陆面过程模型添加叶肉导度能有效改善模型模拟的CO2施肥效应精度,但叶肉导度模拟受最大叶肉导度参数取值的影响,优化模型中最大叶肉导度参数是改进陆面过程模型叶肉导度和CO2施肥效应模拟的重要途径.以EALCO(Ecological Assimilation of Land and Climate Observations)模型为例添加叶肉导度,通过人为改变最大叶肉导度值的取值,分析模型输出结果对最大叶肉导度的响应,揭示最大叶肉导度参数在模型中的敏感性,并与已有研究结果或观测数据比较,探讨耦合叶肉导度的陆面过程模型最大叶肉导度参数优化的途径.模拟试验以美国哈佛森林典型温带落叶阔叶林生态监测站(US-Ha1 site,Harvard Forest Environmental Monitoring site)数据为驱动.结果显示:(1)随最大叶肉导度增加,总初级生产力(GPP,Gross Primary Production)模拟精度增加,但最大叶肉导度取值大于1.0 mol m-2 s-1后模拟精度改善有限,最大叶肉导度小于1.0 mol n-2 s-1 时GPP模拟精度对最大叶肉导度变化响应敏感;(2)证实了叶肉导度与气孔导度之间存在明显线性关系,最大叶肉导度取值的变化能明显影响这种线性关系的斜率.当最大叶肉导度取值从0.5 mol m-2 s-1增加到1.2 mol m-2 s-1时,气孔导度与叶肉导度的比值从0.75左右降至0.36,这个结果表明,通过明确某一植被功能型叶肉导度与气孔导度比值,可以间接确定模型最大叶肉导度的合理取值范围;(3)证实了陆面过程模型添加叶肉导度能改进CO2施肥效应模拟精度,最大叶肉导度值能影响施肥效应模拟结果,当最大叶肉导度高于0.57 mol m-2 s-1后,随最大叶肉导度增加,模拟GPP随大气CO2浓度增加的增长率呈下降趋势;(4)在月尺度上叶肉导度模拟对最大叶肉导度值的敏感性随不同生长季而不同,在生长盛期的7、8月份最大叶肉导度对叶肉导度模拟结果影响最大,其次是5、6、9月份等生长次盛期,其他月份的影响较小.

[背景]N2O是一种很强的温室气体,其温室效应强度大约是CO2的265倍.土壤氮肥施加量是影响N2O排放的重要因素,而厌氧条件下微生物反硝化则是N2O产生的重要途径.[目的]研究过量施肥条件下蔬菜大棚土壤菌群结构变化及其对N2O气体排放的影响.[方法]利用自动化培养与实时气体检测系统(Robot)监测土壤厌氧培养过程中N2O和N2排放通量,比较过量施肥和减氮施肥模式下土壤N2O排放模式的差异.通过Illumina二代测序平台对这2种不同施肥处理的土壤微生物群落进行高通量测序,研究不同施肥量对土壤菌群组成的影响.[结果]过量施肥土壤中硝酸盐的含量大约是减氮施肥土壤的2倍,通过添加硝酸盐使2种土壤的硝酸盐含量均为60 mg/kg或为200 mg/kg时,过量施肥土壤在厌氧培养前期N2O气体的产生量及产生速度都明显高于减氮施肥土壤.另外,过量施肥导致土壤菌群结构发生显著改变,并且降低了土壤微生物的多样性.相对于减氮施肥,过量施肥方式富集了Rhodanobacter属的微生物.PICRUSt预测结果显示,传统施肥没有显著改变反硝化功能基因相对丰度.[结论]长期过量氮肥施用显著增加了土壤N2O的排放,可能原因是施肥改变了包括氮转化相关微生物在内的土壤菌群组成,从而影响了土壤N2O气体的形成与还原过程.

