高浓度CO2 和O3对银杏、油松次生代谢的影响

本文采用开顶箱法研究了在连续两年高浓度CO2（700 μmol•mol-1）、O3（80 nmol•mol-1）及其复合作用条件下银杏和油松的生长、初生代谢产物和次生代谢产物含量的季节动态变化、年度动态变化，揭示了银杏、油松次生代谢对高浓度CO2、O3的适应机制及其对树木本身的影响，为研究城市森林对全球变化的响应与反馈提供了重要理论依据。 得出的主要结果如下： 1. CO2倍增处理在2006、2007两个生长季中都增加了银杏、油松叶片中淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白的含量；同时也显著增加了银杏叶片中单宁、萜类化合物和油松单宁、总酚的含量。但是在2007生长季中，这些物质的增幅相对2006生长季CO2处理减缓。高浓度CO2处理对银杏、油松叶可溶性蛋白含量和银杏叶中黄酮化合物含量的影响在两个生长季中变化不同：在2006生长季中高浓度CO2处理增加了银杏、油松叶可溶性蛋白含量，降低了银杏叶中黄酮化合物含量；在2007生长季中则降低了银杏、油松叶中可溶性蛋白含量，增加了银杏叶黄酮化合物含量。 2. O3倍增处理在2006、2007两个生长季中都有降低银杏、油松叶中淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白含量和银杏叶中单宁、黄酮化合物含量的趋势；同时， O3倍增处理在两个生长季上都增加了银杏叶中萜类化合物和油松单宁、总酚化合物的含量。这表明次生代谢物质对高浓度O3处理的响应由于次生代谢物质的种类和所属植物种类的不同而不同。 3. 高浓度CO2和O3复合处理在2006和2007生长季上对银杏、油松的影响与单因子CO2处理类似。在复合作用中，单因子O3带来的光合产物下降的现象消失，银杏和油松的初生代谢产物都高于对照水平；同时，复合作用下次生代谢物质的变化也与单因子CO2处理一致。这表明在复合作用对银杏、油松次生代谢产物的影响主要通过CO2抵消O3对光合作用的抑制来实现，同时也说明CO2对银杏、油松次生代谢的影响强于O3的影响。高浓度CO2能够保护植物免受高浓度O3的伤害。 4. CO2倍增处理和复合处理增加了银杏和油松叶次生代谢物质的含量，这不仅能够增强银杏和油松对环境因子的抵御能力，而且还会增加植物对碳的同化作用，从而增加其对大气CO2的吸收；同时，由于次生代谢物质的抗菌能力，银杏和油松叶内次生代谢物质的增加有可能会减缓其凋落物在土壤中的降解，从而增加土壤碳“汇”。

CO2和O3浓度升高对农作物次生代谢和残茬分解的影响

近几年来,近地面CO2、O3浓度快速升高已经对农作物生长发育造成了很大的影响，引起国内外学者的广泛关注。本文以C3作物春小麦辽春17为试材，利用农田开顶式气室（OTCs)研究CO2和O3浓度增加及其交互作用对春小麦不同发育时期生物量、总酚量、黄酮含量及成熟期产量性状的影响，以及对土壤酶活性及土壤中酚酸类物质含量的影响，同时监测了残茬分解过程中C、N的变化，还比较了小麦（C3）和玉米（C4）次生代谢的响应差异，为研究农作物对全球变化的响应与反馈提供了科学依据。结果表明： 1. CO2浓度升高条件下，春小麦生物量和产量性状都显著高于对照； O3浓度升高条件下，显著低于对照；CO2和O3交互作用下各项指标处于二者之间。 2. CO2、O3浓度升高及其交互作用显著增加了春小麦叶片中的总酚含量；其中CO2浓度升高对C3作物的影响比对C4作物大。 在小麦生长前期，各处理总黄酮含量均低于对照；而到成熟期，各处理下黄酮含量都显著高于对照。其中小麦体内PAL酶活性和C/N与酚类化合物含量变化趋势一致。 3. CO2、O3浓度升高对小麦生长初期土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性影响不明显，到成熟期O3浓度增加，3种酶活性均显著地高于对照；其中土壤中多酚氧化酶活性升高，和土壤中酚类化合物的积累有关，经相关分析（r=0.625，n=23，p=0.015)，二者存在显著相关关系。 4. 在CO2、O3作用下两种残茬混合物（土和根、土和秸秆) C/N在分解初期急剧下降，随后呈现平缓的下降趋势，但各处理间无显著性差异，说明短期的CO2、O3浓度升高，虽然影响了植物的化学成分组成，但对分解速率影响较小。

