论文部分内容阅读
全球CO2浓度升高和氮沉降呈现日益增加的趋势，这些因素必将影响到植物生理生态特性，进而影响到陆地生态系统结构和功能。长期模拟大气CO2浓度升高和氮沉降实验对预测未来全球气候变化条件下湿地生态系统生产力和碳汇功能具有十分重要的意义。本研究在我国东北三江平原湿地设置了模拟CO2浓度升高和氮沉降的原位控制实验，系统地探讨了CO2浓度升高和氮沉降对三江湿地优势种小叶章光合特性、光合产物和矿质元素含量的影响；以及小叶章湿地碳、水通量以及土壤呼吸的响应过程，为湿地对全球变化的适应过程提供理论依据。本研究通过OTC开顶式气室设置对照CO2浓度（AC）、高CO2浓度处理1（550ppm，EC1）和高CO2浓度处理2（700ppm，EC2）3个水平；在每个气室内通过施用NH4NO3模拟3个氮沉降水平，分别为对照（0g N/m2.a，NN）、低氮处理（4g N/m2.a，LN）和高氮处理（8g N/m2.a，HN）3个水平。共3次重复。获得主要结论如下：（1）CO2（550ppm和700ppm）升高条件下，小叶章出现光合下调现象，施氮减缓了光合下调，高氮处理下小叶章无明显的光合适应现象。在实验设计的氮沉降范围内，CO2浓度升高降低了小叶章叶片气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr），促进了水分利用效率（WUE）的提高。CO2浓度升高显著影响了小叶章最大净光合速率（Amax）、光补偿点（LCP）、光饱和点（LSP）、最大羧化速率（Vc,max）和CO2补偿点（г*）。光合参数对CO2浓度升高的响应依赖于供氮水平，未施氮和低氮条件下，CO2升高降低了小叶章叶片Amax、Vc,max，提高了LCP、LSP和г*；在高氮条件下，CO2浓度升高未显著影响光合参数Amax、暗呼吸速率（Rd）、表观量子产量（AQE）、LCP、LSP、Vc,max和最大电子速率（Jmax）。施氮显著增加了Amax和AQE，降低了Rd、LCP和LSP，促进了小叶章光合能力的提高。CO2浓度升高显著影响了小叶章叶片光合色素含量。未施氮和低氮条件下，CO2浓度升高降低了小叶章叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素总量；但在高氮条件下，小叶章光合色素含量则未发生显著变化。施氮处理显著增加了小叶章叶片光合色素含量。上述结果表明，充足的氮供应可减轻甚至抑制小叶章对CO2浓度升高的适应。小叶章出现光合适应与Vc,max的降低有关，暗示小叶章发生光合适应很大程度上是由于1,5-二磷酸核酮糖（RuBP）羧化限制。（2）CO2浓度升高显著增加了小叶章根中淀粉含量、各器官可溶性糖含量，但对小叶章叶片、茎的淀粉含量的影响不显著。CO2浓度升高对小叶章叶片可溶性蛋白含量依据氮处理而异，在未施氮条件下，CO2升高降低了可溶性蛋白含量；在低氮和高氮水平下，则增加了可溶性蛋白含量。施氮处理显著增加了小叶章茎、根中淀粉含量和总淀粉含量、小叶章根、茎和器官总可溶性糖含量以及小叶章叶片可溶性蛋白含量；对叶片中淀粉和可溶性糖含量影响不显著。不同种类矿质元素对CO2浓度升高的响应不同。CO2浓度升高未对小叶章叶片C含量产生显著影响；对小叶章叶片N含量影响因氮处理不同而异。在未施氮和低氮处理下，CO2升高降低了小叶章叶片N素含量，在高氮处理条件下，小叶章叶片N含量变化不大。CO2浓度升高显著增加了小叶章叶片P和K含量；显著改变了小叶章C/N、C/P、N/P和N/K。施氮处理显著增加了小叶章叶片N含量；但不同程度降低了小叶章叶片P和K含量，增加了小叶章N/P和N/K。表明CO2浓度升高和施氮改变了植物养分格局，暗示未来CO2升高将有利于湿地植物减轻P、K元素限制。（3）在2010-2011两个生长季中，小叶章湿地净生态系统CO2交换量（NEE）、生态系统呼吸量（ER）和总生态系统生产力（GEP）呈现夏季高而春秋两季低的季节动态，而且有显著的年际动态，这与生长季早期大气温度、土壤温度和植被盖度有关。CO2浓度升高降低了NEE、生态系统水分蒸发蒸腾损失量（ET），但增加了ER、GEP和生态系统水分利用效率（WUE）。NEE的降低主要是由于CO2升高导致ER增加的幅度高于GEP增加的幅度。施氮不仅增加了生态系统碳通量，而且也削弱了CO2浓度升高对NEE的负面效应。我们的研究结果表明，在未来伴随氮沉降逐渐增加的趋势下，CO2浓度升高将有利于三江平原小叶章湿地碳固定。（4）土壤呼吸的季节动态呈现夏季高的单峰曲线模式，主要归因于夏季较高的大气温度促进了植物生长和土壤微生物活性。本研究中，土壤呼吸速率和土壤温度呈现指数相关。CO2浓度升高条件下，土壤呼吸呈现增加的趋势。施氮处理第一年土壤呼吸显著增加，而第二年土壤呼吸呈现降低的趋势，这表明施氮对土壤呼吸的促进作用随着时间的推移减弱甚至产生抑制作用。CO2浓度升高和氮沉降对土壤呼吸的影响有显著的互作效应，二者互作显著增加了土壤呼吸，增加幅度在20%-29%。表明在未来CO2浓度升高条件下，不管氮沉降水平如何，都将增加三江平原小叶章湿地土壤呼吸和土壤碳循环。