一个自然生态系统中CO2浓度升高、气候变暖和降水减少如何进行相互作用影响土壤水分和叶面积指数外文翻译.doc

外 文 翻 译一个自然生态系统中，CO2浓度升高、气候变暖和降水减少如何进行相互作用，影响土壤水分和叶面积指数？摘要 在调节整个系统对二氧化碳浓度升高、气候变暖和降水改变的综合影响的反应过程中，土壤水分含量和叶面积指数是两个重要属性。气候变暖和干燥可能会减少土壤水分，而且当这些因素结合起来作用时，这种影响可能会加剧。然而，高浓度的二氧化碳可能会增加土壤水分含量，同时，当其与气候变暖和干燥结合时，可能会部分补偿它们的影响。叶面积指数对高浓度二氧化碳和气候变暖的反应将会与土壤湿度紧密联系在一起，并可能缓解或加剧全球变化对土壤水分的影响。在田纳西州东部的Oak Ridge 国家实验室的OCCAM实验中，利用开顶箱检测高浓度二氧化碳、气候变暖和不同灌溉方式对土壤吸收水分能力的交互作用。气候变暖使土壤水分含量持续减少，而灌溉的减少使这种影响加剧。尽管如此，高浓度的二氧化碳能够缓解气候变暖和干燥对土壤湿度的影响。叶面积指数通过AccuPAR ceptometer测定，同时，通过灌溉及升高二氧化碳浓度，叶面积持续时间和冠幅大小均有所增加。叶面积指数的变化与土壤水分状况密切相关。美国东南部预计在未来将会变暖变干，同时，这项研究表明，虽然高浓度二氧化碳将会改善干燥和气候变暖的影响，但是将来，在自然生态系统中，土壤水分的损失会引起叶面积指数的减小。关键词 气候变化；生态系统；相互作用；OCCAM；导言 全球范围内的二氧化碳浓度增加，气候变暖和水分输入的减少是目前全球变化作用于生态系统的部分最重要因素。虽然，在了解二氧化碳浓度升高，气候变暖和降水减少如何改变并应用于孤立的生态系统方面，取得了很大进展，但对这些因素之间如何相互作用影响植物、群体和最终的生态系统运作却了解很少。生态系统对二氧化碳升高，气候变暖和降水变化的反应，将会通过土壤湿度变化在空间和时间上的分布得到部分缓解，但预测土壤水分含量是如何响应相互作用的全球变化因素是困难的。气候变暖主要通过增加水分蒸发降低土壤湿度，并且当与降水量低投入结合时，这种影响将进一步加剧。高浓度二氧化碳通过降低气孔导度和水平方向的蒸发，产生与气候变暖相反的影响。但是，尚不清楚是否二氧化碳浓度升高将缓解或增强一些气候变暖和干燥的影响对土壤湿度的影响。植物冠层是植物的生理和物理过程控制大气和地球生物圈之间的能量和水分交换的界面。冠层大小的改变往往与土壤含水量密切相关。例如，有限的土壤水分常常会使最大叶面积指数减小，并导致植物过早枯萎。虽然蒸发蒸腾量可能会减少，但这样引起的叶面积指数减小，实际上可能加剧土壤水分由于热负荷的增加和土壤表面蒸发的增大引起的损失。在高浓度二氧化碳、低光合补偿点状态下，延迟衰老，增加叶片数量和大小都可能有助于增加叶面积指数。叶面积指数的反应又会反过来影响土壤水分含量，例如在高浓度二氧化碳状况下，叶面积指数增大可能会增加表面的蒸发蒸腾量；或者，在温暖干燥的状况下，土壤水分的损失可能会放缓，如果此时叶面积指数也出现减小的情况。对未来的生态系统发展而言，了解当高浓度二氧化碳、气候变暖与降水减少结合作用时，叶面积指数是如何通过回应和反馈来改变土壤含水量是至关重要的模式。为了确定高浓度二氧化碳，气候变暖和降水改变如何相互作用，从而影响土壤水分含量和未来生态系统的叶面积指数，我们设置了开放的顶端实验室，并构造清除保护带，复制在美国田纳西州东部的作物群体。