稻田水环境对大气CO2浓度升高的响应特征及其机制研究

论文摘要

由工业革命以来CO2源的增加和汇的减少所导致的大气CO2浓度的迅速增加深刻影响着生态系统的结构、功能和生态过程。虽然目前关于大气CO2浓度升高对生态系统的影响已有较多研究和报道,但对于全球最大的人工湿地-稻田生态系统的研究较少,而对于其中水体生态系统的研究则更少。为此,本研究借助国际唯一的人工湿地稻麦复种FACE（Free Air CO2Enrichment）试验（位于江苏省江都市,始于2004年）,于2006年水稻生长季对其水体生态系统的矿质元素、有机质、微生物等进行了动态监测和研究,以完善大气CO2浓度升高对生态系统影响的知识.主要研究结果如下:1.大气CO2浓度升高显著降低了稻田水体pH值（P＜0.01）,平均降低了2.59%,显著提高了稻田水体钙、镁、硅离子的浓度（P＜0.01）,三者分别平均提高了32.26%、74.16%和77.88%。随着水稻生育进程的延续,大气CO2浓度升高条件下,稻田水体中钙离子浓度在水稻生育旺期提高最大,比对照平均提高了33.23%,初期最小,为28.66%,后期提高了32.94%;镁离子在初期提高最大,为112.96%,旺期最小,平均为62.89%,后期則提高了69.14%;硅离子也是在初期提高最大,为163.19%,后期最小,为31.43%,旺期平均提高了64.92%。不同生育时期之间稻田水体pH值、钙、镁、硅离子浓度存在显著差异（P＜0.01）.2.大气CO2浓度升高显著提高了稻田水体中总有机碳、总氮、可溶性有机碳和可溶性氮的含量（P＜0.01）,且对总有机碳和可溶性有机碳的提高效应分别大于总氮和可溶性氮.与对照相比,大气CO2浓度升高田块水体中总有机碳、总氮、可溶性有机碳和可溶性氮分别平均提高了31.2%、25.9%、28.3%和25.6%。在不同水稻生育阶段,大气CO2浓度升高对总有机碳和可溶性有机碳的提高效应较为一致,均表现为生育初期最大,分别为35.4%和35.2%;生育旺期次之,为32.2%和26.9%;生育后期最小,为24.2%和25.7%.然而,对总氮和可溶性氮的提高效应则不同,最大提高效应对总氮来说在生育旺期,为27.9%,可溶性氮则在生育后期,为29.1%;居中提高效应对总氮来说在生育后期,为25.8%,对可溶性氮则在生育旺期,为26.5%;在生育初期对两者的提高效应均为最小,分别为19.9%和19.4%.不同生育时期之间稻田水体总有机碳、总氮、可溶性有机碳、可溶性氮含量存在显著差异（P＜0.01）。3.大气CO2浓度升高显著提高了稻田水体中细菌和大肠菌群的数量（P＜0.01）,在整个水稻生育期,与对照相比,水体中的细菌数量、大肠菌群数量平均分别提高了45.9%、68.8%.随着水稻生育进程的延续,大气CO2浓度升高在水稻生育初期对细菌和大肠菌群的提高效应最小,与对照相比,分别提高了21.8%和40.4%;在水稻生育旺期对细菌、大肠菌群提高效应居中,平均为47.7%和70.2%;在水稻生育后期对细菌和大肠菌群的提高效应最大,分别为64.6%和93.0%.不同生育时期之间稻田水体中细菌和大肠菌群数量存在显著差异（P＜0.01）。总之,大气CO2浓度升高显著降低了稻田水体的pH值,提高了其中矿质元素、有机质和微生物的含量.可见,大气CO2浓度升高不仅可通过改变稻田水体生态系统的方式来影响水稻生产和稻田生态环境,而且还可能通过田间排水尤其是水稻生长前期的暴雨导致的洪涝来增加稻田生态系统向周边生态系统矿质元素、有机质和微生物的输出,从而可能影响到稻田生态系统碳氮循环和土壤生产力、陆地生态系统与水生生态系统间矿质元素的交换及生物地球化学循环过程、周边水体质量及人类健康.

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 研究背景
• 2 国内外研究进展
• 2浓度对植物根系的影响'>2.1 高CO₂浓度对植物根系的影响
• 2浓度对土壤微生物的影响'>2.2 高CO₂浓度对土壤微生物的影响
• 2浓度对土壤养分和酶的影响'>2.3 高CO₂浓度对土壤养分和酶的影响
• 3 研究内容与思路
• 3.1 研究内容
• 3.2 研究方法
• 3.3 试验方案
• 3.4 技术路线
• 4 目的意义
• 参考文献
• 2浓度升高对稻田水体矿质元素的影响'>第二章 大气CO₂浓度升高对稻田水体矿质元素的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验区概况
• 1.2 试验设计
• 1.3 样品采集及分析
• 1.4 数据统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 FACE条件下稻田水体的pH值
• 2.2 FACE条件下稻田水体中钙离子的浓度
• 2.3 FACE条件下稻田水体中镁离子的浓度
• 2.4 FACE条件下稻田水体中硅离子的浓度
• 3 讨论
• 参考文献
• 2浓度升高对稻田水体有机碳的影响'>第三章 大气CO₂浓度升高对稻田水体有机碳的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验区概况
• 1.2 试验设计
• 1.3 样品采集及分析
• 1.4 数据统计分析
• 2 结果与分析
• 2.1 FACE条件下稻田水体总有机碳（TOC）含量
• 2.2 FACE条件下稻田水体总氮（TN）含量
• 2.3 FACE条件下稻田水体可溶性有机碳（DOC）含量
• 2.4 FACE条件下稻田水体可溶性氮（DN）含量
• 3 讨论
• 参考文献
• 2浓度升高对稻田水体微生物的影响'>第四章 大气CO₂浓度升高对稻田水体微生物的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验区概况
• 1.2 试验设计
• 1.3 样品采集及分析
• 1.4 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 FACE条件下稻田水体细菌种群大小
• 2.2 FACE条件下稻田水体呼吸
• 2.3 FACE条件下稻田水体中大肠菌群的数量及占细菌数量的比例
• 3 讨论
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 1 结论
• 2 论文创新点
• 3 展望
• 致谢
• 附: 攻读硕士学位期间发表论文目录