定程度上抵消胁迫。因此,海平面上升正严重威胁未来湿地的稳定性,而CO_(2)浓度升高能一定程度上缓解海平面上升的危害。

CO_(2)浓度升高下水稻株高、茎蘖与SPAD动态响应及其模拟

水稻是中国主要粮食作物,CO_(2)浓度升高直接影响水稻的生产。但在CO_(2)浓度升高条件下,水稻生长发育的动态特征及其模型模拟研究尚不足。为探究水稻株高、分蘖与SPAD(表征叶绿素相对含量)动态对CO_(2)浓度升高的响应特征,在2017年与2018年,以常规粳稻“南粳9108”为试验材料,利用开顶式气室(OTC),设置背景大气CO_(2)浓度与CO_(2)浓度升高(+200μmol·mol^(-1))两个处理,并采用Logistic方程、Logistic修正方程和多项式回归方程分别对三者的动态曲线进行定量描述。结果表明:CO_(2)浓度升高对抽穗前的株高无影响,但当抽穗1周后的有效积温(GDD)大于720℃·d时,显著增加了最终株高,其增幅为7.1%(P<0.05)。因此,水稻生长的环境温度调控株高对CO_(2)浓度升高的响应。株高可用大于10℃的GDD和CO_(2)响应比建立的Logistic方程进行有效模拟(r~2>0.953)。CO_(2)浓度升高总体上提高了水稻的分蘖能力,并且以移栽后天数和CO_(2)响应比为驱动变量,采用Logistic修正方程有效地模拟了茎蘖增长与消亡动态(r~2>0.971)。CO_(2)浓度升高仅增加了2017年抽穗后35 d旗叶与倒二叶的SPAD(P<0.05),但对其他时期或叶位SPAD无显著影响。因此,水稻SPAD对CO_(2)升高的响应因叶位选择与测定时间而异。多项式回归模型能有效模拟抽穗后不同叶位SPAD动态(r~2>0.960),其中抽穗后天数和CO_(2)响应比是驱动变量。综上所述,CO_(2)浓度升高对水稻株高、茎蘖与SPAD具有促进作用,其效应与外界因素有关。模型能较好地模拟水稻株高、茎蘖与SPAD对CO_(2)浓度升高的动态响应。该研究可为未来CO_(2)浓度升高条件下,水稻生长发育和产量形成的预测提供科学依据。

温度升高和CO_(2)浓度增加对冬小麦田土壤氮磷含量的影响

采用T-FACE(Temperature-free air carbon dioxide enrichment)试验平台,设置田间常规温度和CO_(2)浓度(CK)、田间常规温度和增加CO_(2)浓度至575μmol·L^(-1)(C)、升高温度(高于大气温度2℃)和田间常规CO_(2)浓度(T)以及升高温度(高于大气温度2℃)和增加CO_(2)浓度至575μmol·L^(-1)(CT)共4个处理,对田间冬小麦进行控制实验。在小麦播种期、越冬期、分蘖期和成熟期分别采集不同层次的土壤样品(耕作层0-14cm、犁底层14-33cm、潴育层33-59cm和潜育层59-80cm),分析大气CO_(2)浓度增加和温度升高后农田土壤N、P含量及其有效性的动态变化,以揭示气候变化对农田土壤中养分含量的时空影响。结果表明:(1)冬小麦在越冬期CO_(2)浓度增加的情况下,常规或升高温度可使潴育层土壤中硝态氮含量出现下降趋势,在越冬期除T处理外,CK、C和CT处理的硝态氮含量在播种期低于耕作层。在越冬期的各处理中,硝态氮含量以CK处理增加最为明显。(2)在增加CO_(2)浓度和升高温度的情况下,耕作层土壤中铵态氮含量在越冬期和分蘖期显著低于田间正常的CO_(2)浓度和温度处理,且在不同土壤层次中未表现出明显的上升或下降的现象;铵态氮含量在小麦整个生长期相对稳定,但CT、C和T三种不同处理条件下,小麦成熟期铵态氮含量明显增加,且温度升高处理下的增加趋势显著(P<0.05);在小麦整个生育期内,C处理下铵态氮表现出先上升后下降的趋势,而CK、CT和T处理则表现出上升—下降—上升的趋势。(3)小麦全生育期内CK处理的速效磷含量明显高于其它处理,且在播种期、越冬期和分蘖期,CK处理与CT和T处理速效磷含量差异显著(P<0.05)。未来气候变化引起的CO_(2)浓度增加和温度升高情况下,应合理施用N、P肥,减少不必要的养分流失。

