青藏高原植物生長的「氮素」秘密

2020-08-13 中科院之聲

青藏高原平均海拔4000米以上，素有「世界屋脊」，「雪域高原」和「第三極」之稱，是地球上海拔最高的高原（圖1）。由於海拔高、氣候寒冷，青藏高原孕育了大量的多年凍土，成為北半球面積最大的高寒凍土分布區。

圖1 唐古拉山口 （攝影：寇丹）

在這個孕育著多年凍土的寒冷的高原上，各種植物在頑強地生長著，構成了類型多樣的植被群落。作為分布最為廣泛的植被類型，高寒草地約佔高原面積的60%以上，主要由高寒草原、高寒草甸和沼澤化草甸組成（圖2）。其中，高寒草原和高寒草甸分別主要分布在氣候乾旱的高原西部和氣候溼潤的高原東部，而沼澤化草甸作為一種隱域植被零星分布在高原面上。不管是草甸還是草原植物，都需要通過吸收土壤中的氮或者固定大氣中的氮來維持自己的生長。因此，青藏高原植物生長的秘密可能與氮素密切相關。

為了揭示影響青藏高原植物生長的「氮素」秘密，中國科學院植物研究所楊元合研究組於2013-2016年間在青藏高原開展了大範圍的凍土樣帶調查，獲取了大量凍土樣品（圖3-4）。基於這些野外調查，結合同位素和分子生物學技術、生態系統模型等多種手段，他們發現了以下兩個與植物生長密切相關的 「氮素」秘密。

圖2 沼澤化草甸景觀（攝影：寇丹）

圖3 青藏高原凍土採樣（攝影：寇丹）

圖4 野外採集的凍土樣品（攝影：寇丹）

秘密一：

氣候變暖背景下，青藏高原凍土融化後釋放的氮對植物生長的影響較弱。早期來自北極地區的研究表明，氣候變暖引發的凍土融化會通過兩個途徑導致植物可利用氮的大量釋放：一是凍土中封存的植物可利用性氮的直接釋放，二是凍土中封存的有機氮通過分解釋放植物可利用性氮。

此外，來自北極地區的研究還表明，凍土中封存的可利用性氮的含量和有機氮的分解釋放速率均高於表層土壤。由於北極凍土區活動層(夏天融化、冬天凍結的層次)淺，植物可以吸收利用凍土融化釋放的可利用性氮進而促進其生長。與之相比，青藏高原凍土區平均活動層厚度在2米以下，這導致高寒植物難以吸收利用凍土融化釋放的可利用性氮。

進一步研究發現，與表層土壤相比，青藏高原凍土中封存的可利用性氮的含量以及有機氮的分解釋放速率均低於活動層土壤（圖5），這進一步削弱了凍土融化氮釋放對青藏高原植物生長的影響。

圖5 活動層與凍土層土壤氮轉化過程及其調控因素的差異（繪圖：毛超）

秘密二：

青藏高原的環境變化導致氮對該地區植物生長的限制作用增強。這主要由三個方面的原因所導致。

第一，如上所述，青藏高原凍土融化後釋放的可利用性氮對植物生長的影響較弱。

第二，大氣CO2濃度增加和氣候變暖促進了青藏高原的植物生長，進而增加了高寒植物對氮的需求量（圖6）。

第三，環境變化導致青藏高原草地生態系統中的氮向大氣的釋放速率增加，從而導致植物可利用性氮的損失量增加（圖6）。

上述三個方面的共同作用導致在當前環境變化背景下氮對青藏高原植物生長的限制作用呈增強趨勢。

圖6 2000s-2010s期間青藏高原凍土區氮循環變化特徵（繪圖：張典業和寇丹）

上述兩個秘密以兩篇研究論文的形式近期發表在國際學術期刊Nature Communications和Global Change Biology。植物所已畢業博士研究生寇丹和在讀博士研究生毛超分別為論文第一作者，楊元合研究員為通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金、第二次青藏高原綜合科學考察研究等項目的資助。

