大气CO2浓度升高对地上部分的影响.doc

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1、植物地上部分对大气CO2浓度升高的响应马红亮，朱建国，谢祖彬中国科学院南京土壤研究所，江苏南京摘要：论述了大气CO2浓度升高对植物地上部分可能的影响。大气CO2浓度升高对植物的影响，主要是促进了植物生长早期的光合作用，同时也增加了对其他资源的需求，；植物的光合作用也存在对高CO2浓度的适应，不会一直维持较高的光合水平，而且植物的呼吸作用也可能会增加；大气CO2浓度升高和其他环境条件，如水分，温度和光照等对植物生长和产量存在相互作用，可以部分弥补条件的不足，也影响作物和杂草的竞争关系；自然植物群落由于有很高的多样性和复杂性，对其研究应该在生物群落水平上进行，用外推法回到植物水平，而不是相反，而且

2、自然物种间的竞争是激烈的，CO2浓度升高或其他因素带来的任何改善，都会明显地改变竞争平衡。关键词：二氧化碳CO2浓度升高；光合作用；呼吸作用；环境条件；植物群落中图分类号：X173S314文献标识码：A文章编号：1672-2175（2004）03--0004自19世纪70年代工业革命以来，由于人类活动(煤炭、石油等化石燃料的燃烧和森林,植被的破坏)的影响，大气CO2浓度正逐步上升，目前已由100多年前的260-~280µmol/mol上升到350µmol/mol左右，并继续以每年1-~2µmol/mol的速度增加[1]。有学者估计，到2050年前后大气CO2浓度将升高到450－~550µmol

3、/mol之间，；到21世纪末将达到700µmol/mol[2]。由于CO2是植物光合作用的底物，大气CO2浓度的升高势必会影响植物的生理反应，进而影响植物地上与地下部分质量和生物量分配的策略，影响土壤中根系和土壤生物的活动，影响植物群落结构和功能的变化，这一研究途径越来越引起人们的重视[3,4]。1光合作用众所周知CO2是一切农业作物进行光合作用的底物，因此CO2浓度的升高必然会直接促进作物的光合作用。但是对不同试验作物种类、试验设置和环境条件，CO2的影响不同。另一方面植物会通过改变其自身光合器官的生化构成来适应升高的CO2浓度，在升高的CO2浓度条件下，植物的光合速率有可能会降低到接近目前

4、CO2浓度条件下的光合速率水平。最近Moore等[5]就评论了光合作用适应高CO2浓度的生物化学和分子学的基础依据，表明植物自身存在适应高的CO2浓度的可能性和机理。尽管我们都知道在高CO2浓度条件下作物的生长增加，但是不会长期增加[6]。当植物首先暴露在高CO2浓度条件下，会在开始有一个高的光合作用发生，但几天或者几周以后就可能会下降，就不能维持开始时净CO2的吸收速率（µmolm-2s-1）。Acock[7]指出在短期实验中高的CO2浓度明显的提高了叶子的光和速率，但是长期暴露在高CO2浓度下就会发现光合作用在下降[8]或者升高[9]。Centritto等[10]的研究结果也显示高的CO2

5、浓度对树木生长的主要影响之一就是在各方面加快早期发展的速度。Rogers和Humphries[11]对净CO2吸收促进作用适应性进行研究，结果表明这种适应几乎完全是由于核酮糖1,，5-—二磷酸羧化-—加氧酶的最高羧化速度的降低导致的。即使光合作用有下降的迹象，许多观察者仍就观察到光合作用的速率显著地高于常规（对照）CO2浓度条件下期望的值。一般来说，升高CO2浓度对光合作用容量的影响仍然不能确定，但是有关库活度的考虑（比如，碳C在各种植物组织中的分配）可能对于解释许多分散的结果有所帮助[12,13]。高的CO2浓度促进光合作用，特别是在C3植物，本质上是由高的CO2浓度产生的，因为CO2和O2

6、会同时在催化酶——____核酮糖1，,5-—二磷酸羧化-—加氧酶上竞争同一位点[14]。C4受到的影响不大，因为它的光呼吸总是受到CO2-浓缩机理的抑制[15]，因此C4植物的光合有效性高于C3植物。在大气CO2浓度升高时，C4植物很快达到饱和，但对于C3植物，光合作用在CO2浓度变化的很大范围内（可以达到几百个µmol/mol）的响应是不断增加的。Wand等[16]在文中指出高的CO2浓度使C3和C4植物的碳同化速率分别升高33%和25%，总的生物量增加44%和33%，而且只有在高CO2浓度条件下C3植物中叶子的碳氢化合物含量增加和氮浓度降低才达到显著水平。植物光合作用的提高，固定的碳C量增

7、加，必然会增加对养分的吸收，特别是氮N。Zerihun等[17]指出在高CO2浓度条件下植物氮N的吸收降低21%-~29%，但是光合作用氮N吸收的利用率因羧化作用需要的CO2饱和度的增加而增加了近50%，这可能就是尽管植物组织中氮N浓度降低高的CO2浓度还是增加了生物量的积累的原因。2呼吸作用尽管对CO2影响植物生长和光合作用的研究进行了很多，但是直接对植物呼吸影响的研究相对地很少。呼吸作用中CO