CO_2浓度升高对三种地被类观赏竹生理特性的影响

运用开顶式气室(OTCs)模拟大气CO2浓度升高(500、700μmol·mol-1)情景,以环境背景大气为对照,研究CO2浓度升高对3种地被类观赏竹(美丽箬竹、黄条金刚竹和白缟椎谷笹竹)叶片的膜脂过氧化和抗氧化系统的影响及其种间差异.结果表明:试验进行103 d后,500μmol·mol-1CO2浓度下,3种地被类观赏竹的叶片超氧阴离子含量、丙二醛(MDA)含量、相对电导率和可溶性糖含量总体上没有发生明显的变化,但叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性有一定程度的改变;700μmol·mol-1CO2浓度下,3个竹种的叶片MDA含量和相对电导率没有发生明显变化,但对叶片超氧阴离子含量、可溶性糖含量和SOD、POD、CAT、APX活性的影响较为明显.不同竹种对CO2浓度升高环境的适应能力为美丽箬竹>黄条金刚竹>白缟椎谷笹竹.

稻田CH_(4)和N_(2)O排放对大气CO_(2)浓度升高响应的研究进展

大气CO_(2)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CH_(4)和N_(2)O排放对大气CO_(2)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CO_(2)浓度升高模拟技术平台条件下稻田CH_(4)和N_(2)O排放的响应规律,进一步讨论分析了大气CO_(2)浓度升高影响CH_(4)和N_(2)O排放的相关机制,并展望了今后稻田CH_(4)和N_(2)O排放对大气CO_(2)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。

土壤水分亏缺和大气CO_(2)浓度升高对冬小麦光合特性的影响

为深入理解未来大气CO_(2)浓度([CO_(2)])升高背景下农田生态系统结构与功能对土壤水分亏缺的响应机制,利用可精准控制[CO_(2)]的大型环境生长箱,研究了土壤水分亏缺和大气[CO_(2)]升高对冬小麦气孔特征、净光合速率、水分利用效率、叶片碳氮含量、非结构性碳水化合物含量、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性及其基因表达量的影响。本研究结果表明,水分亏缺导致冬小麦的总生物量和净光合速率(P_(n))分别相比对照降低33%和29%,而[CO_(2)]升高可以在一定程度上缓解水分亏缺对冬小麦生长及生理过程造成的不利影响。同时,水分亏缺还使冬小麦气孔开度及其空间分布格局规则性的降低,但高[CO_(2)]可以通过增加气孔密度和提高气孔分布的规则程度,进一步优化冬小麦叶片的气体交换效率。另外,[CO_(2)]升高增加水分亏缺条件下冬小麦的P_(n),但同时却导致蒸腾速率(T_(r))降低25%,从而提高叶片的瞬时水分利用效率(WUEI)61%。此外,水分亏缺条件下[CO_(2)]升高不仅导致Rubisco酶初始活性、活化率以及可溶性蛋白含量分别增加66%、38%和15%,而且还分别提高Rubisco酶编码基因RbcL3和RbcS2的表达水平453%和417%。上述结果表明,水分亏缺条件下,[CO_(2)]升高可以通过调整气孔特征和Rubisco酶活性及其编码基因表达水平,进一步优化冬小麦的气体交换效率,从而提高植株生物量、净光合速率以及水分利用效率。研究结果将为深入理解未来气候变化背景下冬小麦响应[CO_(2)]升高和水分亏缺的生理及分子机制提供理论依据。

