自然陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產(chǎn)力普遍受到磷限制

日期： 2021-08-20

標(biāo)簽:

標(biāo)題：Global meta-analysis shows pervasive phosphorus limitation of aboveground plant production in natural terrestrial ecosystems

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(chǎn)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(xué)院華南植物源

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摘要：

熱帶地區(qū)地上植物生產(chǎn)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(xiàn)磷限制可能是更加廣泛的存在及其強度可能比以往預(yù)測的更強。Meta分析結(jié)果顯示在652個施磷野外試驗中，近半數(shù)研究（46.2%）表明P顯著地限制了植物地上部分生產(chǎn)力。在全球范圍內(nèi)，P添加使陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物產(chǎn)量增加了34.9%，比之前預(yù)測的增加了7.0 ~ 15.9%。相比之下，在農(nóng)田中，添加P僅使地上植物產(chǎn)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(yīng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產(chǎn)的重要性。

研究背景：

陸地地上植物生產(chǎn)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(fēng)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(xiàn)P限制可以發(fā)生在苔原地區(qū)、溫帶風(fēng)化作用強烈地區(qū)，這些發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(shù)十個模型中，沒有一個代表陸地磷生物地球化學(xué)，這導(dǎo)致了21世紀(jì)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(chǎn)量的分布、大小和驅(qū)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(shù)據(jù)的全球數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)）和農(nóng)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(shù)據(jù)數(shù)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(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫相比，這個最新的數(shù)據(jù)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(yīng)在上述地面植物生產(chǎn)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(yīng)大小，該臨界效應(yīng)量與P = 0.05的臨界z分數(shù)相對應(yīng)。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(xué)研究中常用的整合分析方法，量化了全球范圍內(nèi)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(yù)測磷效應(yīng)大小方面的相對重要性?？偟膩碚f，在陸地生態(tài)系統(tǒng)地表植物生產(chǎn)的磷限制范圍和程度比以往研究所提出的要更廣泛、更強。

主要結(jié)果：

P限制的全球分布

地上植物生產(chǎn)力P限制在全球范圍內(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù) (占總實驗數(shù)的46.2%；45.0%的自然陸地生態(tài)系統(tǒng)實驗；48.6%的農(nóng)田試驗)表明地上植物生產(chǎn)力顯著受磷限制?（表1）。這些發(fā)現(xiàn)為陸地生態(tài)系統(tǒng)中地上植物生產(chǎn)受到磷限制是一個世界性的現(xiàn)象提供了有力的證據(jù)。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(fēng)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(chǎn)中磷限制在世界范圍的出現(xiàn)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。

自然陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產(chǎn)力普遍受到磷限制

P限制程度大小

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，P添加使地上生產(chǎn)力提高了34.9%，農(nóng)田僅提高13.9%。施氮效應(yīng)的地上生產(chǎn)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(yīng)大?。?6.9%）與全球平均水平接近，但歐洲的P效應(yīng)大小（21.7%）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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，P效應(yīng)對地上植物生產(chǎn)力的影響要小得多（表1），這可能與農(nóng)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(guān)。

自然陸地生態(tài)系統(tǒng)地上植物生產(chǎn)力普遍受到磷限制

P限制測度的預(yù)測因子

磷效應(yīng)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(qū)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(yīng)，導(dǎo)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(xiàn)可能與土壤有機質(zhì)含量和pH值普遍較高有關(guān)。高有機質(zhì)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(yīng)）。此外，土壤有機質(zhì)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(yīng)。

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