自然生态系统由于其结构，多样化和增长速率被选为模型；自然系统，其中包括美国大陆的大约50000平方公里，是一个演替初期的生态系统，其主要代表一个潜在的重大的碳储存库。我们预计在这个系统中，相互作用，在推动土壤水分和叶面积指数对高浓度的二氧化碳，气候变暖和水分投入的减少的反应方面，将会成为很重要。具体来说，我们预计在温暖条件下，土壤墒情将会下降，而相对于单独出现变暖情况，气候变暖和干燥之间的相互作用会加剧土壤水分的损失。生长在高浓度的二氧化碳状况下，通常会导致气孔导度下降，我们预计，在这个系统中，如果存在高浓度的二氧化碳，土壤水分含量将会升高，气候变暖和干燥对土壤湿度的影响，当与高浓度的二氧化碳联合作用时，将会被部分缓解。我们预计，叶面积指数对高浓度的二氧化碳，气候变暖和降水改变的响应将会与那些因子对土壤湿度的影响紧密地联系起来。具体来说，我们预测，高土壤水分含量和高浓度二氧化碳条件下，将会使叶面积指数出现最大值。我们预计，叶面积持续时间，也就是长季节里吸收利用碳的能力，在水分得到充足供应以及高浓度二氧化碳的条件下，将会增强达到最大值。材料和方法 实验地说明研究位置是在OCCAM试验场的ORNL实验室，在田纳西州Oak Ridge环境研究公园里（35 ° 54'N；84 ° 21'W）。在这个实验地，降水全年均匀分布，平均每年为1322毫米，7月平均最高温度为31.2，一月平均最低温度为-2.7。土壤由漫滩冲积形成，为精细砂质的Captina沙壤土，硅质，湿度适中，排水良好，并略显酸性。实验设计和安装每块地的建设开始于2002年初夏，当时现有的植被已死于草甘膦除草剂的应用。为了建造一个可以单独浇灌的实验区，每个小区在南北方向上围绕其周边及沿线直径被挖至75厘米深度。为了尽量减少横向流动的分面水以及流入和流出小区的积热，沟内装衬了4-mil聚氯乙烯（PVC）薄膜，荷兰国际集团的绝热泡沫板，并与包装的土壤回填。在每个沟里的土壤，即使左完整以保持土壤结构。实验小区种植了美国东南部旧群体常见的7种植物物种。须芒草粟湖，C4的草；C3草的鸭茅湖和羊的幌子；自身固氮的豆类胡枝子山楂踯躅和三叶草；草坪型草湖；在该实验地薄弱的两年生车前；草本双子叶植物杉湖；常年生的加拿大一枝黄花。最初的种植密度约为31 平方米每株。开放式的高顶棚（4米直径，2.2米高）覆以干净的PVC板，在每个OTC较低一半的双面板的壁内穿2.5厘米的孔，通过这个孔，适当温度的气流和二氧化碳能够流入。棚上配备了蒸发冷却器，加上网上加热线圈以达到所需的温度。温度和二氧化碳的控制是通过Norby等（1997）描述的方法实现。 实验棚的材料大约减少了30的PAR。每一个OTC 覆盖了6米× 5米的防雨棚，并建造了6-mil的PVC薄膜延伸至9厘米宽，压钢温室使其弯曲贴在钢架的中心，从最低高度点2.2米到约3.3米的高度不等。气候变暖和二氧化碳的实验开始于2003年4月，在这一年里每天保持24小时。全部的田地接受环境中的二氧化碳（环境+300 ppm ），以及环境中的高温下（室温+ 3）。每整块的地被沿其直径分裂为2 个6.3平方米的试点单位；每个试点单位，或小块田地，被分配到两个由灌溉差异造成的土壤水分处理中的其中一个（“湿”，“干”）。每个6.3平方米的单元代表了独特的土壤水分，二氧化碳和变暖处理，被安置在三个建筑其中的一个，用以作为环境条件潜在变化的说明（3例）。