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最新文獻(xiàn)解讀|溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

日期： 2023-05-31

標(biāo)簽:

原名：Temperature rather than N availability determines root exudation of alpine coniferous forests on the eastern Tibetan Plateau along elevation gradients

譯名：溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

期刊：Tree Physiology

IF：4.561

發(fā)表時間：2023.5

第一作者：Han?Yang

通訊作者：尹華軍? 張佩佩

主要單位：中國科學(xué)院成都生物研究所

摘? 要

背景：根系分泌物是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)能量交換和信息傳遞的重要載體物質(zhì)，是調(diào)節(jié)根際微生態(tài)系統(tǒng)活力與功能特征的關(guān)鍵要素，在森林土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)過程中具有十分重要的調(diào)控作用。然而，森林根系分泌物的關(guān)鍵生態(tài)驅(qū)動因子及其潛在調(diào)控機制尚不清楚。

方法：在本研究以青藏高原東部高寒針葉林為研究對象，通過對兩個海拔梯度序列各自優(yōu)勢針葉樹種（排除了樹種差異干擾）根系分泌物的原位收集，系統(tǒng)探討了海拔梯度下根系分泌物輸入速率的變化規(guī)律，并結(jié)合根系、土壤和氣候參數(shù)的分析，進(jìn)一步揭示了土壤養(yǎng)分和氣候在驅(qū)動分泌物變異格局中的相對貢獻(xiàn)大小及其潛在驅(qū)動機制。

結(jié)果：研究結(jié)果表明：

I）隨著海拔升高，兩個樹種的根系分泌物輸入速率均呈下降趨勢，從低海拔處到高海拔處分別下降了60%和62%；

II）氣溫而非土壤養(yǎng)分有效性主導(dǎo)著根系分泌物輸入速率的海拔變異。具體而言，隨海拔升高，氣溫通過直接降低樹木的生理活性以及間接誘導(dǎo)更加保守的地下碳分配策略和根系形態(tài)性狀，從而導(dǎo)致分泌物碳輸入量的下降。

結(jié)論：上述結(jié)果表明，相較于土壤養(yǎng)分，氣溫在決定高寒針葉林根系分泌物海拔變異中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用，這對于理解和預(yù)測全球變暖背景下高寒針葉林根系分泌物及其誘導(dǎo)的一系列土壤碳-養(yǎng)分循環(huán)過程的響應(yīng)模式具有重要意義。

研究背景

根系分泌物是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)能量交換和信息傳遞的重要載體物質(zhì)，是調(diào)節(jié)根際微生態(tài)系統(tǒng)活力與功能特征的關(guān)鍵要素，在森林土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)過程中具有十分重要的調(diào)控作用。根系分泌物作為一種能源/碳源輸入，其數(shù)量和質(zhì)量是植物長期進(jìn)化及其對環(huán)境適應(yīng)結(jié)果的最終產(chǎn)物。相應(yīng)地，根系分泌物關(guān)鍵生態(tài)驅(qū)動因子及其潛在調(diào)控機制一直是森林根際生態(tài)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重要課題。

作為一種典型的根系養(yǎng)分獲取生理性狀，大量研究表明土壤養(yǎng)分和氣候是驅(qū)動根系分泌物速率變化的關(guān)鍵因素。然而，此前的研究大多局限于單一變量的控制實驗或樣帶調(diào)查下根系分泌物對土壤養(yǎng)分或氣候的響應(yīng)，而忽略了自然條件下多種環(huán)境因素的共同變化對植物生理代謝和養(yǎng)分獲取策略產(chǎn)生的復(fù)雜影響。目前有關(guān)多變環(huán)境下植物根系分泌物輸入究竟受何種因素主導(dǎo)仍存在爭議，這極大地限制了對森林根系分泌物介導(dǎo)的土壤生物地球化學(xué)過程的深入認(rèn)識。

