青藏高原植物生長的「氮素」秘密

光明網 發佈 2020-08-12T09:43:55+00:00

青藏高原平均海拔4000米以上,素有「世界屋脊」,「雪域高原」和「第三極」之稱,是地球上海拔最高的高原。由於海拔高、氣候寒冷,青藏高原孕育了大量的多年凍土,成為北半球面積最大的高寒凍土分布區。

青藏高原平均海拔4000米以上,素有「世界屋脊」,「雪域高原」和「第三極」之稱,是地球上海拔最高的高原(圖1)。由於海拔高、氣候寒冷,青藏高原孕育了大量的多年凍土,成為北半球面積最大的高寒凍土分布區。

圖1 唐古拉山口 (攝影:寇丹)

在這個孕育著多年凍土的寒冷的高原上,各種植物在頑強地生長著,構成了類型多樣的植被群落。作為分布最為廣泛的植被類型,高寒草地約占高原面積的60%以上,主要由高寒草原、高寒草甸和沼澤化草甸組成(圖2)。其中,高寒草原和高寒草甸分別主要分布在氣候乾旱的高原西部和氣候濕潤的高原東部,而沼澤化草甸作為一種隱域植被零星分布在高原面上。不管是草甸還是草原植物,都需要通過吸收土壤中的氮或者固定大氣中的氮來維持自己的生長。因此,青藏高原植物生長的秘密可能與氮素密切相關。

為了揭示影響青藏高原植物生長的「氮素」秘密,中國科學院植物研究所楊元合研究組於2013-2016年間在青藏高原開展了大範圍的凍土樣帶調查,獲取了大量凍土樣品(圖3-4)。基於這些野外調查,結合同位素和分子生物學技術、生態系統模型等多種手段,他們發現了以下兩個與植物生長密切相關的 「氮素」秘密。

圖2 沼澤化草甸景觀(攝影:寇丹)

圖3 青藏高原凍土採樣(攝影:寇丹)

圖4 野外採集的凍土樣品(攝影:寇丹)

秘密一:

氣候變暖背景下,青藏高原凍土融化後釋放的氮對植物生長的影響較弱。早期來自北極地區的研究表明,氣候變暖引發的凍土融化會通過兩個途徑導致植物可利用氮的大量釋放:一是凍土中封存的植物可利用性氮的直接釋放,二是凍土中封存的有機氮通過分解釋放植物可利用性氮。

此外,來自北極地區的研究還表明,凍土中封存的可利用性氮的含量和有機氮的分解釋放速率均高於表層土壤。由於北極凍土區活動層(夏天融化、冬天凍結的層次)淺,植物可以吸收利用凍土融化釋放的可利用性氮進而促進其生長。與之相比,青藏高原凍土區平均活動層厚度在2米以下,這導致高寒植物難以吸收利用凍土融化釋放的可利用性氮。

進一步研究發現,與表層土壤相比,青藏高原凍土中封存的可利用性氮的含量以及有機氮的分解釋放速率均低於活動層土壤(圖5),這進一步削弱了凍土融化氮釋放對青藏高原植物生長的影響。

圖5 活動層與凍土層土壤氮轉化過程及其調控因素的差異(繪圖:毛超)

秘密二:

青藏高原的環境變化導致氮對該地區植物生長的限制作用增強。這主要由三個方面的原因所導致。

第一,如上所述,青藏高原凍土融化後釋放的可利用性氮對植物生長的影響較弱。

第二,大氣CO2濃度增加和氣候變暖促進了青藏高原的植物生長,進而增加了高寒植物對氮的需求量(圖6)。

第三,環境變化導致青藏高原草地生態系統中的氮向大氣的釋放速率增加,從而導致植物可利用性氮的損失量增加(圖6)。

上述三個方面的共同作用導致在當前環境變化背景下氮對青藏高原植物生長的限制作用呈增強趨勢。

圖6 2000s-2010s期間青藏高原凍土區氮循環變化特徵(繪圖:張典業和寇丹)

上述兩個秘密以兩篇研究論文的形式近期發表在國際學術期刊Nature Communications和Global Change Biology。植物所已畢業博士研究生寇丹和在讀博士研究生毛超分別為論文第一作者,楊元合研究員為通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金、第二次青藏高原綜合科學考察研究等項目的資助。

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