研究發現葉碳穩定同位素可指示高寒乾旱區水分有效性隨海拔的變化

2020-12-08 中國科學院

　　水分有效性是決定高寒乾旱區物種分布及生態系統功能的關鍵因子，正確理解水分有效性隨海拔的變化規律將有助於預測高山生態系統對未來氣候變化的響應。然而，降水量（水分有效性的主要驅動因子）隨海拔和坡向的變化格局多樣，以及溫度、土壤質地、土壤深度、積雪和融雪時間等均會影響水分有效性的海拔格局，尤其在氣象站數據稀少的邊遠山區，水分有效性很難精確量化。因此，尋找一個簡單可靠的土壤水分有效性代用指標很有必要。

　　C3植物葉碳穩定同位素比值（δ13C）綜合反映了生長季期間植物與環境的水分關係。在乾旱地區，葉δ13C對土壤水分有效性的變化非常敏感，但溫度、降水、大氣壓和土壤等環境因子以及葉片厚度和葉氮含量等葉性狀也可能影響葉δ13C的海拔格局。那麼，乾旱山區廣布物種的葉δ13C是否可以用來指示水分有效性隨海拔的變化？尤其在高海拔地區溫度和大氣壓的影響下，這種關係是否普遍存在？相關研究報導少見。

　　為此，中國科學院青藏高原研究所高寒生態學與生物多樣性重點實驗室羅天祥課題組及其合作者在喜馬拉雅中部（尼泊爾）系統開展了海拔梯度樣帶調查（圖1），採樣測定了三種廣布植物的葉δ13C和氮含量，同時計算了各海拔樣點的氣候溼潤指數（基於全球1-km WorldClim數據集），結果發現：1）降水的海拔格局影響葉δ13C的海拔分異性：在Langtang，隨著海拔增加，年降水量顯著降低（圖2a），葉δ13C顯著增加（圖2b, c）；而在Manang，隨著海拔增加，年降水量幾乎沒有變化（圖2f），葉δ13C呈非線性變化（圖2g, h）；2）3物種的葉δ13C均與生長季溼潤指數呈顯著負相關（圖3）；3）跨越不同降水格局的同一草本物種，葉δ13C與溼潤指數和年降水量均呈負相關（圖4）；4）葉δ13C的種內差異主要受溼潤指數和降水量的影響，而與海拔和葉氮含量無關。

　　研究結果表明，高山廣布物種的葉δ13C可指示水分有效性隨海拔的變化。便於採樣測定的葉δ13C指標有助於檢測高寒乾旱山區的植物水分脅迫程度，也為評估氣候變化對高山植物的影響提供了新途徑。

　　研究成果以Leaf δ13C as an indicator of water availability along elevation gradients in the dry Himalayas 為題發表於Ecological Indicators (Ale R, Zhang L, Li X, Raskoti BB, Pugnaire FI, Luo TX*, Ecological Indicators, 94: 266-273)。

　　論文連結

 

　　圖1：研究區域示意圖，展示分別位於Manang和Langtang的兩條海拔樣帶位置和距離研究樣帶最近的氣象站點，以及年降水量和植被指數的空間分布

 

　　圖2：年降水量（MAP）、葉δ13C和氮含量在Langtang（a-e）和Manang（f-j）隨海拔的變化。(b, d , g, i) Langtang和Manang樣帶的草本植物Potentilla microphylla；(c, e) Langtang樣帶的墊狀植物Androsace lehmannii；(h, j) Manang樣帶的墊狀植物 Androsace muscoidea

 

　　圖3：葉δ13C與生長季（6-9月）溼潤指數的關係。(a, b)草本植物Potentilla microphylla; (c)墊狀植物Androsace muscoidea; (d)墊狀植物Androsace lehmannii

 

