A stable carbon isotopic approach for understanding the CO2 flux at the Haibei Alpine Meadow Ecosystem - A simple model

Although respiration of organisms and biomass as well as fossil fuel burning industrial production are identified as the major sources, the CO2 flux is still unclear due to the lack of proper measurements. A mass-balance approach that exploits differences in the carbon isotopic signature (delta(13)C) of CO2 Sources and sinks was introduced and may provide a means of reducing uncertainties in the atmospheric budget. delta(13)C measurements of atmospheric CO2 yielded an average of - 10.3 parts per thousand relative to the Peedee Belemnite standard; soil and plants had a narrow range from -25.09 parts per thousand to -26.51 parts per thousand and averaged at -25.80 parts per thousand. Based on the fact of steady fractionation and enrichment during respiration of mitochondria, we obtained the emission Of CO2 of 35.451 mol m(-2) a(-1) and CO2 flux of 0.2149 mu mol m(-2) s(-)1. The positive CO2 flux indicated the Haibei Alpine Meadow Ecosystem a source rather than a sink. The mass-balance model can be applied for other ecosystem even global carbon cycles because it neglects the complicated process of carbon metabolism, however just focuses on stable carbon isotopic compositions in any of compartments of carbon sources and sinks. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Laser intensity dependence of high-order harmonic generation from aligned CO2 molecules

We investigate experimentally the high-order harmonic generation from aligned CO2 molecules and demonstrate that the modulation inversion of the harmonic yield with respect to molecular alignment can be altered dramatically by fine-tuning the intensity of the driving laser pulse for harmonic generation. The results can be modeled by employing the strong field approximation including a ground state depletion factor. The laser intensity is thus proved to be a parameter that can control the high-harmonic emission from aligned molecules.

Influences of CO2 laser irradiation on the structure and photoluminescence of zinc oxide thin films

CO2 laser irradiation experiments on ZnO thin films are reported. The structural, optical, luminescent and vibrational properties of the samples were investigated by X-ray diffraction (XRD), transmittance, photoluminescence (PL) and Raman measurements. XRD results show that the crystalline of the irradiated films was improved. The (002) peaks of irradiated ZnO films shift to. higher 20 angles due to the stress relaxation in the case of laser beam irradiation. From optical transmittance spectra, all films exhibit high transmittance in the visible range, the optical band edge of irradiated films showed a redshift compared with that of as-grown films. Compared with the as-grown films, the photoluminescence emission (in particular the relative intensities of visible emissions) intensities of irradiated samples enhanced. In the Raman scattering spectral both the A I. and E modes exhibited slight Raman blueshift. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

