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水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO浓度升高的适应规律

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土壤学报 2023年

作者：曹伟伟严陈钟文辉朱春梧朱建国贾仲君中国科学院大学南京师范大学地理科学学院土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)

CH4是仅次于CO2的第二大温室气体，而稻田是CH4的主要排放源，但未来大气CO2浓度升高情景下(elevated CO2，eCO2)，水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。依托中国FACE(Free Air CO2Enrichment)水稻田试验平台，... 详细信息

CH4是仅次于CO2的第二大温室气体，而稻田是CH4的主要排放源，但未来大气CO2浓度升高情景下(elevated CO2，eCO2)，水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。依托中国FACE(Free Air CO2Enrichment)水稻田试验平台，通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验，采用稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)和高通量测序技术，研究未来大气CO2浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。结果表明：与常规大气CO2浓度(ambient CO2，aCO2)相比，eCO2条件下的甲烷氧化活性显著增加，从243 nmol·g-1d.w.s·h-1增加至302 nmol·g-1d.w.s·h-1，增幅高达24.3%，甲烷氧化菌数量则增加了1.1倍～ 1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA，高通量测序发现，未来大气CO2升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替，与对照相比，类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2% ～ 17.0%，而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7% ～ 11.1%；同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。综上所述：未来大气CO2升高情景下，水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异，促进了甲烷氧化通量，而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应，是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。

关键词：大气CO 浓度升高水稻土甲烷氧化菌稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP) 高通量测序

大气NH浓度升高和施氮对冬小麦生物量和氮素利用的影响

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麦类作物学报 2023年

作者：张鹏飞邓明珠李孟浩林延荣任小龙陈小莉农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室西北农林科技大学农学院

为揭示大气NH3浓度升高和不同施氮对冬小麦生物量和氮素利用的影响,通过开顶式气室,以小偃22为试验材料,于2020—2022两年进行田间微区试验,设置3个施氮水平(0、180和240 kg·hm-2)和两种大气NH3浓度(空气背景NH3浓度:0.01～0.03 mg·m... 详细信息

为揭示大气NH3浓度升高和不同施氮对冬小麦生物量和氮素利用的影响,通过开顶式气室,以小偃22为试验材料,于2020—2022两年进行田间微区试验,设置3个施氮水平(0、180和240 kg·hm-2)和两种大气NH3浓度(空气背景NH3浓度:0.01～0.03 mg·m-3;高NH3浓度:0.30～0.60 mg·m-3),对不同处理下,小麦地上部和根系干物质和氮素积累量及氮素利用效率进行分析。结果表明,大气NH3浓度升高能显著提升小麦地上部生物量、根系生物量、地上部氮素积累量和根系氮素积累量,2年内平均增幅分别为5.77%、6.74%、8.94%和9.98%。在空气背景NH3浓度下,施氮后小麦显著增产,180和240 kg·hm-2施氮水平下产量分别提高了45.26%和50.67%。在大气NH3浓度升高环境中,随着施氮量的增加,小麦产量出现先升后降趋势,180 kg·hm-2施氮水平下产量最高,240 kg·hm-2施氮水平下小麦产量较0 kg·hm-2施氮水平降低17.97%,小麦氮肥农学效率和氮素利用率也随之降低。这说明,大气NH3浓度升高的环境中适当减少氮肥施用量能有效提升冬小麦的氮素利用率,稳定小麦产量。

关键词：大气NH 浓度升高施氮冬小麦生物量积累氮素积累氮素利用产量

大气CO浓度升高影响发菜响应干旱胁迫的转录组学分析

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分子植物育种 2023年

作者：吴诗杰王红于凯强汪玫均南方科技大学环境科学与工程学院宁夏师范学院资源环境与生命科学学院

大气CO2浓度升高和干旱程度加剧是未来全球气候变化的两个主要特征。干旱是西北地区农业生产、生态环境的最主要自然灾害。在全球气候变化影响越发显著的背景下，深入认识陆生蓝藻对大气CO2浓度增加和干旱加剧的响应与适应机制对于客观... 详细信息