　　圖4：跨越Manang和Langtang樣帶的草本植物Potentilla microphylla葉δ13C與生長季溼潤指數（a）和年降水量（b）的關係。

相關焦點

  • 科學家發現葉性狀可指示乾旱區植被區劃—新聞—科學網
    日前，中國科學院青藏高原研究所高寒生態學與生物多樣性重點實驗室羅天祥研究員課題組與中國林業科學研究院荒漠化研究所吳波研究員課題組合作，以我國北方乾旱區沙地上廣泛分布的油蒿種群為研究對象
  • 青藏高原所等發現植物葉性狀可指示乾旱區植被的地帶性分布
    青藏高原所等發現植物葉性狀可指示乾旱區植被的地帶性分布 2016-11-09 青藏高原研究所 但是，由於傳統上用於植被區劃的指標過於繁雜，因此，很難用它們來預測未來氣候變化下不同植被類型邊界的變化。葉性狀是植物適應環境所表現出來的葉片水平上的特徵，與生態系統功能關係密切，植物葉性狀及其相關關係沿著環境梯度的變化在決定植物分布格局上具有重要作用。因此，一些關鍵葉性狀很可能是一個較客觀反映植被本身特徵的、可測量和比較的植被區劃綜合指標。但是，關於植物葉性狀與乾旱區植被區劃關係的研究仍很缺乏。
  • 科學家揭示植物葉性狀對乾旱區植被區劃的指示意義—新聞—科學網
    全球變暖下，降水格局的變化可能會導致乾旱區植被分布格局發生改變。
  • 研究發現土壤微生物固碳在乾旱區生態系統碳匯中發揮重要作用
    為此，中國科學院青藏高原研究所生態系統功能與全球變化團隊研究員孔維棟等，依託中科院納木錯多圈層綜合觀測研究站，開展了連續4年的野外監測研究（圖1），對比了土壤微生物及植物總初級生產力（Gross Primary Production，GPP）季節和年際動態變化規律及其對土壤水分、溫度的響應。
  • 青藏高原所發現土壤微生物固碳在乾旱區生態系統碳匯中發揮重要作用
    為此，中國科學院青藏高原研究所生態系統功能與全球變化團隊研究員孔維棟等，依託中科院納木錯多圈層綜合觀測研究站，開展了連續4年的野外監測研究（圖1），對比了土壤微生物及植物總初級生產力（Gross Primary Production，GPP）季節和年際動態變化規律及其對土壤水分、溫度的響應。
  • 研究發現:氣候變化改變了青藏高原高寒草地植被生長的季節動態
    新華社蘭州2月18日電（記者張文靜）由蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室賀金生教授課題組牽頭的一項最新研究，揭示了氣候變化對高寒草地植被生長格局的影響機制。賀金生介紹，近50年來，青藏高原經歷著兩倍於全球平均的升溫過程以及顯著的降水格局變化。
  • 中國科研人員研究發現橫斷山是高寒植物的起源地和避難所
    高寒植物是高山隆升後植物適應極端或極限生存環境的產物，在嚴酷的自然環境中，高寒植物進化出特殊的抗寒、抗旱、抗紫外線的機制，是人類重要的基因寶庫。全球高寒生物區約有10000種高等植物。高寒生物區是地球上海拔最高的陸地生態系統，主要分布在青藏高原及周邊喜馬拉雅和橫斷山，落基山脈，安第斯山，阿爾卑斯山等地區。
  • 西北研究院荒漠生態系統生物量與土壤水分動態耦合研究獲進展
    土壤水分在調控植被時空分布格局並影響氣候-土壤-植被系統的複雜動態過程中起關鍵作用。準確認識生物量與土壤水分的動態耦合特徵，是揭示荒漠生態系統穩定性及可持續性的基礎。因此，在未來氣候（降水格局）變化情景下，生物量與土壤水分動態的隨機耦合關係，是乾旱區生態水文學領域的前沿科學問題。
  • 研究揭示中亞伊犁盆地黃土記錄的全新世溼度變化
    近日，中國科學院地球環境研究所科研人員在中亞伊犁盆地半乾旱區選取塔勒德（TLD）、肖爾布拉克（XEB）和昭蘇（ZS）三個全新世黃土剖面，開展高密度（10cm間距）石英OSL測年和古氣候替代性指標磁化率、粒度和色度測試（5cm間距），揭示全新世伊犁盆地半乾旱區溼度(有效水分)變化，並探討其可能的動力學機制
  • 研究揭示氣候變化對高寒草地生產力的影響機制