植物根系、根区微生物对大气CO2浓度倍增的反应及其生态学意

预测下世纪中叶，大气CO_2浓度将高到目前的两倍（即达到700μ1•1~(-1)）。CO_2倍增对植物地上部的影响已经有了较多的研究，胆是由于方法学上的困难，至今关于倍增CO_2对植物根及根区微生物的研究仍是非常匮乏。本文应用国际上最新的根研究方法，以根系为中心，研究开顶式CO_2C熏蒸培养室中，CO_2倍增条件下根系与地上部，根系与根区微生物[共生的泡囊－丛枝菌根（VAM）真菌，非共生的土壤微生物]的关系。 1. CO_2倍增对根系的影响目前CO_2倍增对根系影响的研究多集中在根生物量的测定，或根／冠比值的测定，而善于其它参数如根长度则很少涉及，而根表面的反应目前还未见文献报道。本实验以幼苗期小麦“青323”（Triticum aestivum）、水稻“中作 29”(Oryza sativa)、大豆“科农4号”（Glycine max）、玉米“农大3138”（Zea mays）、甜高粱“M－81E”（Sorghum saccharatum）为材料，研究CO_2倍增对植物生物量的影响，发现CO_2倍增使C_3植物水稻、大豆的地上部、根系干重均显著增加，使小麦的根系干重显著增加，地上部无显著差异;C_4植物玉米和甜高粱的地上部和根系均没有显著反应。植物干重反应资料表明在光合产物的分配方面，C_3和C_4植物之间存在巨大的差异。 为了解根系获取土壤资源的能力的变化，我们对根系总长度和总表面积进行了分析。用样格交叉法研究根系长度的变化，结果显示，幼苗期的小麦、大豆的根系长度均被显著促进，尤其值得注意的是，尽管玉米根系干重没有显著改变，但是根长度已发生显著变化。同时应用研究根系表面积的最新方法－Na NO_2吸附法，研究发现幼苗期小麦、水稻和大豆的根系表面积在CO_2倍增条件下均显著增加，C_4植物玉米的根表面积亦有显著增加，但甜高粱的根表面积却没有显著反应，这说明即使在C_4植物类型中，根系表面积的反应在不同物种间仍存在很大差异。由于根长度和根表面积增幅大于根干重的增幅，所以推断在CO_2倍增条件下，植物根系细根比例增加，这有利于植物获取更多的养分。由于不同植物之间根系的反应不同，这将改变群落中原有的根系竞争关系，从而影响群落中物种的组成。 2. CO_2倍增对VAM真菌侵染强度和活力的影响本文应用NBT染色法，并结合浸染强度等级和活力等级标准，首次对CO_2倍增条件下，植物VAM真菌的侵染强度和活力的变化进行了检测。对比常规的酸性品红乳酸甘油法和NBT法，发现两者在显示侵染强度时元显著差异，但后者能同时用于侵染活力等级的研究。对幼苗期大豆以及不同生长期的小麦和玉米根系VAM真菌的侵染强度和活力进行观测，结果显示，倍增CO_2对大豆的侵染强度和活力均没有显著效应;使幼苗期玉米的侵染强度显著增加，但侵染活力无显著差异，但随生长期的推移，侵染强度所受的CO_2倍增效应逐渐减小，与14天苗龄（DAP）和35DAP相比，侵染活力在22DAP时所受效应最大;使10DAP小麦的VAM侵染强度和活力均显著增加，而且这种效应在30DAP小麦中的表现与10DAP小麦的相同。