通過對青藏高原東部兩個海拔梯度序列各自的優(yōu)勢針葉樹種（臥龍：岷江冷杉；色季拉：急尖長苞冷杉）的根系分泌物原位收集，并采集根際土壤、根系以及氣候參數(shù)，旨在系統(tǒng)探討海拔梯度下根系分泌物輸入速率的變化規(guī)律以及土壤養(yǎng)分和氣候在驅(qū)動分泌物變異格局中的相對貢獻(xiàn)大小及其潛在驅(qū)動機制。由于高海拔處的低溫脅迫環(huán)境通常對植物的生理代謝活性具有負(fù)面影響，因此我們假設(shè)：根系分泌物作為一種根系養(yǎng)分獲取生理性狀，隨著海拔升高具有下降的趨勢。

主要結(jié) 果

1.?根系分泌物輸入速率沿海拔梯度的變化規(guī)律

隨著海拔升高，兩個樹種的根系分泌物輸入速率均呈下降趨勢，從低海拔處到高海拔處分別下降了60%和62%（圖1）。

最新文獻(xiàn)解讀|溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

圖1 岷江冷杉（臥龍）和急尖長苞冷杉（色季拉）根系分泌物沿海拔梯度的變化規(guī)律。

2.?根系分泌物與氣候和養(yǎng)分有效性的關(guān)系

兩個地點的分泌物輸入速率與生長季平均氣溫顯著正相關(guān)而與土壤濕度顯著負(fù)相關(guān)。通過控制溫度的偏相關(guān)結(jié)果顯示，分泌物速率與土壤濕度和氮、磷有效性均無顯著相關(guān)性（圖2）。

最新文獻(xiàn)解讀|溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

圖2?岷江冷杉（臥龍）和急尖長苞冷杉（色季拉）基于質(zhì)量的根系分泌物輸入速率與平均溫度（a，d）的關(guān)系，以及根系分泌物與根際土壤水分（b，e）和土壤氮有效性（c，f）之間的偏相關(guān)性。插圖顯示了海拔與土壤水分和土壤氮有效性之間的關(guān)系。

3.?根系形態(tài)特征和根系分泌物的關(guān)系

基于單位質(zhì)量的根系分泌物輸入速率與根系直徑具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與比根長和菌根侵染率以及細(xì)根生物量具有正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

最新文獻(xiàn)解讀|溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

圖3 岷江冷杉（臥龍）和急尖長苞冷杉（色季拉）基于質(zhì)量的根系分泌物輸入速率與（a，e）根徑（RD）、（b，f）比根長（SRL）、（c，g）菌根侵染率（MCR）和（d，h）細(xì)根生物量（FRB）的關(guān)系。

4.?溫度和土壤氮有效性對根系分泌物的貢獻(xiàn)

結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)一步顯示，相較于土壤氮有效性，溫度解釋了更多根系分泌物的變異。具體而言，在高海拔的低溫脅迫環(huán)境下，溫度通過直接降低樹木的生理活性以及間接誘導(dǎo)更加保守的地下碳分配策略和根系形態(tài)性狀，從而導(dǎo)致分泌物碳輸入量的下降（圖4）。