2004年5月1日和2004年9月30日空气的平均温度，与2005年同一时期，环境温箱的温度分别为21.7 ± 0.2和21.3 ± 0.2 ° C，温暖室分别为24.5 ± 0.2和23.5 ± 0.2。室内空气温度和外界空气温度与环境和暖室内温度之间的差异分别平均为0.55 ± 0.23° C和3.20 ± 0.21 ° C。每小时的温差在0.5之内的意思是，有74的时间处于环境温度，且89%的时间处于暖室中。室内的二氧化碳浓度在白天平均为396 ± 3ppm，在高浓度二氧化碳室内为696 ± 10.0 ppm。标准偏差代表了同一个二氧化碳处理的六个室内的变化；在周围环境及高浓度二氧化碳室中，经过2年以上的观察，每小时的标准差从29到72ppm。灌溉处理开始于2003年6月，并且是根据Oak Ridge气象站的长期的每周平均降水记录调整± 50，以实现“湿”和“干”的灌溉处理。在2003年的种植季节里， VWC在所有不同深度的土壤之间几乎没有干湿处理的差别，因此，在2003年9月，我们调整我们的灌溉议定书，包括每周增加2毫米（干）和25毫米（湿）雨水。我们在单位点上将雨水收集进10000升的桶里，再使用计量软管和手持喷头进行灌溉。土壤水分含量的测量我们使用时域反射计（TDR）在每小块土地的六个地点监测土壤体积含水量（VWC）。将两个15厘米长的探针垂直地安装在土壤表面，这些代表着从0到15厘米土层处VWC的综合值。还在水平方向上安装了两个探头，分别在每个小区沿外周长的30和55厘米深处。土壤的VWC在生长季节每周（即3月到10月）进行记录，而在非生长季节（即11月到2月）每月作两次记录。 通过计算VWC数据的平均值，来获得在每个试验田的每个深度的月平均土壤VWC。为获取从0到15厘米土层深处的持续时间和土壤湿度的数值，VWC试验地的地块面积被合并，以获得VWCD（VWC持续时间），这类似与计算叶面积持续时间。土壤水分补给是每个实验室从10月到12月之间VWC的增加量，而土壤水分减少量被定义为从3月到5月之间土壤VWC的减少量。这些过程的速率是根据3月到5月（减少）VWC的减少坡度或10月到12月（补给）VWC的增加坡度计算的。叶面积指数测量叶面积指数通过使用AccuPAR线路整合ceptometer进行每月测定（2003年10月，2004年3月至10月之间，以及2005年3月到11月之间）。AccuPAR通过截获光合有效辐射计算叶面积指数。所有的测量都是利用中午一小时的太阳进行的。在2003和2004年，每个试验田地的六个地点，我们在每个样本的日期里，测量子样本的叶面积指数。2005年，我们减少了子样本数目使每块地达到4个。叶面积持续时间是集持续时间和冠幅的一个参数，每年里，叶面积持续时间是在每一个实验田地里，使用梯形规则，对叶面积指数曲线下的面积进行计算得到的。统计分析重复测量方差分析是用于测试实验处理对土壤水分含量和叶面积指数的影响。高浓度的二氧化碳，气候变暖和水分对叶面积持续时间的影响，使用混合模型方差分析的方法进行了分析。对实验方法全部进行了分析。二氧化碳水平，气候变暖和水分处理起到了混合作用，块和块之间的相互作用、二氧化碳和气候变暖被列为随机效应。一个块被界定为一个经过独立的水分，二氧化碳和气候变暖处理的完整重复（n = 3）。为了避免不同处理间效果的交互影响，进行了Post ho线性对比。根据水旱年，对分析进行了分离。为了确定二氧化碳浓度升高，气候变暖和降水减少是否影响了土壤水分补给和下降的速率，对3月至5月（缩减）土壤水分下降的坡度或10月至12月（补给）土壤水分增加的坡度进行比较。