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大气CO2浓度持续增加对生态系统的影响为全球关注。本工作采用田间原位红外分析(IRGA，infra-red CO2 gas analyzer)、分根生长箱培养、静态箱采样、气相色谱(GC，gas chromatography)、同位素质谱等技术，依托中国FACE(Free AirCarbon Dioxide Enrichment)试验平台，以CO2浓度(Ambient； FACE，Ambient+200 pmol mol-1)为主处理，氮水平(HN，225 kg ha-1； LN，112.5 kg ha-1)为副处理，在冬小麦生长期间，研究了高CO2浓度和施氮水平对稻田土壤呼吸及土壤碳周转的影响，分析了根系或根际呼吸、新、老有机质分解等对土壤呼吸的贡献及土壤温度的影响，讨论了未来高大气CO2浓度情景的土壤碳收集趋势、为预测土壤碳的变化和制定农田土壤碳管理措施提供了一些科学依据。
观测结果表明，案例地区土壤呼吸速率日变化呈单峰曲线，峰值出现在12:00-16:00。麦季土壤呼吸的变化规律与植物生长规律一致，在孕穗-抽穗期达到最大值。种有作物的±壤呼吸总量是基础土壤呼吸的1.2-1.5倍。大气CO2浓度升高显著增加了旺盛生长阶段的土壤呼吸速率和累积土壤呼吸。麦季FACE环境下累积排放CO2在高氮和低氮处理分别为41-45mol m2和37-43mol m-2，比对照分别增加约8-24％和10-15％。阻断根法所测全生育期根际呼吸占土壤呼吸的比例两季平均后在高CO2浓度环境的高氮和低氮处理分别为30.8％、24.8％，对照分别为24.7％、20.3％。麦田土壤呼吸速率和基础土壤呼吸速率与温度具有显著的指数相关性，但FACE环境中温度与土壤呼吸速率的指数相关系数和Q10值低于对照。增加氮肥用量有增强土壤呼吸的趋势，但在统计上达不到显著水平。说明植物生长、温度是影响土壤呼吸的主要因素。大气CO2浓度升高将加快土壤-大气界面CO2交换，但降低土壤呼吸对温度增加的敏感性，有可能减缓土壤碳分解损失速度。
利用分根培养箱-GC法区分根系呼吸，两年的结果表明，对照区根系呼吸随作物生长呈下降趋势，而FACE条件在小麦生长前期对根系呼吸影响不大、生长中期促进了根系呼吸、生长后期降低了根系呼吸。与对照相比，FACE降低了生长早期与后期小麦根系呼吸对土壤呼吸的贡献，而于生长中期增加了相应的贡献，该效应在生长中、后期达到显著或接近显著差异水平。大气CO2浓度增加降低了累积根系呼吸所占土壤呼吸的比例，该比例在FACE环境中分别为22-25％(HN)和24-25％(LN)，对照分别为26-30％(HN)和27-29％(LN)。高氮处理的根系呼吸及其贡献率高于低氮处理，统计上未达显著水平。
稳定13C同位素法研究田间碳周转的结果表明，土壤呼吸中源于原土壤有机碳分解在FACE环境分别为41％(HN)和44％(LN)，对照分别为50％(HN)和55％(LN)；源于作物当季新输入有机碳分解在FACE环境分别为34％(HN)和31％(LN)，对照分别为20％(HN)和16％(LN)。FACE显著增加了土壤呼吸中源于新有机碳分解的贡献，而降低了原有机碳分解的贡献，这对增加土壤碳积累有积极作用。在C4土壤上种植一季冬小麦后，土壤有机质的613C显著降低，表明土壤碳库中有较多当季’C3作物新输入碳。作物生长改变了土壤有机质的组成，促进了土壤有机质的更新，这种作用在高氮处理下有大于低氮处理的趋势。FACE条件下的更新率为6.7-8.6％，在对照为3.6-4.6％，FACE提高了土壤有机质的更新率，示未来高CO2浓度环境中，土壤有机碳的更新将加快。
经初步计算，在高CO2浓度和对照条件下，麦季由作物根系向土壤输入的碳占作物净同化碳经两季平均为48％和42％，根际呼吸排放的碳平均占23％和22％，当季残留在土壤中的碳平均占21％和15％。根际呼吸占土壤输入碳平均为48％和53％，而当季残碳平均占44％和35％；根系碳平均占9％和12％。与对照相比，FACE提高了碳同化量，增加了碳向土壤的输入和当季残留碳，有利于土壤碳积累。高CO2浓度条件加快了土-气界面的CO2交换，也增加了净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)，在未来大气CO2浓度增高情景下，稻田生态系统中土壤可能是大气CO2的汇。