说明C_3、C_4植物中，菌根真菌对CO_2倍增反应不同，这也许是C_3、C_4植物对CO_2倍增反应不同的原因之一。倍增CO_2改善了VAM真菌的发育，所以较之于非菌根侵染植物，菌根侵染植物将因为CO_2倍增而获益更多，另一方面不同种植物中，VAM真菌的发育反应不同，这将使植物群落中，根系获取无机营养的竞争能力发生变化，最终影响植物群落的物种丰度和生物多样性以及群落的演替。 3. CO_2倍增对非共生土壤微生物的影响CO_2倍增使生长70天的小麦、垂柳（Salix babylonica）、藜(Chenopodium album)、繁穗苋（Amaranthus cruentus）品种“红苋K112”的地上部和根系的生物量增加。以这些植物所在土壤为材料，用氯仿熏蒸直接提取法研究土壤微生物生物量C（C_(mic)）和生物量N（N_(mic)）的变化，发现CO_2倍增尽管使各类型植物的C_4植物）土壤中C_(mic)的变化趋势不完全相同（小麦和藜所在土壤的C_(mic)下降，垂柳中C_(mic)升高，而在繁穗苋中无显著差异），但N_(mic)在各物种所在土壤中均有不同程度的上升，在繁穗苋中增幅最大。C_(mic):N_(mic)比值在4个物种所在土壤中均明显下降，这意味着CO_2倍增后在植物生长后期，土壤微生物活性提高，分解植物凋落物和土壤中其它有机质的能力加强，从而改善贫瘠土壤中有机质质量。 4.CO_2倍增对植物呼吸和光合作用及C素积累的影响 1）CO_2倍增对植物暗呼吸的影响：以杜仲（Eucommia ulmoides）、紫花苜蓿(Medicago sativa)和玉米等10种植物的离体成熟叶片或整株为材料，研究不同测定温度（15～35 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸的影响。结果表明：在较低温度（15 ℃、20 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸没有显著效应;在较高温度（30 ℃、35 ℃）时，多数被测植物的暗呼吸显著增强。由于植物在不同温度时它们的暗咱吸受CO_2倍增的促进幅度不同，这将导致不同地区（环境温度不同）的植物暗呼吸反应有差异，而且由于不同物种的暗呼吸增幅不同，综合光合效应，它们的生物量的反应也会不同。 2）CO_2倍增对整株植物的CO_2气体交换及植物C素积累的影响：利用自行设计的一套CO_2气体测定装置，首次尝试同步测定CO_2倍增条件下幼苗期小麦地下部和地上部的气体交换在昼夜24小时内的变化及C素的积累。发现CO_2倍增不仅使小麦地上部C素的积累增加，也使地下部释放的C素增加，但整株植物的C素收入仍高于对照两倍多，这从植物与环境的CO_2气体交换角度为CO_2倍增促进植物生物量的增加提供了依据。并首次提出：植物的整体性及植物所在的环境条件（主要是温度和光照强度）决定着植物暗呼吸对CO_2倍增的响应方式：被抑制或无效应。

