PNAS | 中科院“碳专项”重要成果：中国陆地生态系统中植物碳、氮、磷浓度与生产力的关系

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Info 

原名：Patterns of plant carbon, nitrogen, and phosphorus concentration in relation to productivity in China’s terrestrial ecosystems

译名：中国陆地生态系统中植物碳、氮、磷浓度与生产力的关系

期刊：PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)

通讯作者：方精云/谢宗强

通讯作者单位：中科院植物所

原文链接:  https://doi.org/10.1073/pnas.1700295114

 Introduction 

植物生长是控制陆地生态系统碳(C)输入的主要过程，它需要至少16种不同比例的元素，这些元素与C固定过程强烈耦合，如植物初级生产和呼吸。磷(P)是生态系统中碳封存最重要的限制性养分。碳构成植物的基本结构，约占植物生物量的50%;N是酶的重要组成部分;而P是核酸和膜脂的必要元素。植物组织中N和P的浓度在控制其他生态过程中也至关重要，如放牧、寄生和分解。植物N和 P含量调节陆地生态系统的生产力和C固存。估算氮、磷在植物组织中的分配以及养分含量与光合能力之间的关系，是预测全球变化下未来生态系统固碳量的关键。

 Methods 

本研究的自然生态系统包括7个生物群落(4种森林、2种灌丛和1种草地)，即常绿阔叶林(包括常绿阔叶林和竹林两种植被类型)、落叶阔叶林、针叶林(常绿针叶林和落叶针叶林)、混交林、常绿灌丛(常绿阔叶灌丛和常绿针叶林灌丛)、落叶灌丛(落叶阔叶灌丛和稀疏灌丛)和草地(杂草群落、草甸、草原和稀疏草地)。这些生物群落进一步划分为14个植被类型，包括6个森林植被类型、4个灌丛植被类型和4个草地植被类型。关于本文研究的清查程序、地块大小、土壤样本收集和实验室分析的详细信息可见于此前的推送内容(PNAS | 中科院“碳专项”重要成果：中国陆地生态系统碳储量)。本研究旨在通过对中国陆地生物群落中植物叶、茎、根养分浓度的调查，揭示群落水平C、N和P的分布格局，探讨养分含量与植物生产的可能相关性。

 Results 

全国植被叶片C、N、P平均浓度分别为436.8、14.14、1.11 mg·g-1;茎为448.3、3.04和0.31 mg·g-1;根分别为418.2、4.85、0.47 mg·g-1。全国平均叶片N、P生产力分别为249.5 g C GPP·g-1 N·y-1和3157.9 g C GPP·g-1 P·y-1。在不同的生物群落中，平均叶片C、N和P的变化幅度较大，C从草地的396.9 mg·g-1到针叶林的484.5 mg·g-1，N从针叶林的10.53 mg·g-1到落叶灌木的17.12 mg·g-1。P从常绿阔叶林的0.71 mg·g-1到落叶阔叶林的1.33 mg·g-1 (表1)。

植被类型、气候和土壤养分浓度共同解释了不同组织中C的15.7~34.36%方差，N的14.8~36.2%的方差和P的21.2~25.3%的方差。茎和根的N、P浓度对非生物环境的敏感性普遍高于叶(图2)。

不同组织中所研究元素的浓度和含量均呈高度相关(图3)。各群落不同组织N(或P)含量之间存在较强的幂律关系，与植被GPP密切耦合(图4、5)。

 Conclusion 

综上所述，随着年平均温度的升高，植物各组织的平均生物量N和P减少，C增加。随着环境梯度的变化，茎和根中的N和P的变化程度大于叶，这表明代谢活性较高的组织(叶)中的营养元素对环境梯度的敏感性较低。不同组织间N(和P)浓度和含量具有极显著的幂律尺度相关性，这有助于建立从单个组织到整个群落的植物对全球变化响应的经验模型。在大尺度上，GPP与养分(N和P)含量的关系取决于这些养分在叶片和木本组织之间的相对分配，在全国范围内，叶片N和P生产力随年降水量和温度的增加而增加。这些结果表明，全球变暖可能通过增加中国陆地生态系统叶氮和磷的生产力来提高中国陆地生态系统的总初级生产力。这些研究结果不仅为建立从单个组织到整个群落的全球变化响应的经验模型提供了关键参数，而且为营养物质对碳固存的依赖调节提供了大规模的证据。

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