科研进展 | 本刊编委牛书丽研究员团队揭示生态系统光合的水分适应性

学术   2024-12-10 18:54   北京  


文章信息


文章题目:Evidence for the acclimation of ecosystem

photosynthesis to soil moisture

发表期刊:Nature Communications

影响因子:14.7

第一单位:中国科学院地理科学与资源研究所

通讯作者:牛书丽 研究员

在线日期:2024-11-12


研究背景


陆地生态系统总初级生产力(GPP)是地球碳循环中的核心变量,通过光合作用吸收了约三分之一的人为CO₂排放量。然而,土壤湿度对植物光合作用的影响因其复杂性而难以量化。传统模型多以经验公式表示土壤湿度对GPP的限制,但忽视了过多土壤水分对GPP的抑制作用,导致对碳-气候反馈的预测存在显著不确定性。

过往研究中发现,土壤湿度对GPP的影响存在“驼峰型”曲线:土壤湿度增加可提升GPP,但过高湿度会因缺氧或养分流失抑制光合作用。这种曲线存在一个“GPP达到最大时的土壤湿度”,即GPP达到最大值时的土壤湿度。然而,“GPP达到最大时的土壤湿度”是否在全球范围内普遍存在、其变化机制及与环境因素的关系尚未被充分研究。本研究聚焦以下两个核心问题:

  1. “GPP达到最大时的土壤湿度”是否具有全球普适性?

  2. “GPP达到最大时的土壤湿度”是否会随土壤湿度条件的变化进行生态系统级别的适应?


研究方法


1. 数据收集与分析

(1)使用FLUXNET涡度协方差观测网络的全球143个站点数据(覆盖不同纬度、生态系统和气候类型),提取土壤湿度与GPP的日尺度响应曲线。

(2)对GPP-土壤湿度关系拟合凹二次模型,通过模型性能和显著性检验(如AIC准则)确定“GPP达到最大时的土壤湿度”。

(3)排除潜在共变量(如温度、辐射等)的干扰,通过偏Spearman相关性分析评估非线性关系的稳健性。

2. 空间与时间尺度的分析

(1)空间尺度:通过跨站点的平均“GPP达到最大时的土壤湿度”和生长季土壤湿度(SMgrowth)的回归分析,探讨“GPP达到最大时的土壤湿度”的适应机制及影响因子。

(2)时间尺度:针对具有至少5年数据的站点,评估站点内“GPP达到最大时的土壤湿度”随SMgrowth变化的动态趋势。

3. 野外实验验证

(1)在青藏高原高寒草甸通过人工操控降水(6种降水水平:1/12P至5/4P,P为年均降水量),验证“GPP达到最大时的土壤湿度”对SMgrowth的因果响应。

(2)测量植物地下生物量分配(fBNPP)、土壤碳氮含量等变量,探讨生态系统调节“GPP达到最大时的土壤湿度”的潜在机制。



研究结果


在143个站点中,有108个站点的GPP-土壤湿度关系表现出“驼峰型”响应。“GPP达到最大时的土壤湿度”的分布具有显著的地理与生态系统差异,范围为5.8%-56.9%(土壤体积含水量),中值为20.9%。干旱生态系统的“GPP达到最大时的土壤湿度”低于湿润生态系统,反映了水分供应对生态系统光合作用的适应性影响。

“GPP达到最大时的土壤湿度”随生长季土壤湿度(SMgrowth)增加呈线性增长,回归斜率为0.92,表明生态系统通过调节“GPP达到最大时的土壤湿度”适应不同的水分供应。尽管时间尺度上的适应速度低于空间尺度,但“GPP达到最大时的土壤湿度”仍显示出对年度水分变化的动态响应。降水量越少的站点,适应速度越快,表明干旱生态系统对水分变化更敏感。

野外实验结果进一步证明,“GPP达到最大时的土壤湿度”对SMgrowth的变化具有因果响应。随着土壤湿度降低:植物地下生物量分配显著增加(fBNPP),通过增强水分吸收和减少蒸腾缓解水分胁迫。“GPP达到最大时的土壤湿度”下移以降低植物光合作用对水分的依赖性

图1  土壤水分与总初级生产力 (GPP) 关系的概念图。


图2  基于 FLUXNET 站点得到的总初级生产力的最佳土壤湿度分布。a, 本研究中使用的 108 个站点检测到的GPP达到最大时的土壤湿度的位置。原始地图来自 R 中的 spData 包。b ,10 种不同植被类型的 10 个站点的总初级生产力 (GPP, ln-scaled) 对每日土壤湿度的响应。



图3  适应土壤水分生长 (SMgrowth) 空间变化的总GPP最佳土壤水分的适应速度。


图4  为适应土壤生长水分(SMgrowth)的时间变化,总初级生产力最适土壤水分的适应速度。


图5  通过控制降水的田间试验得出生长土壤湿度 (SMgrowth) 对总初级生产力最佳土壤湿度的影响。

内容来源:农业遥感与作物模型







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