CO2升高对土壤微生物群落影响的模拟研究

大气CO2浓度升高可以通过植物间接影响土壤生态系统。土壤生态系统的结构和功能改变将影响有机质矿化和营养物质循环，进而可能对CO2浓度升高产生正反馈或负反馈。微生物是土壤生态系统的主体，在对CO2浓度升高的反馈中起着至关重要的作用。本研究以开顶箱系统为平台，采用微生物分子生态学技术和现代酶学技术，通过对长期接受500 ppm CO2的红松幼树、长白赤松幼树和蒙古栎幼树非根际土壤连续两个生长季的测定，系统研究了高浓度CO2对温带森林土壤微生物群落的生物量和微生物活性的影响，检测了土壤微生物群落的结构和功能以及土壤化学性质变化，主要结论如下： （1）高浓度CO2处理提高了土壤有机碳含量。与对照组相比较，红松幼树土壤有机碳含量提高9.4%；长白赤松幼树土壤提高0.6%；蒙古栎幼树土壤提高1.3%。 （2）高浓度CO2处理使土壤磷酸酶（phosphatase）、几丁质酶（1,4-β-acetylglucosaminidase, 1,4-β-NAG）和多酚氧化酶（phenol oxidase）活性发生了显著变化，高浓度CO2使红松土壤 1,4-β-NAG活性提高7-25%，长白松土壤1,4-β-NAG平均活性降低14%，蒙古栎土壤1,4-β-NAG平均活性提高31%。 同时研究还发现，过氧化物酶（peroxidase）和多酚氧化酶(phenol oxidase)活性与微生物量碳和微生物量氮呈显著的正相关。相关分析还显示，土壤湿度与1,4-α-葡萄糖苷酶（1,4-α-glucosidase）活性、 微生物生物量碳和微生物生物量氮呈显著的正相关。 高浓度CO2在不同程度上改变了土壤转化酶活性和脱氢酶活性。高浓度CO2显著提高了红松和长白赤松土壤硝化酶活性；而显著降低反硝化酶活性。 （3）研究发现三种树土壤的真菌和细菌群落存在着季节性演替，并且高浓度CO2熏蒸处理使真菌群落结构发生了显著的变化，表现为一些种群优势度下降，另一些升高。虽然，细菌群落没有如真菌群落变化的明显，但研究中也发现高浓度CO2的确使个别细菌种群的优势度发生了显著改变。 亲缘关系与Calocybe carnea，Magmatodrilus obscurus密切的真菌是红松土壤优势种群，与Humicola fuscoatra关系相近的是长白松土壤的优势种群，并且此三种真菌的季节性变化不显著。研究发现高浓度CO2使红松土壤中亲缘关系与Pachyella clypeata，Cochlonema euryblastum，Lepiota cristata，Eimeriidae sp.， Trichoderma sp.相近的种群的丰富度显著提高，使蒙古栎土壤中亲缘关系与Serendipita vermifera，Calocybe carnea种群丰富度显著下降，使蒙古栎土壤中与Candida sp.，Magmatodrilus obscurus和Pachyella clypeata亲缘关系密切种群的丰富度显著提高。 （4）三种幼树叶的原位分解培养429天结果显示，红松和长白松凋落物的β-葡萄糖苷酶（1,4-β-glucosidase）和木糖苷酶（1,4-β-xylosidase）活性随着分解而逐渐增加，而这两种酶在蒙古栎凋落物分解过程中保持相对恒定；高浓度CO2显著影响叶凋落物分解磷酸酶（phosphatase），纤维二糖酶（cellobiohydrolase）, 几丁质酶(1,4-β-NAG)，多酚氧化酶（phenol oxidase）和过氧化物酶（peroxidase）的活性。研究发现，凋落物的生物化学性质变化能引起分解的微生物群落发生变化，进而引起分泌的胞外酶活性变化，科学印证了大气CO2浓度升高“通过影响凋落物质量进而影响分解叶凋落物的微生物群落的结构和功能”的猜测。 不同凋落物之间酶活性差异显著，真菌和细菌群落结构也显著不同。序列与Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系密切的真菌和亲缘关系与Verrucomicrobia bacterium密切的细菌是长白松凋落分解的最优势种群，序列与Lophium mytilinum亲缘关系密切的真菌是红松凋落分解的最优势种群。 另外，研究还发现，高浓度CO2使参与分解红松凋落物Beta proteobacterium OS-15A亲缘关系相近的细菌种群和与Azospirillum amazonense亲缘关系相近的种群丰富度显著降低；使与Luteibactor rhizovicina亲缘关系相近的种群和与Luteibactor rhizovicina亲缘关系相近的种群显著提高。高浓度CO2使定殖于长白松凋落物上Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系相近的种群和与Bionectria pityrodes亲缘关系相近的种群显著提高，而使与Neofabraea malicorticis亲缘关系相近的种群和与Hyphodiscus hymeniophilus亲缘关系相近的种群显著下降。

CO2浓度升高和氮肥管理对土壤线虫群落的影响

大气CO2浓度升高能够对农田生态系统产生一系列的影响。土壤线虫在农田生态系统腐屑食物网中占有重要的地位，能够对外界环境变化作出较迅速的响应。本文利用江苏省江都市小记镇的稻-麦轮作FACE系统研究平台，在2007-2008年小麦生长季，研究了大气CO2浓度升高和不同氮肥处理（高N和低N）对农田土壤线虫群落的影响。 研究结果表明：高氮肥施用情况下, CO2浓度升高显著降低了麦田土壤铵态氮和硝态氮含量。不同氮肥处理中CO2浓度升高条件下土壤可溶性碳的含量显著低于对照，而土壤总有机碳和微生物量碳含量高于对照。 大气CO2浓度升高条件下，麦田土壤线虫群落组成和多样性与对照相比表现出显著差异。CO2浓度升高显著增加了麦田土壤线虫总数、食细菌线虫、食真菌线虫和植物寄生线虫数量。在小麦拔节期和成熟期，低N和高N施用条件下，FACE处理中土壤线虫多样性指数（H’）、成熟度指数（MI和PPI）均低于对照处理，而结构指数（SI）高于对照处理。线虫生态指数的结果表明，大气CO2浓度升高条件下，土壤线虫群落多样性降低，土壤环境受到一定的干扰，食物网趋于结构化。