采用盆栽模拟研究方法,设置对照(CK)、只施氮肥(U)、氮肥与有机肥配施(UM)、氮肥与生物炭配施(UB)以及氮肥、有机肥与生物炭配施(UMB)共5个处理,探究生物炭与有机肥施用对菜地N2O、CH4与CO2排放以及全球增温潜势(GWP)、温室气体强度(GHGI)、N2O-N排放系数的影响.结果表明,整个观测期间,N2O排放变幅较大,达0.02-1 559.77 μg m-2 h-1,CH4排放变幅较小,为-0.09-0.25 mg m2 h-1.与N2O、CH4相比,处理间CO2排放通量具有更为相近的波动规律.UB与UMB能显著降低N2O排放,其中UMB抑制效果最佳,仅为U处理的14.1％.5个处理间CH4累积排放量无显著差异,表明氮肥、有机肥与生物炭均非影响CH4排放的主要原因.UB与UMB间累积CO2排放量无差异,但二者均显著高于U与UM处理,证明生物炭施用促进了CO2释放.菜心与苋菜产量均以UMB最高,两种蔬菜产量分别比U处理高25.6％与29.5％.GWP与GHGI均以UMB最低(除对照外),分别为919±266 kg/hm2与0.04±0.01 kg/kg.UMB的N2O-N排放系数最低(0.37％),仅为U处理的11.5％.综上所述,生物炭与有机肥配施处理在不降低蔬菜产量的基础上,既能抑制N2O排放,降低GWP、GHGI与N2O-N排放系数,又能降低化学氮肥投入量,是值得推荐的施肥措施.考虑到生物炭施用显著促进CO2排放,需要进一步探究生物炭与有机肥配施的综合净温室效应.

为明确不同施肥模式对水稻生产碳足迹的影响,采取田间动态监测与室内分析相结合的方式,应用生命周期碳足迹的评价方法,研究了施用化肥(CF)、猪粪(ZM)、牛粪(NM)、鸡粪(JM)对稻田系统碳排放、碳增汇、水稻生产碳足迹及单位产量碳足迹的影响.结果 表明:水稻种植过程中温室气体的排放是水稻生产碳排放的主要来源,与CF处理相比,施用有机肥可增加稻田碳排放,ZM、NM和JM处理分别增加34％、30％和65％,各处理均以稻田CO2排放贡献最大;施用有机肥处理的环境正效应高于施用化肥处理,ZM、NM和JM处理碳增汇分别是CF处理的3.3、3.8和2.9倍,可相应抵消76％、92％和55％的碳排放;施用不同有机肥对水稻生产碳足迹影响不一,但与CF处理相比均可降低单位产量的碳足迹,ZM、NM和JM处理分别降低了55％、83％和22％.综合考虑畜禽粪污处理、肥料生产与管理以及水稻种植各环节的碳排放与稻谷产量情况,有机培肥有利于降低水稻单位产量碳足迹,其中以施用牛粪处理效果最佳.

在沿黄灌区选择8年生'骏枣'植株,以不施钾肥作为对照,分别在果树开花期、幼果期、果实膨大期、转色期每株沟施300 g硫酸钾,测定各处理果实品质、产量、叶片光合以及荧光参数的变化,以明确沿黄灌区'骏枣'的最佳施钾时期,为制定枣树合理施肥措施提供理论依据.结果 表明:(1)与对照相比,施用钾肥可促进骏枣的光合作用、改善果实品质,且不同生育期效应不同,并以果实膨大期施用钾肥对提高骏枣果实品质、产量、叶片光合效果最为显著.(2)果实膨大期施用钾肥后,'骏枣'的果实纵径、横径、果形指数、单果重、单株产量比对照分别显著提高了22.64％、39.33％、13.62％、19.52％和19.58％,果实维生素C(Vc)、可溶性糖和果糖的含量、糖酸比分别比对照显著提高了37.98％、22.82％、31.37％和29.95％,叶片叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)比对照分别显著提高了28.91％、38.44％、36.75％和27.25％,叶片初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、电子传递速率(ETR)比对照分别显著提高了28.18％、29.15％和37.75％,而胞间CO2浓度(Gi)和裂果率在果实膨大期达到最低值,比对照分别显著降低了28.34％和35.50％.研究发现,在'骏枣'果实膨大期株施300 g钾肥,可显著增加植株叶片叶绿素含量、光合作用效率和光能吸收、电子传递效率,提高树体光合能力,显著降低裂果率,有效改善骏枣果实外在和内在品质,显著提高单株产量.

