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研究揭示干旱对植物群落的调控机制

日期: 2018-11-17
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研究揭示干旱对植物群落的调控机制

研究揭示干旱对植物群落的调控机制

近日,中科院沈阳生态所生态计量化学团队以植物群落养分计量为核心,基于草地样带调查和控制实验的多源数据开展定量评估,阐释了植物对长期和短期水分胁迫的响应机制。相关成果发表于《生态学》(Ecology)。

在全球气候变化背景下,内蒙古草原干旱强度和频度呈多发趋势。水分是该生态系统植物生存和繁衍的主要驱动因子,干旱事件将对草原生态系统结构和功能产生深远影响。

氮和磷是影响陆地生态系统植物生存、生长和繁殖的主要因子。因此,该团队以群落养分计量为全新理念和视角,探究水分胁迫对生态系统结构和功能影响的内在机制和过程,厘清种内和种间的竞争作用关系对群落结构和动态的影响,旨在为理解草地退化机制、加快退化草地恢复提供参考。

研究结果显示,长期水分胁迫下,植物通过内稳态机制提高养分浓度,增强群落的抵抗能力,物种周转是该过程的主要影响因素,但在短期干旱条件下,群落养分对水分胁迫的响应更复杂。整体而言,群落氮浓度上升、磷浓度下降时,种内竞争和物种周转共同影响该生态过程。此外,不同区域群落养分响应程度具有明显差异。极度干旱地区,植物群落养分抵御水分胁迫的能力最强,响应最迟缓。

该团队表示,未来研究应建立大型联网干旱实验平台,紧密结合控制实验和自然梯度实验,提高实验结果的准确性和有效性,为建立草地生态系统自然评估体系提供重要理论依据。(来源:中国科学报唐凤)

 

Differential responses of canopy nutrients to experimental drought along a natural aridity gradient

 

Abstract  The allocation and stoichiometry of plant nutrients in leaves reflect fundamental ecosystem processes, biotic interactions, and environmental drivers such as water availability. Climate change will lead to increases in drought severity and frequency, but how canopy nutrients will respond to drought, and how these responses may vary with community composition along aridity gradients is poorly understood. We experimentally addressed this issue by reducing precipitation amounts by 66% during two consecutive growing seasons at three sites located along a natural aridity gradient. This allowed us to assess drought effects on canopy nitrogen (N) and phosphorus (P) concentrations in arid and semiarid grasslands of northern China. Along the aridity gradient, canopy nutrient concentrations were positively related to aridity, with this pattern was driven primarily by species turnover (i.e., an increase in the relative biomass of N‐ and P‐rich species with increasing aridity). In contrast, drought imposed experimentally increased N but decreased P concentrations in plant canopies. These changes were driven by the combined effects of species turnover and intraspecific variation in leaf nutrient concentrations. In addition, the sensitivity of canopy N and P concentrations to drought varied across the three sites. Canopy nutrient concentrations were less affected by drought at drier than wetter sites, because of the opposing effects of species turnover and intraspecific variation, as well as greater drought tolerance for nutrient‐rich species. These contrasting effects of long‐term aridity vs. short‐term drought on canopy nutrient concentrations, as well as differing sensitivities among sites in the same grassland biome, highlight the challenge of predicting ecosystem responses to future climate change.


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    土壤胞外聚合物是细菌、真菌、古菌等微生物分泌到胞外的高分子凝胶状混合物,包裹微生物细胞,弥散在土壤孔隙中,被称为微生物的“房子 + 保护膜 + 胶水”。在碳汇、土壤退化、农田地力修复、重金属污染修复领域都是重点研究对象。一、什么是EPS1. 主要组分多糖(最主要)、蛋白质、核酸(胞外 DNA)、腐殖类物质、脂质等;区分:不是微生物菌体本身,是分泌到细胞外面的物质;形态:凝胶状、黏液状,可溶解在土壤溶液,也可吸附在矿物颗粒表面。2. 土壤 EPS 的来源①活微生物主动分泌(饥饿、干旱、重金属胁迫时分泌量会升高,自我保护);②微生物细胞裂解死亡后释放的胞内大分子;③少量植物根系分泌物贡献(注意区分根分泌物和微生物 EPS)。3. 存在位置:土壤孔隙表面、矿物颗粒表面、团聚体内部、生物膜中。二、土壤 EPS 有哪些核心生态功能1. 土壤结构塑造:土壤颗粒的“胶水”1.1 黏结土壤微颗粒,促进土壤团聚体形成与稳定;1.2 有机质、腐殖质是长效胶结剂,EPS 属于活性胶结物质,周转更快。2. 土壤碳循环与固碳潜力2.1 EPS 属于活性有机碳库:周转时间短,但贡献不可忽视;2.2 一部分 EPS 可以被矿物吸附保护,长期封存,是土壤稳定碳汇的重要组分;2.3 延伸:农田、森林、草地不同生态系统 EPS 碳差异;土地利用变化如何影响 EPS 固碳。3. 微生物生存的 “微环境”3.1 缓冲外界胁迫:干旱时保水;重金属、有毒污染物结合固定,降低毒性;3.2 富集养分:吸附土壤溶液里 N、P、离子,储存在生物膜内,缓慢供给微生物;3.3 维持生物膜结构,促进微生物间物质交换、基因水平转移。三、实验方法四、数据示例(胞外聚合物-蛋白)
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    原名:Grassland degradation-induced soil organic carbon loss associated with micro-food web simplification译名:草地退化引起的土壤有机碳损失与微食物网简化相关期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:12.2发表日期:2025.2第一作者:胡洋 新疆农业大学资源与环境学院,西北农林科技大学资源环境学院;寇天乐 新疆农业大学资源与环境学院背景:草地储存了全球约20%的土壤有机碳(SOC),但当前SOC储量因人为压力和气候诱导的草地退化而持续下降。理解草地退化过程中SOC损失的机制,对于制定减缓CO₂排放的策略至关重要。土壤中栖息着大量生物,形成了复杂的微食物网。土壤微食物网通过个体生物的活动和相互作用,在维持土壤碳循环和碳储量方面发挥着至关重要的作用。一般认为,复杂的微食物网与稳定的微生物介导碳动态相关,有利于碳固存。然而,草地退化过程中微食物网的变化及其与SOC动态的关系仍不清楚,限制了草地生态系统SOC动态的预测。科学问题:(1)研究草地退化对多营养级多样性的影响;(2)评估多营养级生物间的相互作用如何响应草地退化;(3)阐明土壤微食物网、微生物残体积累与微生物代谢效率之间的关系。材料与方法:(1)研究地点:新疆巴音布鲁克高寒草地(82°59′-84°35′E,42°40′-43°00′N),海拔2300-3042 m,年均降水273 mm,年均温-6.6°C。(2)实验设计:采用空间代替时间方法,在高寒草甸和高寒草原分别建立退化梯度样带。共40个样地(2种草型×4个退化梯度×5个重复),每个样地设置3个1×1 m子样方。采用草地退化指数(GDI)综合植物和土壤属性将...
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