大气CO2浓度升高和干旱程度加剧是未来全球气候变化的两个主要特征。干旱是西北地区农业生产、生态环境的最主要自然灾害。在全球气候变化影响越发显著的背景下，深入认识陆生蓝藻对大气CO2浓度增加和干旱加剧的响应与适应机制对于客观评估全球气候变化的生态风险、开展生态环境保护等实践工作提供科学依据。作为先锋拓殖微生物的发菜对全球气候变化的响应机理受到国内外学者的广泛关注。为进一步明确大气CO2浓度升高对陆生蓝藻适应干旱胁迫能力的影响，本研究以发菜作为材料，利用高通量转录组测序(RNA-Seq)技术，比较不同CO2浓度和不同干旱胁迫时间下的基因表达差异。结果表明，在400 mg/L CO2浓度下，随着干旱时间的延长发菜差异表达基因数目显著增加，当CO2浓度增加到1 000 mg/L时发菜差异表达基因数目随着干旱时间的延长显著减少。随着CO2浓度的增加，发菜响应干旱胁迫的GO富集分析最显著的部分由催化活性和结合等分子相关代谢转变为细胞和膜等细胞组分。KEGG富集分析发现，1 000 mg/L CO2上调了发菜光合作用和氧化磷酸化相关能量代谢基因的表达，提高了发菜应对干旱胁迫的糖原和能量储备。此外，1 000 mg/L CO2处理组发菜固氮基因的表达水平未受到干旱胁迫的抑制。综上所述，大气CO2浓度的升高会缓解干旱胁迫对发菜的负面影响，提高发菜抵抗干旱胁迫的能力。

关键词：发菜转录组大气CO 浓度升高干旱加剧

作物-内生微生物响应CO浓度升高与干旱胁迫的作用机制研究进展

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中国生态农业学报(中英文) 2024年

作者：刘雨佳张鹏李书鑫刘磊姜淼李向楠刘海峰延边大学农学院中国科学院大学中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林农业大学资源与环境学院

全球变暖、二氧化碳(CO2)浓度升高和局部地区干旱加剧等环境变化对作物生长发育及产量造成的影响日趋明显。内生微生物是一类与宿主植物形成互利共生机制的微生物，由于其长期生活在植物体的特殊环境中，对作物的生长发育和抗逆性具... 详细信息

全球变暖、二氧化碳(CO2)浓度升高和局部地区干旱加剧等环境变化对作物生长发育及产量造成的影响日趋明显。内生微生物是一类与宿主植物形成互利共生机制的微生物，由于其长期生活在植物体的特殊环境中，对作物的生长发育和抗逆性具有重要作用，两者的共生关系会直接影响作物对环境变化的响应。本文主要综述作物-内生微生物共生系统及其在CO2和干旱胁迫下对作物生理过程的调控，探讨了作物内生微生物群落的多样性、宿主抗性的激活并提高其对环境的耐受性以及对宿主病原体的拮抗特性。具体而言，内生微生物可以通过提高宿主的气孔调节能力、增加根系吸收水分和养分的能力等方式，帮助作物适应CO2浓度升高和干旱胁迫，从而减小环境变化对作物生长的负面影响，提高作物产量。此外，内生微生物还可以激活宿主的防御系统，提高其对病原体的抵抗能力，从而减轻病害对作物的影响。未来的研究应关注作物-内生微生物共生系统在不断升高的CO2浓度和复合胁迫下的响应机制，以提高作物对极端环境变化的抗性，为作物抗逆性育种提供新的思路和策略。

关键词： CO 浓度升高干旱胁迫内生微生物群落多样性互作效应

大气CO浓度升高和海平面上升对滨海湿地植物地下生物量的影响

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土壤 2023年

作者：韦薇陶冶王东明王晓茜朱春梧土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 中国科学院大学

大气CO2浓度升高和海平面上升会通过影响植物的分布和生长状况，继而影响湿地的稳定性。地下生物量是调节潮汐湿地生态系统功能的关键因素，包括土壤有机质的积累和湿地海拔高程的维持。本文通过设置开顶式生长箱(OTC:open top chamber... 详细信息

大气CO2浓度升高和海平面上升会通过影响植物的分布和生长状况，继而影响湿地的稳定性。地下生物量是调节潮汐湿地生态系统功能的关键因素，包括土壤有机质的积累和湿地海拔高程的维持。本文通过设置开顶式生长箱(OTC:open top chamber)试验探究不同海拔的3个典型植物群落(SC群落：C3植物为主的群落；MX群落：C3、C4植物混合群落；SP群落：C4植物为主的群落)对CO2浓度升高和海平面上升的响应差异。研究结果显示：CO2浓度升高能够显著增加SC、MX和SP群落的根茎、根和总地下生物量，但年际差异较大。海平面上升显著降低了3个群落植物的根生物量和SC群落高CO2浓度处理下及SP群落对照处理下的总地下生物量，但对根茎却无显著影响。在高盐的条件下，高CO2浓度一定程度上能够缓解高盐分对植物的胁迫，但高CO2浓度的施肥作用下降。对照条件下的SC和MX群落总地下生物量随试验年份延长呈下降趋势，其下降主要是由于海平面的快速上升导致的，而高CO2浓度能减缓其下降趋势，一定程度上抵消胁迫。因此，海平面上升正严重威胁未来湿地的稳定性，而CO2浓度升高能一定程度上缓解海平面上升的危害。

