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植物多樣性通過養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)緯度梯度上土壤氮磷對碳過程的限制
在全球氣候變暖與森林生態(tài)系統(tǒng)功能維持的雙重挑戰(zhàn)下，理解植物多樣性如何通過影響土壤養(yǎng)分平衡來提升森林適應(yīng)力，已成為生態(tài)學(xué)與林業(yè)管理的核心議題。以往研究多聚焦于氣候、地形等環(huán)境因子對土壤碳(C)、氮(N)和磷(P)化學(xué)計(jì)量的整體影響，而對于植物多樣性，尤其是自然森林森林生態(tài)系統(tǒng)中，如何在不同環(huán)境背景下調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分限制，仍缺乏大尺度的實(shí)證證據(jù)。
近日，中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(以下簡稱“版納植物園”)土壤生態(tài)研究組依托中國西南-中南半島森林樣帶(東經(jīng)101度森林樣帶)上的6塊20公頃大樣地，基于地統(tǒng)計(jì)方法采集了1322份土壤樣品，并結(jié)合植被與地形數(shù)據(jù)，在大尺度上揭示了自然森林生態(tài)系統(tǒng)中植物多樣性通過改變土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)土壤氮磷養(yǎng)分元素相對于碳的限制性。研究發(fā)現(xiàn)，植物多樣性對土壤養(yǎng)分平衡具有顯著且環(huán)境依賴的調(diào)節(jié)作用?？傮w上，樣地植物多樣性與土壤中P含量呈正相關(guān)關(guān)系，與C/N、C/P和N/P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明地上植物的多樣性可能有助于緩解生態(tài)系統(tǒng)的P限制。然而，這種關(guān)系強(qiáng)烈依賴于土壤本底的P素含量狀態(tài)：在P素相對貧乏的森林中，高的植物多樣性主要提升土壤P素含量，降低P限制;而在P素相對豐富的森林中，高的植物多樣性則促進(jìn)C和N的積累，可能增強(qiáng)C的固存能力。研究進(jìn)一步指出，土壤P元素在植物多樣性—化學(xué)計(jì)量關(guān)系中處于核心調(diào)控地位。植物多樣性通過促進(jìn)根系互補(bǔ)、增強(qiáng)菌根共生與磷酸酶活性等生物學(xué)過程，提升P素的活化與向上傳輸能力，從而在貧P環(huán)境中優(yōu)化P供應(yīng)。
此外，研究還證實(shí)，氣候因子(溫度與降水)主導(dǎo)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量的大尺度地理格局，而地形異質(zhì)性(如地形崎嶇度)則通過影響微環(huán)境與植物多樣性，進(jìn)一步調(diào)控局部養(yǎng)分保持能力。該研究不僅深化了對生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的理解，也為推動(dòng)基于自然的森林可持續(xù)經(jīng)營、增強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對全球變化的韌性提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)研究成果以“Plant diversity shifts soil phosphorus and nitrogen limitations to carbon processes along latitudinalgradients: Role of nutrient stoichiometry”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Forest Ecology and Management上。版納植物園土壤生態(tài)研究組特別研究助理Belayneh Azene為該論文第一作者，夏尚文和何新星副研究員為共同通訊作者，楊效東研究員在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文撰寫的過程中提供了框架性指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、面上項(xiàng)目和版納植物園自主部署科研項(xiàng)目的支持。
圖1 線性混合效應(yīng)模型估算的植被和地形因素對土壤養(yǎng)分計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)
圖2 不同緯度樣地植物多樣性與土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系，溫帶亞高山針葉林區(qū)(PD和LJ樣地)、亞熱帶山地常綠闊葉林區(qū)(DL和AL樣地)以及熱帶季雨林區(qū)(NB和BB樣地)
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