为探究生物黑炭对稻田温室气体(CH4、CO2、N2O)排放和水稻产量的影响,采用静态暗箱-气相色谱法监测滨海盐土区稻田温室气体排放,并分析施用不同比率的生物黑炭对稻田生态系统CH4、CO2和N2O排放、水稻产量、综合温室效应(GWP)以及温室气体强度(GHGI)的影响.田间试验共设4个处理,分别为不施肥(NO)、氮肥(N1)、氮肥+20 t/hm2生物黑炭(N1B1)和氮肥+40 t/hm2生物黑炭(N1B2).结果表明:与N0处理相比,N1、N1B1和N1B2处理提高了CH4的累积排放量,涨幅为28.24％-37.81％;显著提高了CO2累计排放量(P ＜ 0.05),涨幅为45.41％-120.78％;显著提高了N2O的累积排放量,涨幅为130.60％-226.07％(P ＜ 0.05).与N1处理相比,N1B1和N1B2处理分别提高CH4累积排放量的7.46％和1.82％,显著提高了CO2累计排放量50.08％(P＜ 0.05)和51.83％(P ＜ 0.05),提高了N2O累积排放量的9.31％和41.40％(P ＜ 0.05),显著提高了产量34.66％(P ＜ 0.05)和35.25％(P ＜ 0.05).与N1处理相比,N1B1和N1B2处理的分别提高了综合温室效应27.13％和25.54％,而降低了温室气体强度5.93％和7.89％.综合来看,在滨海盐土区稻田施用生物黑炭可以提高水稻产量并且降低温室气体强度.

陆地生态系统是全球第二大碳库,其碳收支一直是气候变化研究的热点领域,而研究二氧化碳(CO2)施肥效应又是全球变化碳循环领域较为关注的前沿部分.CO2与生态系统关系复杂,当前仍无法厘清CO2对陆地生态系统碳循环的影响作用.基于太阳辐射数据、气温数据及归一化植被指数数据等,利用光能利用率遥感模型,模拟2019年甘南地区的碳循环,选取三个指标,即GPP(陆地生态系统总初级生产力)、NPP(净初级生产力)和NEP(净生态系统生产力)来分析甘南地区植被固碳的时空变化特征及CO2施肥效应.结果 表明:(1)甘南地区2019年植被固碳总量约为2611 tC.甘南地区生态系统GPP、NPP和NEP季节性特征明显,其值均在夏季达到最高;而在空间上,GPP、NPP表现为东高西低的特征,NEP呈现出北高南低的分布特征.(2)CO2对GPP、NPP存在正向的施肥效应,分别增加了14.4％和14.3％;而对NEP具有负向反馈效应,使其减少了0.3％,并且CO2对NEP的影响整体也表现为北高南低的特征.研究揭示出:虽然CO2在提升GPP和NPP时,正向的施肥效应明显,但是对甘南地区的NEP,即固碳量来说,CO2的影响却很有限.因此在研究CO2施肥效应时不应一概而论,生态地理环境对其的影响不可忽视.研究可以为揭示陆地生态系统碳循环的动态机制提供一定的理论依据.

铁作为浮游植物所必需的微量元素,限制了全球超过三分之一海域的初级生产力,尤其是在高营养盐、低叶绿素海域(high nutrient low chlorophyll,HNLC).长期以来海洋铁施肥被认为是一项可以降低大气二氧化碳含量的地球工程策略.然而通过13次海洋人工铁施肥(artificial ocean iron fertilization,aOIF)实验发现,铁的额外添加对海洋深层碳输出量的促进作用要显著低于预期.本文简要地总结了碳在海洋和大气中的循环过程,回顾了人工铁施肥实验对生物碳泵和碳通量等的影响,分析了从海洋铁施肥到海洋碳汇关键生物地球化学过程的影响因素.综上分析发现,科学界对生物碳泵过程及其调控机制的认识仍十分浅薄,考虑到海洋铁施肥还会对海洋生态系统带来一定的负面作用,铁施肥能否作为降低大气中CO2的有效手段,以达到碳中和并缓解温室效应仍需进一步研究.

CO2施肥效应是全球变绿的主要原因,随着大气中CO2浓度的持续增加,预估未来气候变化条件下,CO2施肥效应对陆地生态系统的影响对减缓全球气候变化具有重大意义.基于未来气候情景数据和Farquhar模型,并结合生态过程模型BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator),定量化研究2020—2050年CO2施肥效应对全球叶面积指数(LAI)和总初级生产力(GPP)的影响.研究结果显示2020—2050年,在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5气候情景下,CO2施肥效应导致的LAI年际变化趋势分别为0.002、0.003和0.005 m-2 m-2 a-1;三个气候情景下CO2施肥效应对LAI的影响为CO2每增加0.1％,LAI平均增加约8.1％—9.2％,由此导致GPP对应增加7.9％—14.6％;由CO2施肥效应导致的全球LAI的增加对未来GPP年际变化趋势的贡献分别为66.7％、48.7％和57.1％.表明在未来气候变化情景下,LAI的增加仍然主要受CO2施肥效应的影响,CO2施肥效应导致的LAI的增加将显著促进全球陆地生态系统碳吸收.