关键词：滨海湿地 CO 浓度升高海平面上升总地下生物量

模拟大气CO浓度升高与氮添加对宁夏枸杞生长及光合特性的影响

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南京林业大学学报(自然科学版) 2023年

作者：马冲陆晖李运毛曹兵朱金忠亢彦东宁夏中宁县杞鑫枸杞苗木专业合作社宁夏大学农学院

【目的】探究大气CO2浓度升高与氮添加对宁夏枸杞生长发育特性、光合特性及产量的影响，为更好发掘宁夏枸杞的生产潜力及适应性栽培提供理论基础。【方法】以1年生‘宁杞1号’扦插苗为试验材料，采用开顶气室控制系统设置自然环境CO2浓... 详细信息

【目的】探究大气CO2浓度升高与氮添加对宁夏枸杞生长发育特性、光合特性及产量的影响，为更好发掘宁夏枸杞的生产潜力及适应性栽培提供理论基础。【方法】以1年生‘宁杞1号’扦插苗为试验材料，采用开顶气室控制系统设置自然环境CO2浓度[T1，(380±20)μmol/mol)]和升高CO2浓度[T2，(760±20)μmol/mol]，设置3个氮添加水平(以每kg土壤计)N0(0 g/kg)、N1(0.8 g/kg)，N2(1.6 g/kg)，共计6个处理。分别于处理45、60、75、90 d测定‘宁杞1号’株型、光合指标、日均净光合速率及单株产量。【结果】随着CO2与氮素的复合处理时间的延长，‘宁杞1号’地径、新梢长度、粗度、气孔导度呈增加趋势，气孔限制值呈降低趋势，叶绿素含量呈先升后降再升模式。T2N1处理各时期新梢长度、粗度、胞间CO2浓度较高。T2处理60、75、90 d‘宁杞1号’的净光合速率均显著高于T1的，其中T2N1处理下‘宁杞1号’净光合速率同比增长87.72%、68.33%、67.56%，分别达到25.24、28.33、28.25 μmol /( m2.s)(P浓度升高条件下，N1处理45、60、75、90 d时‘宁杞1号’蒸腾速率均显著上升(P升高(P浓度升高条件下氮素添加降低了气孔限制值与新梢长度、粗度、叶绿素含量与枸杞单株产量的相关性，提高了蒸腾速率、净光合速率、水分利用效率与新梢长度、粗度等株型指标和枸杞单株产量的相关性；根据日均净光合速率模型CO2浓度升高条件下，‘宁杞1号’理论最佳施氮量为0.875 g/kg(土壤)，此时‘宁杞1号’单株产量略高于T1N1处理。【结论】CO2浓度升高条件下，N1处理增加了‘宁杞1号’的地径、新梢粗度，提高了‘宁杞1号’叶绿素含量、净光合速率、气孔导度和水分利用率，降低了其气孔限制值，且N1处理可以保持‘宁杞1号’较高的产量降低CO2浓度升高带来的负面影响，更适合CO2浓度升高条件下的种植。

关键词：枸杞‘宁杞1号’ 夏果期氮添加 CO 浓度升高光合特性

CO浓度升高对干旱胁迫下谷子细胞结构和抗逆生理的影响

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应用生态学报 2023年

作者：李君亮王士博李亚军郝兴宇宗毓铮张东升申洁史鑫蕊李萍山西农业大学农学院长治学院山西省气象信息中心

在未来气候进一步变暖的背景下干旱发生的频率也将增加，而CO2浓度升高和干旱均会对作物生长造成影响。本研究对不同CO2浓度(环境大气CO2浓度和环境大气CO2浓度+200 μmol·mol-1)和水分处理(土壤含水量为45%～55%和70%～80%的田间土壤... 详细信息