CO_(2)浓度升高条件下不同氮素水平对小叶章光合特性和生长的影响

为阐明大气CO_(2)浓度升高和不同氮素水平对湿地植物光合生理特性和生长的影响,本研究以三江平原湿地优势植物小叶章(Calamagrostis angustifolia)为研究对象,通过野外原位控制试验,利用开顶式气室(OTC)模拟环境大气CO_(2)浓度变化,设置E_(0)(380±20µmol/mol)、E_(1)(550±20μmol/mol)和E_(2)(700±20μmol/mol)3个CO_(2)浓度;在每个OTC内设置N_(0)(0 g N/m^(2))、N_(1)(4 g N/m^(2))和N_(2)(8 g N/m^(2))3个氮素水平。结果表明,N_(0)条件下,与E_(0)处理相比,E1和E2处理(72天)后小叶章叶片净光合速率分别降低11%和12%(P<0.05),其叶片可溶性蛋白含量、氮素含量(CO_(2)熏蒸72天)、小叶章株高(CO_(2)熏蒸86天)均显著低于E_(0)处理(P<0.05);N_(1)条件下,与E_(0)处理相比,E_(1)和E_(2)处理(72天)后小叶章叶片净光合速率降低5%(P>0.05)和10%(P<0.05),其叶片氮素含量(P<0.05)、小叶章株高均低于E_(0)处理;N_(2)条件下,E_(1)和E_(2)处理(72天)小叶章净光合速率均呈稍增加的趋势(P>0.05),其叶片可溶性蛋白含量显著增加(P<0.05),氮素含量和小叶章株高无显著变化(P>0.05)。N_(0)、N_(1)和N_(2)条件下,CO_(2)浓度升高均显著增加了小叶章叶片可溶性糖含量。本研究表明长期CO_(2)浓度升高可能通过降低小叶章叶片光合酶活性,进而降低了其净光合速率,而施加高浓度的氮肥可以缓解长期高CO_(2)浓度对湿地植物光合及生长的负面影响。

长期大气CO_(2)浓度升高对稻田CH_(4)排放的影响

大气CO_(2)浓度升高可直接或间接影响稻田CH_(4)排放。深入研究长期大气CO_(2)浓度升高对稻田CH_(4)排放及其相关微生物的影响,对评估和应对未来气候背景下稻田CH_(4)排放的响应具有重要意义。为探明长期大气CO_(2)浓度升高对稻田CH_(4)排放的影响及其机制,依托连续运行10年以上的中国稻田FACE(free-air CO_(2) enrichment)平台,观测2016—2017年正常大气条件(ACO_(2))和大气CO_(2)浓度升高200µmol·mol^(-1)条件(ECO_(2))下稻田CH_(4)排放通量、产甲烷菌和甲烷氧化菌群落丰度,并采用Meta分析方法定量研究CO_(2)熏蒸年限对稻田CH_(4)排放及其相关微生物群落丰度的影响。结果表明:对比ACO_(2)处理,长期ECO_(2)处理使稻田CH_(4)排放降低28%(P<0.05),产甲烷菌群落丰度降低39%(P<0.05),同时甲烷氧化菌群落丰度增加21%(P>0.05)。Meta分析结果发现,随着CO_(2)熏蒸年限的增加,大气CO_(2)浓度升高对稻田CH_(4)排放和产甲烷菌群落丰度的促进作用逐渐减弱,对甲烷氧化菌群落丰度的促进作用却逐渐增大。因此,未来气候条件下,长期大气CO_(2)浓度升高会降低稻田CH_(4)排放,这对缓解水稻种植带来的温室效应具有重要意义。

不同磷水平下CO_(2)浓度升高对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响

通过水培试验研究在低磷(2μmol/L)、磷充足(2 mmol/L)条件下,大气中不同CO_(2)浓度[(400±50)、(800±50)μmol/mol]对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响。结果表明,磷充足条件下,CO_(2)浓度升高可以显著促进番茄叶片光合速率的提高;而低磷抑制了这种作用。磷充足时,CO_(2)浓度升高显著增加了叶绿素含量,并且叶绿素b含量的增幅明显大于叶绿素a含量;而低磷条件下,CO_(2)浓度升高显著降低了叶绿素含量。与磷充足相比,低磷条件下,番茄叶片的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性明显降低,丙二醛含量升高。但CO_(2)浓度升高明显促进了3种抗氧化酶的活性,并且磷充足条件下促进作用更为显著,同时降低了MDA的含量。因此CO_(2)浓度升高条件下,磷素充足供应可以促进CO_(2)浓度升高产生的正效应。