CO2濃度升高對(duì)土壤—植物系統(tǒng)碳氮分配的影響及其環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià).pdf

1、全球大氣CO2濃度不斷增加和由此導(dǎo)致的全球氣溫上升是我們面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。不斷增加的大氣CO2濃度強(qiáng)烈影響著光合作用驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等生態(tài)環(huán)境過程，改變了生態(tài)系統(tǒng)的碳收支格局，并進(jìn)一步反饋影響大氣CO2濃度和環(huán)境效應(yīng)。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，CO2濃度變化引起的碳氮元素在土壤-植物間分配比例關(guān)系的改變對(duì)氮元素轉(zhuǎn)化過程和肥料氮素利用會(huì)產(chǎn)生顯著影響，并且和氮素管理以及解決氮肥的面源污染問題密切相關(guān)。因此，光合固定碳和肥料氮素在土壤-

2、植物生態(tài)系統(tǒng)中的分配、截獲及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)成為碳氮循環(huán)過程研究中的重要科學(xué)問題，解決這個(gè)問題對(duì)未來應(yīng)對(duì)大氣CO2濃度升高以及氮肥過度施用所造成的環(huán)境問題具有深遠(yuǎn)意義。本研究分別利用不同濃度的13C-CO2和15N-(NH4)2SO4肥料供給進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，利用同位素區(qū)分技術(shù)，在小麥不同生長(zhǎng)階段(拔節(jié)期、抽穗期和成熟期)測(cè)定光合固定碳(“新”碳)及肥料氮素(“新”氮)在小麥植株中的富集動(dòng)態(tài)以及土壤中光合碳和肥料氮素殘留的動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合土

3、壤顆籽實(shí)分級(jí)技術(shù)，研究了CO2和氮素的計(jì)量比例對(duì)光合碳和肥料氮素在土壤-植物系統(tǒng)中的分配和轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定化過程的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴CO2濃度升高有利于小麥各器官生物量的積累，并與氮施用量存在交互作用，其中莖葉和根生物量的增幅在拔節(jié)期的中氮(120 kg N ha-1)水平下最為顯著。由于生物量增加的稀釋效應(yīng)，小麥各器官中全氮含量隨CO2濃度升高而降低，并因功能器官和生長(zhǎng)階段而有所不同。在施用高量氮(180 kg N

4、 ha-1)，拔節(jié)期根和抽穗期莖葉降低幅度最大分別為18.75％，15.03%，在低氮下，成熟期穗和籽實(shí)降低幅度最大，分別為33.33%，10.13%。⑵隨著小麥的生長(zhǎng)，13CO2不斷被同化成為光合產(chǎn)物。CO2濃度升高顯著提高了光合碳(“新”碳)在小麥各器官的富集程度，中氮和高氮施用增加了小麥“新”碳(13C)的富集程度，在收獲期，籽實(shí)中富集的光合碳(“新”碳)數(shù)量最高；雖然CO2濃度升高降低了植物各器官中全氮含量，但提高了“新”氮(1

5、5N)的富集程度，新固持的氮顯著從根和莖向籽實(shí)轉(zhuǎn)移，使收獲期籽實(shí)中“新”氮(15N)最多，表明CO2濃度升高通過增加生物量，促進(jìn)光合碳和氮素在植物中的積累而提高了作物產(chǎn)量。⑶由于小麥植株中光合“新”碳(13C)的不斷輸入，高CO2濃度促使土壤中13C富集比例不斷增加，但是土壤有機(jī)碳總量保持不變，表明光合碳不斷向土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化并促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的更新。光合碳輸入量在抽穗期增幅較大，且隨施氮水平增加而增大，在成熟期中氮水平下，13C富集程度

6、最大，表明土壤碳更新程度受到氮素水平的調(diào)控；隨著小麥的生長(zhǎng)，高CO2濃度促使土壤中15N富集比例不斷降低，提高了植物中肥料氮素的利用率，降低了土壤中肥料氮素的殘留量，但是在高CO2濃度和高施肥量條件下，肥料氮素在土壤-植物系統(tǒng)回收率較低，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高。⑷CO2濃度升高雖然提高了光合碳向土壤中的轉(zhuǎn)化，但是光合“新”碳(13C)向砂粒中分配顯著增加(中氮水平分配程度最大)。由于砂粒對(duì)土壤有機(jī)碳的固持能力較弱，因此CO2濃度可能不利于光合碳在