    近日，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所氣候變化與減排固碳創新團隊系統揭示了在氣候變化條件下青藏高原高寒草地植物物候與生產力之間的關係，為生態脆弱區草地生態系統適應性管理提供了重要依據。高寒草甸生態系統對氣候變化極為敏感，其生產力是維繫生態系統生態與生產功能的關鍵因素。物候是反映植物對環境變化響應的重要指標，且與植物生產力密切相關。但溫度和降水變化條件下植物物候改變對植物生產力的調控機制仍不明確。因此，開展氣候變化條件下高寒草地植物物候與生產力之間的關係研究，對高寒草地生態服務功能維持和草牧業生產具有重要意義。
  • 青藏高原所指向夏至日的光周期鐘調控高寒樹木生長及養分利用研究...
    許多研究表明，環北極和高山林線的近百年樹輪寬度指數並沒有隨夏季溫度的增加而普遍增加，這種現象被稱之為「異常生長響應」（divergent growth response）。國際學術界針對這種「異常生長響應」現象的解釋缺乏共識，主要爭論焦點是：樹木生長的溫度敏感性是否隨氣候變化發生改變？樹幹徑向生長在多大程度上受到葉生理過程的調控？目前，仍缺乏長期定位觀測數據來理解上述科學問題。
  • 西北乾旱區極端降水成因研究獲進展
    近日，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室聯合中山大學、瑞典哥德堡大學、山東師範大學等，依託祁連山站高山區綜合觀測體系，將降水穩定同位素比率示蹤和大氣模式模擬相結合，發現並確證西風帶控制的
  • 熱融湖塘形成對高寒草甸土壤環境的影響研究
    隨著全球變化和人類在高原的活動增加，這種由水熱過程變化引起的湖塘數量越來越多，發育速度明顯增快，規模有明顯的增加趨勢。這種熱融湖塘主要發育在高寒草甸地區，由於熱融湖塘的形成導致湖塘及周圍的植被出現退化，同時出現長期或季節性的積水，破壞了凍土土壤的水熱局部平衡，對草甸土壤環境造成一定的影響。
  • 科學家揭示祁連圓柏中樹輪氧同位素變化及氣候意義
    樹木年輪具有定年準確、連續性較好、時間解析度高、分布範圍較廣以及可與器測記錄進行校正等特點，是重建高解析度古氣候變化的良好記錄。
  • 多樣雲南｜新發現！橫斷山是高寒植物的起源地和避難所
    高寒植物是高山隆升後植物適應極端或極限生存環境的產物，在嚴酷的自然環境中，高寒植物進化出特殊的抗寒、抗旱、抗紫外線的機制，是人類重要的基因寶庫。全球高寒生物區約有10000種高等植物，研究高寒地區生物多樣性的起源與演變及對環境變化的響應，不但可以認識山地多樣性形成的過程，而且還可以用來預測未來氣候變化對高寒植物多樣性的影響。
  • 當高寒植物遇到溫室效應 我國科學家找到植物適應環境變化的密碼
    新京報訊（記者 周懷宗）近日，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所氣候變化與減排固碳創新團隊，在經歷十多年的研究之後，系統地揭示了在氣候變化條件下，青藏高原高寒草地植物物候與生產力之間的關係，為生態脆弱區草地生態系統適應性管理提供了重要依據。
  • 灌木年輪又細又窄,卻是氣候變化研究的「超級補丁」
    研究揭示，喜馬拉雅山南坡珠峰山谷（4150米）掃帚巖須灌木平均年輪寬度僅64微米。       梁爾源表示，在一些水分和溫度條件極端差的年份，為了保證生存和繁衍，灌木形成層甚至全年都不進行分裂，導致沒有年輪的形成。在生長季較為乾旱的地區，水分狀況也限制著灌木年輪的寬度變化。比如在地中海地區，夏季乾旱會導致灌木的形成層出現短暫的休眠現象。
  • 灌木年輪又細又窄，卻是氣候變化研究的「超級補丁」
    在生長季較為乾旱的地區，水分狀況也限制著灌木年輪的寬度變化。比如在地中海地區，夏季乾旱會導致灌木的形成層出現短暫的休眠現象。在夏末，降水逐漸增加，形成層又開始活動，從而形成偽年輪——類似一年形成兩個年輪的現象。
  • 青海:推動氣候變化與高寒生態研究
    中國氣象報記者戴隨剛 通訊員趙慧芳 羅生洲報導 為深入交流氣象研究新成果，推動高原氣象研究和青海氣象業務的發展，7月8日和10日，由青海省防災減災重點實驗室、省氣象學會及省氣象科學研究所在西寧聯合舉辦了「氣候及雪/冰變化對高寒生態環境影響」和「全省氣候變化與高寒生態
  • 濱珊瑚團簇同位素研究取得進展
    濱珊瑚（Porites）是重建熱帶海洋氣候環境演變的重要研究載體，利用濱珊瑚骨骼碳酸鈣中的氧同位素組成（δ18O）可重建海水錶層溫度（sea surface temperature, SST）的變化。然而這種重建往往受海水δ18O值變化的影響。