最新文獻(xiàn)解讀|溫度而非氮有效性決定了青藏高原東部高山針葉林根系分泌物沿海拔梯度的變異格局

圖5溫度調(diào)控高山針葉林根系分泌物海拔變異格局的概念框架圖。

END

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?特色檢測指標(biāo)：

氨基糖、木質(zhì)素、PLFA

磷組分、有機酸、有機氮組分

微生物量碳氮磷、同位素、CUE等

其他土壤、植物、水體等常規(guī)檢測指標(biāo)均可測定

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土壤酶活的分類與方法分析

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土壤酶活性，是指土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力。常以單位時間內(nèi)單位土壤的催化反應(yīng)產(chǎn)物量或底物剩余量表示。土壤酶活性既包括已積累于土壤中的酶活性，也包括正在增殖的微生物向土壤釋放的酶活性，它主要來源于土壤中的微生物，動物和植物。土壤酶活的分類：已知的酶根據(jù)酶促反應(yīng)的類型可分為六大類。即水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶和連接酶。1. 水解酶類：酶促各種化合物中分子鍵的水解和裂解反應(yīng)。主要包括蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶等。2.氧化還原酶類：指催化兩分子間發(fā)生氧化還原作用的酶的總稱。主要包括脫氫酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等。3.轉(zhuǎn)移酶類：指能夠催化除氫以外的各種化學(xué)官能團從一種底物轉(zhuǎn)移到另一種底物的酶類，包括轉(zhuǎn)氨酶、果聚糖蔗糖酶、轉(zhuǎn)糖苷酶等。4.裂合酶類：指催化由底物除去某個基團而殘留雙鍵的反應(yīng)、或通過逆反應(yīng)將某個基團加到雙鍵上去的反應(yīng)的酶的總稱，主要包括谷氨酸脫羧酶、天門冬氨酸脫羧酶等。5.異構(gòu)酶類：酶促有機化合物轉(zhuǎn)化成它的異構(gòu)體的反應(yīng)。6.連接酶類：是一種催化兩種大型分子以一種新的化學(xué)鍵結(jié)合一起的酶。測定方法分析：1.生化培養(yǎng)法作為酶活測定的重要方法之一，其又細(xì)分為分光光度法和滴定法。分光光度法：其基本原理是酶與底物混合經(jīng)培養(yǎng)后產(chǎn)生某種帶顏色的生成物，可在某一吸收波長下產(chǎn)生特征性波峰，再用分光光度計測定設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)物及生成物的吸光值，由此確定酶活性的含量。滴定法：如果產(chǎn)物之一是自由的酸性物質(zhì)可用此法。如脂肪酶催化脂肪水解釋放出脂肪酸，脂肪酸的含量可以通過滴定進(jìn)行定量，通過計算反應(yīng)過程中脂肪酸的增加量就可以計算出脂肪酶的酶活力。2.熒光法熒光法是一種基于熒光信號的酶活測定方法，其原理是通過測量酶促反應(yīng)中熒光物質(zhì)的變化來推算酶活性。熒光法具有較高的靈敏度和選擇性，...
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草原土壤儲存有439 Gt有機碳（SOC），在調(diào)節(jié)區(qū)域乃至全球氣候變化進(jìn)程中起著重要作用。然而，全球氣候變化背景下，大氣氮沉降的“施肥效應(yīng)”強烈地影響著土壤碳儲存。因此，明確高寒草甸SOC組分對氮、磷富集的響應(yīng)和潛在機制至關(guān)重要。西南民族大學(xué)高寒濕地生態(tài)保護研究創(chuàng)新團隊馬文明副研究員課題組依托青藏高原生態(tài)保護與畜牧業(yè)高科技研究示范基地和四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站以紅原高寒草甸為研究對象進(jìn)行了長期氮磷添加實驗。采取隨機區(qū)組用尿素(CO(NH2)2)和過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2·H2O)設(shè)計7個施肥梯度，氮肥施尿素(46.65%N)，磷肥施過磷酸鈣(16%P2O5)，施肥梯度分別為（0g尿素+0g過磷酸鈣）/m2(CK)、（10g尿素）/m2(N10)、（30g尿素）/m2(N30)、（10g過磷酸鈣）/m2(P10)、（30g過磷酸鈣）/m2(P30)（5g尿素+5g過磷酸鈣）/m2(NP10)、（15g尿素+15g過磷酸鈣）/m2(NP30)。研究發(fā)現(xiàn)，氮和磷添加導(dǎo)致 SOC含量增加19.95%–36.66%；在相同施肥條件下，SOC含量隨著施肥梯度的增加而增加，在N30處理下達(dá)到最高；N和P添加促進(jìn)了脂肪族碳和芳香族碳的富集；與其他處理相比，NP30處理下SOC的穩(wěn)定性最高，而P10處理下SOC的穩(wěn)定性最低。表明N和P添加促進(jìn)了不穩(wěn)定碳的損失和穩(wěn)定碳的富集，從而提高了SOC的穩(wěn)定性，促進(jìn)了高寒草甸SOC的封存?？傮w而言，氮磷添加改變了高寒草甸土壤有機碳的理化性質(zhì)以及SOC的官能團組成，進(jìn)而促進(jìn)了SOC積累。因此，在退化的生態(tài)系統(tǒng)中添加氮和磷可能是改善土壤碳固存的有效措施。該項研究近期以題為Nitrogen and phosphorus supply controls stability of soil organic carbon in...
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