为了确定在这一年中，叶面积指数是否独立于VWC，在SigmaPlot，叶面积指数与VWCD之间的线性相关性被研究。对所有的数据和表格以及从混合模型的标准误差方差分析得到的相关差额，使用了至少平方的手段。不同处理之间的差异在p0.1时，被认为是显著的。结果 土壤水分含量 2004和2005年，虽然影响幅度随土层深度减少，并随时间变化，但是，二氧化碳浓度的升高，降水的减少和大气变暖之间的相互作用在确定土壤水分含量方面是很重要的。干燥和气候变暖的影响是单独的，当二者相结合时，会导致土壤湿度持续降低，而最大的土壤水分含量在高浓度二氧化碳，潮湿和温度适中的地块测量到。在二氧化碳浓度相对于空气升高的地块上，有一个一致的变化趋势，土壤含水量更大，虽然这在统计中表现得并不显著。2004年，二氧化碳浓度升高显著减少了气候变暖和干燥对土壤水分的影响。然而，当看一年中的平均情况时，气候变暖对土壤水分的影响一般强于高二氧化碳浓度。 土壤水分补给和减少虽然，在春天和秋天，二氧化碳浓度升高，气候变暖和水分在影响土壤水分减少和补给方面起重要作用，且还没有检测到处理之间的相互作用。二氧化碳浓度升高降低了土壤水分减少的速率，而气候变暖和干燥则具有相反的效果。虽然大气二氧化碳浓度升高，在增加VWC方面，起到了重要作用，但这些影响并没有改变秋季土壤水分的降低速率。气候变暖也没有对介于0和15厘米土层处的土壤水分补给率产生影响。然而在这两年里，干燥却使土壤水分的补给率增加。叶面积指数2004年水分和二氧化碳之间的相互作用，2005年气候变暖和水分，是推动叶面积指数变异的重要因素。浇水能够持续地增加叶面积指数，并且，最大的叶面积指数值，是在潮湿和高浓度二氧化碳的试验地检测到的；而最小的叶面积指数值是在干燥和温暖的地块测定的。果然，这些相互作用的强度随时间变化，而叶面积指数对水分，气候变暖和二氧化碳浓度升高的反应是在2004年至2005年的生长季节变化的。叶面积持续时间和土壤体积水分持续时间2004年，LAD和VWC之间存在着密切的关系。然而，这一关系在2005年并没有被发现。升高二氧化碳浓度还会使LAD二氧化碳呈增长趋势，而干燥会使其减少。在高浓度二氧化碳中，VWCD呈升高趋势，然而，这种效应不显著。气候变暖使VWCD降低，而干燥也有类似作用。不同处理之间的相互作用在确定叶面积持续时间以及确定在高浓度二氧化碳与一般环境比温暖的试验地和室温试验地中，叶面积持续时间差异更大，这两个方面是很重要的。不同处理之间的相互作用在确定VWCD时并不重要。讨论二氧化碳浓度升高，气候变暖和灌溉减少对土壤水分和叶面积指数的交互效应是复杂的，然而，一些相似的模型出现了。气候变暖和干燥降低了土壤湿度，这些因素之间的相互作用加剧了它们单个的影响。然而，在温暖且干燥的条件下，土壤水分的减少通过提高二氧化碳的浓度得以缓解。虽然，其他因素与叶面积指数对气候变暖和高浓度的二氧化碳的反应进行密切配合来改变土壤墒情叶可能很重要。在温暖且干燥的小区中，群体的叶面积指数水平一直很低，但是，2004年，当这些因素联合作用时，高浓度的二氧化碳比气候变暖和干燥的补偿影响更大。虽然，这种影响在多年里变化着，但高浓度二氧化碳和灌溉使植物的叶面积指数和叶面积持续时间增大。高浓度的二氧化碳和气候变暖对土壤湿度的最大的影响发生在生长季中，这表明，在调节生态系统对高浓度二氧化碳和气候变暖的响应过程中，生理过程发挥很大的作用。