在未来气候进一步变暖的背景下干旱发生的频率也将增加，而CO2浓度升高和干旱均会对作物生长造成影响。本研究对不同CO2浓度(环境大气CO2浓度和环境大气CO2浓度+200 μmol·mol-1)和水分处理(土壤含水量为45%～55%和70%～80%的田间土壤最大持水量，分别为适宜土壤含水量和轻度干旱)下谷子叶片细胞结构、光合生理、抗氧化酶、渗透调节物质和产量的变化进行分析。结果表明：CO2浓度升高增加了谷子叶肉细胞叶绿体内淀粉粒个数、单个淀粉粒面积和淀粉粒总面积。与仅轻度干旱处理相比，轻度干旱条件下CO2浓度升高处理孕穗期谷子叶片净光合速率增加37.9%，但对该时期水分利用效率无显著影响，灌浆期谷子叶片净光合速率和水分利用效率分别增加15.0%和44.2%；孕穗期谷子叶片过氧化物酶(POD)活性和可溶性糖含量分别增加39.3%和8.0%，脯氨酸含量下降31.5%，灌浆期谷子叶片POD活性增加26.5%，丙二醛(MDA)和脯氨酸含量分别下降37.2%和39.3%。CO2浓度升高处理下，轻度干旱条件使谷子穗粒数较正常水分条件两年平均显著增加44.7%，产量显著升高52.3%，且与环境大气CO2浓度相比，CO2浓度升高对谷子籽粒产量的增幅在轻度干旱条件下高于正常水分条件下。轻度干旱条件下大气CO2浓度升高增加了谷子叶片厚度、维管束鞘截面积、净光合速率和水分利用效率，提高了叶片抗氧化酶活性，改变了叶片渗透调节物质含量，从而降低了干旱对谷子的负面影响，提高了谷子穗粒数和产量。本研究可为未来气候变化背景下谷子生产及干旱地区农业可持续发展提供理论依据。

关键词： CO 浓度升高干旱谷子细胞结构逆境生理

大气CO和O浓度升高对水稻根际土壤胞外酶活性的影响

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应用生态学报 2023年

作者：冷鹏王建青谭云燕邵亚军王丽燕施秀珍张国友福建师范大学湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室福建师范大学地理科学学院南京信息工程大学应用气象学院江苏省农业气象重点实验室

大气二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者，其活性对大气CO2和O3浓度升高的响应特征及驱动机制研究对应对和缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究... 详细信息

大气二氧化碳(CO2)和臭氧(O3)浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者，其活性对大气CO2和O3浓度升高的响应特征及驱动机制研究对应对和缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究采用开顶式气室(OTCs)分别模拟大气CO2浓度升高(环境大气+200 μmol·mol-1，eCO2)、大气O3浓度升高(环境大气+40 μmol·mol-1，eO3)及其交互处理(环境大气+200 μmol·mol-1CO2+0.04 μmol·mol-1O3，eCO2+eO3)，探究水稻根际土壤胞外酶活性对大气CO2和O3浓度升高的响应。结果表明：与对照(环境大气)相比，eCO2处理的土壤β-葡萄糖苷酶(βG)活性显著提高73.0%，而多酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)、酸性磷酸酶(AP)活性分别显著降低48.9%、46.6%和72.9%，纤维素水解酶(CBH)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性则无明显变化；eO3处理的土壤CBH、AP活性分别显著降低34.2%和30.4%；eCO2+eO3处理的土壤PHO、AP活性分别显著降低87.3%和32.3%。主坐标分析(PCoA)、置换多元方差分析(PERMANOVA)和冗余分析(RDA)显示，大气CO2和O3浓度升高均可显著影响土壤胞外酶活性，且大气CO2浓度升高对土壤胞外酶活性的影响程度高于O3浓度升高；根系氮含量、根系碳氮比、土壤硝态氮和土壤微生物生物量碳是土壤胞外酶活性的主要驱动因子；大气O3浓度升高能够部分中和大气CO2浓度升高对土壤胞外酶活性的影响。综上，大气CO2和O3浓度升高抑制了大部分土壤胞外酶活性，表明未来气候变化潜在威胁着农田土壤生态系统服务功能。

关键词：气候变化土壤胞外酶活性 CO 浓度升高 O 浓度升高开顶式气室(OTCs)

大气CO浓度升高背景下冬小麦冠层光谱特征和地上生物量估算

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作物学报 2023年

作者：黄宏胜张馨月居辉韩雪中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

本研究旨在探究大气CO2浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响，并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此，在2021—2022年的冬小麦生长季，利用开放式CO2富集系统(Mini-FACE)，设定大气CO2浓度(ACO... 详细信息

本研究旨在探究大气CO2浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响，并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此，在2021—2022年的冬小麦生长季，利用开放式CO2富集系统(Mini-FACE)，设定大气CO2浓度(ACO2，(420±20) μL L-1)和高CO2浓度(ECO2，(550±20) μL L-1)两个处理水平，分析了高CO2浓度下光谱特征变化，基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明：CO2浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加，在开花期和灌浆期降低，蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动；AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域，CO2浓度升高缩小了AGB敏感波段范围，但不影响AGB的估算；AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R2>0.8)，其中SMLR模型中的R799′、Dy、SDy和PRI等特征参数与AGB显著相关，R2为0.866。PLSR模型(R2>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO2浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。

关键词： CO 浓度升高冬小麦地上生物量冠层光谱特征回归分析