稻田生态系统微量元素对大气CO浓度升高的响应特征及其机制研究

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，而对于稻田生态系统中微量元素的变化和循环过程研究则更少。为此，本研究借助国际唯一的人工湿地稻麦复种FACE(Free Air CO2 Enrichment)试验（位于江苏省江都市，始于2004年），在2007年水稻生长季对稻田水体生态系统的微量元素、土壤中的微量元素；在2008年水稻生长季对水稻成熟期不同部位的微量元素浓度和累积量进行了动态监测和研究。主要研究结果如下：
　　 1.大气CO2浓度升高对稻田生态系统中水稻植株不同部位微量元素浓度和累积量有重要影响。大气CO2浓度升高，成熟期水稻的茎、穗和地上部铁元素浓度比对照分别增加了26.69％、21.84％、15.4％，叶片中铁元素浓度比对照降低了2.35％；成熟期水稻的茎、穗锰元素浓度比对照分别增加了6.24％、47.06％，叶片和地上部锰元素浓度比对照分别降低了14.69％,7.19％；成熟期水稻的茎、地上部锌元素浓度比对照分别增加了28.47％、5.05％，叶片和穗部锌元素浓度比对照分别降低了7.32％，4.34％,以上均未达到显著差异水平。FACE条件下成熟期水稻茎、穗和地上部的铁元素累积量分别比对照增加了50.16％、53％和36.41％，叶片中铁元素累积量比对照降低了4.89％：成熟期水稻茎、穗和地上部的锰元素累积量分别比对照增加了24.94％、84.89％和10.08％，叶片中锰元素累积量比对照降低了16.61％;成熟期水稻茎、穗和地上部的锌元素累积量分别比对照增加了50.91％、19.27％和24.57％，叶片中锌元素累积量比对照降低了9.73％。FACE条件下，除了成熟期水稻穗部铁、锰元素累积量和地上部锌元素累积量达到显著差异水平外，其余均无显著差异。
　　 2.大气CO2浓度升高提高了各个生育时期稻田水体过滤性铁、总锌浓度以及返青期、分蘖期和拔节期过滤性锰浓度，但是降低了孕穗期过滤性锰的浓度。与对照相比，FACE田块过滤性铁、总锌浓度平均提高了19.55％(P＞0.05)，51.38％(P＜0.01)。过滤性锰在返青期、分蘖期和拔节期平均提高了15.66％，孕穗期降低了17.84％。随着水稻生育进程的延续，大气CO2浓度升高条件下，稻田水体中过滤性铁浓度在水稻生育后期提高最大，为32.95％，初期最小，为11.18％;过滤性锰浓度在生育中期提高最大17.27％，分蘖期提高最小14.47％;总锌浓度在分蘖期提高最大，达89.47％，生育前期提高最小为35.29％，不同生育期之间稻田水体过滤性铁，总锌浓度存在显著差异，过滤性锰浓度差异不显著。
　　 3.大气CO2浓度升高提高了分蘖期、拔节期和孕穗期稻田土壤有效铁含量，降低了返青期土壤有效铁含量(P＞0.05)；大气CO2浓度升高提高了返青期和孕穗期稻田土壤中有效锰含量，降低了分蘖期和拔节期土壤有效锰含量(P＞0.05)；大气CO2浓度升高提高了各个生育期稻田土壤有效锌含量(P＜0.01)。随着水稻生育进程的延续，大气CO2浓度升高在水稻分蘖期对土壤有效铁的提高效应最大，与对照相比，提高了30.89％，在水稻的返青期降低了9.09％；大气CO2浓度升高在水稻的返青期对土壤有效锰的提高效应最大，与对照相比，提高了24.94％，拔节期降低了10.28％;大气CO2浓度升高在水稻的返青期对土壤有效锌的提高效应最大，与对照相比，提高了211.88％。不同生育期之间稻田土壤有效铁差异不显著；稻田土壤有效锰差异极显著；稻田土壤有效锌差异显著，CO2和生育期互作效应不显著。
　　 总之，大气CO2浓度升高可通过改变稻田生态系统的方式来影响水稻生产和稻田生态环境。因此研究大气CO2浓度升高条件下，对水稻生长有益的微量元素在农田生态系统中循环变化，对未来大气背景下，合理施肥，保护农田周围水环境，减少农田微量元素流失提供重要的依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1 研究背景

2 国内外研究进展

2.1 CO2浓度升高对作物地上地下的综合影响

2.2 CO2浓度升高对土壤微生物的影响

2.3 CO2浓度升高对土壤酶的影响

2.4 CO2浓度升高对植物体养分、稻田水体养分及土壤养分变化的综合影响

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

第二章 大气CO2浓度升高对水稻植株体内微量元素含量的影响

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 大气CO2浓度升高条件下水稻不同部位微量元素浓度

2.2 大气CO2浓度升高条件下水稻不同部位微量元素累积量

3 结论与讨论

3.1 结论

3.2 讨论

参考文献

第三章 大气CO2浓度升高对稻田水体微量元素的影响

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.2 水样采集与测定

1.3 数据统计和分析

2 结果与分析

2.1 大气CO2浓度升高条件下稻田水体过滤性铁浓度

2.2 大气CO2浓度升高条件下稻田水体过滤性锰浓度

2.3 大气CO2浓度升高条件下稻田水体总锌浓度

3 结论与讨论

3.1 结论

3.2 讨论

参考文献

第四章 大气CO2浓度升高对稻田土壤微量元素有效性的影响

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 大气CO2浓度升高条件下稻田土壤有效铁含量

2.2 大气CO2浓度升高条件下稻田土壤有效锰含量

2.3 大气CO2浓度升高条件下稻田土壤有效锌含量

3 结论与讨论

3.1 结论

3.2 讨论

参考文献

第五章 全文结论与讨论

1 结论

2 讨论

3 论文创新点

4 展望

致谢

附：攻读硕士学位期间发表论文目录