2004年，当气候变暖和干燥以及高浓度的二氧化碳交互作用时，它们对土壤水分的影响减小了。在2004年测定了所有物种的气孔导度，但相对于一般空气，处于高浓度二氧化碳环境下的植物，在生长过程中，气孔导度一直在降低，这可能有助于减轻气候变暖和干燥对土壤水分的影响。虽然，降低气孔导度是植物在高浓度二氧化碳情况下的常见反应，但随后的在高浓度二氧化碳状况下，土壤含水量增加的现象是很罕见的。以往的研究表明，气候变暖和灌溉减少之间的相互作用对土壤含水量是尤其不利的；但是，当气候变暖和干燥以及高浓度的二氧化碳结合时，我们通过，强调在蒸腾过程中的预期减少量不会补偿土壤水分的流失来把这些结果进行延伸。很可能高浓度的二氧化碳、气候变暖和干燥对土壤水分含量的减少产生影响，一般地，并会通过对蒸散量的影响再次对土壤湿度产生作用。在植物生长过程中，高浓度二氧化碳下，植物的气孔导度降低，可能会使春季土壤水分减少的速度变慢。气候变暖和干燥具有相反的效果，并且很正常地，这些因素增加了土壤水分减少的速率。绿色冠层的测量，使用不同的植被指数进行归一化估计，并没有发现任何关于高浓度的二氧化碳，气候变暖或干早期季节性物候群体的影响，也表明了蒸散量在推动土壤湿度变化过程中的关键作用。虽然在2005年并不明显，但在2004年，高浓度二氧化碳使叶面积指数增加，充分缓解了气候变暖和干燥对冠层大小的影响。叶面积指数对高浓度二氧化碳的不一致反应可能是环境温度的年际变化的部分原因。通过抑制光呼吸作用，高浓度的二氧化碳降低了光合作用的光补偿点（LCP），使叶片在更深阴影下保持正碳平衡，从而增加叶面积指数。光呼吸速率随温度升高而上升，由于2004年3月至6月的气温与2005年的气温相比，明显增高，高浓度二氧化碳对叶片光合作用水平的积极影响可能已经更加明显。在一个农业生态系统，Dermody等（2006年）发现，在高浓度二氧化碳状态下，最大叶面积指数会增加，这是因为在冠层保留了更大的叶深与增加叶片大小的联合作用。在这里，这种机制也可能很重要，但在更复杂的像自然生态系统中，年度间物种的变异，整体资源的丰富性和可用性往往防止在高浓度二氧化碳中，叶面积指数的持续上升。在将来，全球气候变化可能使生态系统对入侵物种的影响更为敏感，许多外来植物物种已经出现在自然系统中，有可能在大片土地上极大地改变生物地球化学循环。入侵植物在自然领域出现并持久存在变得很方便，是因为一些结构，如深木本主根，其具有相当程度的耐旱功能。在这里，我们揭示出，即使在高浓度二氧化碳状况下，大气变暖和降水减少是如何相互影响，导致表层的土壤含水量减少了15厘米。但是，随着土层的加深，气候变暖与干燥对土壤含水量的影响逐渐减少。当土壤表面的水分耗尽时，相比于浅根生草和杂类草，根深蒂固的外来植物可能具有较为明显的竞争优势，并且在未来，预计这种优势可能促使其在温暖且干燥的环境下生存得更持久。全球生态系统中已经出现了大气成分改变，降水减少和温度变化的现象。这项研究表明，当被同时应用时，气候变暖和干旱对土壤水分含量的影响在扩大。此外，在温暖且干燥的条件下，土壤水分的损失并不会由于高浓度的二氧化碳的增长而完全补偿。全球变化对叶面积指数的影响，将取决于许多相互作用的因素，然而，土壤水分含量的变化将会特别重要，并且，对叶面积指数的相应的影响会对地面和大气层之间的物质和能量交换产生影响。通过将这样的理论成果应用于更多的研究实验中，它会使对本地景观尺度规模上的变化如何较大地改变能量交换与生物地球化学循环的预测成为可能。