標題：Global meta-analysis shows pervasive phosphorus limitation of aboveground plant production in natural terrestrial ecosystems
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論文id：10.1038/s41467-020-14492-w
原名：Soil carbon persistence governed by plant input and mineral protection at regional and global scales
譯名：自然陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產力普遍受到磷限制
期刊：Nature Communications
IF：12.212
發(fā)表時間：2020.01.30
第一作者：侯恩慶
通訊作者：侯恩慶，溫達志
主要單位：中國科學院華南植物源
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熱帶地區(qū)地上植物生產普遍被認為受到P限制，而其他地區(qū)P限制則很少發(fā)生。本研究發(fā)現磷限制可能是更加廣泛的存在及其強度可能比以往預測的更強。Meta分析結果顯示在652個施磷野外試驗中，近半數研究（46.2%）表明P顯著地限制了植物地上部分生產力。在全球范圍內，P添加使陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物產量增加了34.9%，比之前預測的增加了7.0 ~ 15.9%。相比之下，在農田中，添加P僅使地上植物產量增加了13.9%，這可能是由于歷史施肥所致。不同氣候帶和地區(qū)對磷的限制程度也不同，并受氣候、生態(tài)系統(tǒng)特性和施肥制度的影響。除證實熱帶地區(qū)普遍存在P限制外，我們的研究還表明其他地區(qū)也通常存在磷限制，表明了以往的研究低估了改變磷供應對陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產的重要性。
陸地地上植物生產力受到養(yǎng)分限制已被廣泛承認。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮被認為是最重要的限制養(yǎng)分，而P盡管也是重要的限制養(yǎng)分，但其主要發(fā)生在風化作用強烈的熱帶低海拔地區(qū)。然而目前更多的研究發(fā)現P限制可以發(fā)生在苔原地區(qū)、溫帶風化作用強烈地區(qū)，這些發(fā)現對上述觀點提出了挑戰(zhàn)。目前為止，對于P在怎樣的條件下限制陸地地上植物生產的認識人不清楚。因此，在耦合模型相互比較項目（CMIP5）第五階段的數十個模型中，沒有一個代表陸地磷生物地球化學，這導致了21世紀陸地碳匯強度的估算存在很大的不確定性。
本文報道了陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物產量的分布、大小和驅動因素。為此，我們使用了一個收錄了從1955年至2017年發(fā)表的285篇論文匯編而成的652個P添加原位實驗數據的全球數據庫。該數據庫涵蓋了所有陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型，包括自然陸地生態(tài)系統(tǒng)（436個森林、草原、苔原或濕地實驗數據）和農田生態(tài)系統(tǒng)（216個）。本研究采用的自然陸地生態(tài)系統(tǒng)P添加實驗數據數量比之前的整合分析多3.8-8.8倍。此外，由我們所采用的研究報道中有41.7%使2007年后發(fā)表的數據。收集到的數據分布在除南極洲以外的所有大洲，年均降雨量（MAP）為80-5302mm/y，年均溫（MAT）為-12.1℃-27.5℃。與以前的數據庫相比，這個最新的數據集能更好地捕捉了地球上不同的陸地棲息地，從而更清楚地了解磷供應在上述地面植物生產中的作用。
為了探究P限制的全局分布，我們首先估計了P限制的一個閾值，即一個臨界P效應大小，該臨界效應量與P = 0.05的臨界z分數相對應。然后我們繪制了P限制顯著和不顯著情況的全球分布。我們使用生態(tài)學研究中常用的整合分析方法，量化了全球范圍內以及不同生態(tài)系統(tǒng)之間P限制的大小。最后，我們探討了氣候、生態(tài)系統(tǒng)特性和施肥制度的影響，以及它們在預測磷效應大小方面的相對重要性。總的來說，在陸地生態(tài)系統(tǒng)地表植物生產的磷限制范圍和程度比以往研究所提出的要更廣泛、更強。
地上植物生產力P限制在全球范圍內廣泛存在：從熱帶地區(qū)延森到北極地區(qū)（54.8oS-76.5oN）。除去尚未有研究的南極洲之外，所有已有研究的大陸板塊均表現出一定程度地上生物量受P限制（圖 1-3）。從全球尺度看，301個數據 (占總實驗數的46.2%；45.0%的自然陸地生態(tài)系統(tǒng)實驗；48.6%的農田試驗)表明地上植物生產力顯著受磷限制?（表1）。這些發(fā)現為陸地生態(tài)系統(tǒng)中地上植物生產受到磷限制是一個世界性的現象提供了有力的證據。以往研究認為P限制主要發(fā)生在熱帶地區(qū)是取決于其風化土壤，高植物N:P以及高P利用效率、低土壤P濃度。陸地地上植物生產中磷限制在世界范圍的出現可能是由自養(yǎng)生物所共享的生化機制引起，該機制對P和N的需求可能使植物生長受到P和N的限制。
在自然生態(tài)系統(tǒng)中，P添加使地上生產力提高了34.9%，農田僅提高13.9%。施氮效應的地上生產力的影響幅度隨著磷添加量的增加和實驗時間持續(xù)而增長（圖 3；表 1）。本研究中北美的P效應大小（36.9%）與全球平均水平接近，但歐洲的P效應大?。?1.7%）遠小于全球平均水平和澳大利亞的平均水平（50.6%）、亞洲的平均水平（40.4%）和南美洲的平均水平（37.7%）（圖 3）。在農田生態(tài)系統(tǒng)中，P效應對地上植物生產力的影響要小得多（表1），這可能與農田土壤具有更高的P有效性以及持續(xù)的P肥施用歷史有關。
磷效應的大小是由多個因素而不是單一因素控制的，氣候、施肥制度、土壤和植物特性的解釋度大概為9.1%–40.0%（圖 4）。在熱帶和亞熱帶自然生態(tài)系統(tǒng)中，由于高溫和降水驅動植物對磷的需求，以及土壤可提取磷濃度低限制了土壤磷供應，導致了磷的限制。相比之下，溫帶和（亞）北極自然生態(tài)系統(tǒng)中磷限制的出現可能與土壤有機質含量和pH值普遍較高有關。高有機質含量的土壤通過封閉磷的有機形態(tài)和提高微生物對磷的固定能力，降低了土壤中磷的有效性。土壤pH過高會降低土壤對磷的吸附能力，從而提高植物對磷肥的利用效率（即增強磷肥效應）。此外，土壤有機質含量高和pH適中都能提高土壤中N、鉀、鈣等養(yǎng)分的有效性，這可能擴大了植物生長對磷添加的響應。