长白山阔叶红松林与大气间CO2及H2O交换的过程与模拟

在全球变化背景下，森林生态系统CO2和H2O交换过程已经成为国际研究的前沿问题。本研究以长白山阔叶红松林为研究对象，利用基于生理生态学过程的多层模型，考虑了混交林中不同树种的生物量、冠层高度和厚度，对冠层及生态系统尺度的碳水通量进行了详细模拟及分析，同时用涡动相关实测数据对模拟结果进行检验，并模拟和预测了阔叶红松林生态系统碳水收支对气候变化的响应，以期为我国研究区域甚至更大尺度碳水平衡的时间和空间格局特征提供模型储备。本文的主要结论如下： 1）长白山阔叶红松林主要优势树种红松、紫椴、水曲柳、色木槭和蒙古栎的生理生态学参数（初始量子效率α、光饱和时的最大净光合作用速率Pmax、最大Rubisco催化反应速率Vcmax、CO2饱和时的最大净光合作用速率Jmax）有着明显且不同的季节变化。6、8月的α值较大，Pmax、Vcmax和Jmax的最大值也出现在6—8月，而5、9月的各项参数值均较小。 2）对阔叶红松林冠层结构的观测，发现各树种在冠层中所处位置有明显差异。假设各树种水平分布均匀，以各树种的冠高、冠厚和叶片生物量为依据，将冠层垂直分为20层，模拟出各层各树种的CO2和H2O通量。这与传统的假设各树种垂直均匀分布相比，更加符合阔叶红松林的实际群落结构。 3）长白山阔叶红松林的能量平衡比EBR为0.800，居于国际同类观测的中上水平，涡相关观测数据较为可靠。CO2和H2O通量有明显日变化，夜间值较小且变化平缓，白天值呈单峰形的日变化。对2003—2007年生长季的模拟结果分析表明，CO2和H2O通量模拟值与涡相关实测值的回归线斜率分别为0.935和0.875，截距为-0.0136 mg•m-2•s-1和13.7 W•m-2，相关系数为0.655和0.622（n=30107）；CO2通量模拟和实测的平均值分别为-0.138和-0.134 mg•m-2•s-1，模型高估了2.99%；H2O通量模拟和实测的平均值分别为88.5和85.4 W•m-2，模型高估了3.63%，模拟效果较好。从季节变化来看，生长季初、末期（5月和9月）CO2和H2O通量较小，生长旺盛期（6—8月）通量值较高。CO2和H2O通量受环境因子的综合影响，其中，辐射和气温是主要限制因子。 4）对模型的主要参数和环境因子的敏感性分析表明，CO2通量对a1 (气孔导度的参数)、Vcmax、Ca (大气CO2浓度)变化的响应较强，而H2O通量对a1、LAI (叶面积指数)、Ta (气温)变化的响应较强。CO2通量对Ca的变化最为敏感，而H2O通量对其它环境因子的响应程度均高于CO2通量。与将冠层分为20层的方法相比，5层方法（Gaussion五点积分法）得到的碳吸收量和蒸发散量分别低估了25.3%和11.1%。这两种分层方法产生的差异，主要来自于不同层的辐射吸收和权重分配。

长白山阔叶红松林林地土壤CO2排放规律与机理

土壤CO2释放通量总量与潜力作为陆地土壤碳循环过程研究的重要组分，一直是国际统碳循环研究的前沿领域。鉴于温带森林对全球气候变化的敏感性，以阔叶红松林为代表的土壤CO2 放通量过程与机制的研究，能够为正确评估我国温带森林土壤碳库动态和潜力提供科学依据。本文利用静态箱／气相色谱技术，连续测定了长白山阔叶红松林及其附近的次生林土壤CO2释放通量并进行比较研究，结果表明：（1）长白山阔叶红松林土壤CO2释放通量具有明显的季节动态，与温度的变化趋势大致相同，在生长季节中表现出8月份＞7月份＞9月份＞5月份＞4月份。（2）土壤温度是控制CO2释放的关键驱动因子；土壤含水量变化对CO2 释放亦有一定的影响。（3）不同土壤类型的土壤COZ释放通量强度不同，其中阔叶红松林年C排放量为7253.72 kg/hm2，白桦林排放量为6581.28 kg／hm2，山杨白桦混交林和山杨林排放量分别是6301.64 kg／hm2和4941.77 kg/hm2。（4）凋落物对林地CO2释放有显著的影响，贡献率约占-12％-38％；根系的贡献约为7.26％-57.6％。