王忠/于丹团队揭示青藏高原和干旱半干旱区湿地植物N-S元素相关性解耦机制

发布时间 : 2022/12/02点击量:

  2022年11月22日,地球科学领域权威期刊《Global Biogeochemical Cycles》(美国地球物理协会会刊,JCR一区Top期刊,IF=6.5)在线发表了世界杯买球官方网站梁子湖国家站研究论文“Salinity Induces Allometric Accumulation of Sulfur in Plants and Decouples Plant Nitrogen-Sulfur Correlation in Alpine and Arid Wetlands”(盐度升高诱导植物体内S元素异速积累并导致N-S元素相关性解耦)。

  氮(N)元素和硫(S)元素是调控植物生长的关键元素,植物体内的N元素主要位于结构性大分子(如蛋白质)中,而S在植物抗逆性(如高盐度、干旱或极端温度)中起着重要的调节和催化作用。全球变化导致的土壤盐渍化显著影响元素的生物地球化学循环,引起物种生理和生态策略的变化,同时通过改变群落物种组成来影响湿地生态系统。虽然盐胁迫对植物生理过程的不利影响已经在受控实验中得到了广泛的讨论,但迄今为止,自然盐度梯度上植物生态化学计量特征的变化格局及其驱动机制的研究尚未见报道。

  中国西部青藏高原和干旱半干旱区正经历着持续变暖和降水改变的影响,是响应全球气候变化的敏感区域。此外,该区域强烈的蒸散作用和广泛分布的含盐土壤母质,导致其湿地生境中存在较广的盐度梯度,为探讨植物对气候、养分和盐胁迫的适应策略提供了理想平台。在2018到2019年间,梁子湖国家站师生团队在青藏高原和干旱半干旱区进行大尺度的野外调查(图1),在230个湿地内采集了1366个植物样品和230个沉积物和水体样品,并结合气候数据,系统分析了气候、养分供应以及环境胁迫对N-S生物地球化学循环和植物群落结构的影响。

图1 研究区域及采样位点图


  研究表明,在中国西部高寒和干旱湿地,挺水和沉水植物叶片N含量在不同盐度水平上无显著差异,而叶片S含量则随盐度增加而显著升高,导致湿地植物N-S相关性沿盐度梯度呈单峰模型。同时,通过线性混合效应模型(Linear mixed effects model, LMM)分析发现,水体盐度是导致植物N-S相关性解耦的关键环境因子,而气候(温度和降水)和营养供应影响较小。研究进一步推导出3.9‰为水体盐度导致植物N-S解耦的关键阈值(图2,图3),当水体盐度低于3.9‰时,植物N-S因正常代谢过程而紧密耦合,呈正相关关系;而当水体盐度超过3.9‰时,植物需要更多S元素以维持渗透平衡(通过硫酸盐和含S的有机化合物)和清除活性氧(通过GSH),保证湿地植物在高盐胁迫下的生存,而N元素则因高水体盐度而被限制吸收,导致了N-S相关性的解耦(图4)。此外,研究还分析了在群落水平上水体盐度变化对物种组成的影响,高盐胁迫排除了不耐盐物种,降低了群落物种丰富度,并导致了植物群落的重组,为未来气候变化背景下物种的生存和群落的物种组成变化提供了科学依据。


图2 挺水植物N-S与环境变量(GST、Sediment N:S和Water salinity)的线性模型以及线性混合效应模型结果



图3 沉水植物N-S与环境变量(GST、Sediment N:S和Water salinity)的线性模型以及线性混合效应模型结果


  综上所述,盐胁迫通过诱导植物S元素的异速积累和N元素的吸收限制而导致N-S相关性的解耦,并且在群落水平上选择耐盐物种来改变湿地植物群落结构。对湿地生态系统中沉积物、水体、植物沿盐度梯度下N-S生物地球化学循环过程的深入研究,可以揭示盐胁迫引起的潜在威胁以及气候变化下植物在物种和群落水平上的响应机制和适应策略。


图4 水体盐度调节N-S生物地球化学循环过程的概念模型


  2022世界杯买球官方网站梁子湖国家站博士研究生左振君和赵浩存为共同第一作者,杨磊、吕田、李向彦和马菲也参与该项工作,王忠副教授和于丹教授为共同通讯作者。王忠副教授在中科院青藏高原研究所读博期间,在青藏高原海拔5000m的高寒草甸开展4年野外调查;到买球官网做博士后从事青藏高原高寒湿地水生植物生态化学计量学研究;现作为援藏教师在西藏大学继续开展工作。左振君入学5年以来一直从事水生植物野外调查研究,获取了大量野外观测研究数据资料。本研究工作得到了国家自然科学基金(31300296)和科技部科技基础性工作专项(2013FY112300)的资助。

原文链接 https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GB007372


论文第一作者左振君在新疆巴音布鲁克湿地采样(杨磊摄)


论文作者杨磊在青藏高原玛旁雍错湖畔湿地采样(海拔4580m,王忠摄)


青藏高原班公湖畔高寒湿地景观(海拔4260m,杨磊摄)


干旱半干旱区新疆巴音布鲁克湿地景观(杨磊摄)


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