來源：中國科學院植物研究所

相關焦點

  • 成都生物所在高寒森林植物氮素吸收策略研究中取得進展
    植物氮（N）素獲取策略在調節植物生長和生態系統功能方面發揮重要作用。通常認為，植物對養分的需求和獲取主要發生在生長季，而在光合作用不活躍、植物生長緩慢的非生長季，植物對養分的吸收非常有限，這使得有關森林植物氮素獲取的研究大多局限於生長季。但已有證據表明，植物在非生長季仍然具有相當大的氮吸收能力和養分需求。
  • ...實驗室最新研究揭示了青藏高原高寒草地植物-土壤微生物多樣性...
    青藏高原是地球的「第三極」，正經歷著氮沉降急劇增加和降水變化的生態影響過程。高寒草甸約佔青藏高原面積的35%，是青藏高原最重要的植被類型之一。雖然氮沉降和降水的變化會引起植物組成和多樣性的變化，但對由此導致植物多樣性與土壤微生物多樣性之間關係如何變化尚不清楚。
  • 研究人員發現青藏高原凍土區植被氮限制呈增強趨勢
    氮素是植物生長的限制因素之一，可調控生態系統碳循環過程及其對氣候變暖的響應。以往研究顯示，氣候變暖會加速凍土區土壤氮轉化過程，釋放在凍土中長期封存的有效氮，進而促進植被生長，並在一定程度上抵消由於凍土融化引起的土壤碳釋放。凍土區碳-氮交互作用成為全球變化領域關注的焦點問題。理解碳-氮交互作用的方向和強度，須先釐清凍土區氮循環變化特徵。但目前仍然缺乏凍土區氮循環變化的大尺度證據。
  • 青藏高原草地植被生長面臨的大氣乾旱脅迫加劇
    中國氣象報記者王敬濤報導 在氣候變暖背景下，青藏高原大氣水汽壓差持續增加，高原草地的大氣環境趨於乾旱化，而這種大氣乾旱會顯著降低青藏高原草地生產力。近日，中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、青藏高原研究所研究員汪濤課題組發表了有關青藏高原草地植被的相關研究成果。　　氣候變暖可導致大氣水汽壓差增加、大氣乾旱化趨勢增強。當大氣水分虧缺時，植物往往通過降低葉片氣孔導度抑制光合作用，還有可能通過增強蒸散發作用加劇土壤乾旱，使植被生長面臨更加嚴峻的大氣乾旱脅迫。青藏高原是氣候變暖最強烈的區域之一。
  • 黃土高原土壤氮素循環理論與技術研究獲重大成果
    本報訊 近日，由我國著名植物營養學家、西北農林科技大學博士生導師李生秀教授主持完成的國家科技項目「黃土高原旱地土壤氮素循環與氮肥合理施用理論和技術研究」成果，在陝西楊凌通過了陝西省科技廳組織的鑑定。
  • 青藏高原植物於苦寒處綻芳華 來了解一下它們的生存之道
    該影片以紀實的方式，介紹了青藏高原珍稀的野生植物資源，尤其是像塔黃、綠絨蒿等因獨特性而著稱的植物，它們在嚴酷的高原環境中為生存繁衍所煥發出的頑強生命力，十分令人驚嘆。有「世界屋脊」和「地球第三極」之稱的青藏高原總面積約250萬平方千米，平均海拔超過4000米，是中國三大自然階梯中最高一級。
  • 氮素在植物中的代謝,氮素形態及配比對作物生長發育的影響?
    導語：氮素在植物中的代謝，氮素形態及配比對作物生長發育的影響？氮被稱為「生命元素」，植物組織中平均含氮量在3%-5%，是構成蛋白質的主要成分，又是植物體內葉綠素和許多酶的組成成分。NO 被植株根系吸收後，一部分被還原為NH後同化為胺基酸、蛋白質等有機物，通過韌皮部向植物的地上部分運輸，一部分以NO 的形式直接通過木質部運輸到植物地上部分，而剩餘部分會儲存於根系細胞的液泡當中。近年來大量研究表明，硝態氮與銨態氮配合施用能更好的促進植物生長。
  • 林草科普|青藏高原植物於苦寒處綻芳華 來了解一下它們的生存之道
    該影片以紀實的方式，介紹了青藏高原珍稀的野生植物資源，尤其是像塔黃、綠絨蒿等因獨特性而著稱的植物，它們在嚴酷的高原環境中為生存繁衍所煥發出的頑強生命力，十分令人驚嘆。有「世界屋脊」和「地球第三極」之稱的青藏高原總面積約250萬平方千米，平均海拔超過4000米，是中國三大自然階梯中最高一級。在數千萬年的隆起和複雜的地質、氣候變化過程中，生長在這裡的植物也在不斷發生著變化，並擁有著常人難以想像的「智慧」。
  • 青藏高原中部發現古近紀最豐富植物化石群 或曾是亞熱帶森林
    平均海拔4600米以上的青藏高原中部，現在是一片高寒荒蕪之地。青藏高原如何抬升到現有高度，許多演化細節仍不清楚。我科學家最近發現的蔣浪植物化石群，刷新了人們對青藏高原的認知——高冷的青藏高原中部 4700萬年前是一片亞熱帶森林？日前，中國與尼泊爾兩國向全世界正式宣布，珠穆朗瑪峰的最新高程為8848.86米。
  • 青藏高原"植物基因庫"得到有效保護
    >09月19日電  （記者錢榮 楊壽德）記者從青海省循化撒拉族自治縣了解到，被譽為青藏高原「植物基因庫」的孟達國家級自然保護區，通過近幾年的保護與治理，生態環境逐步改善，野生動植物資源和植被得到有效保護。
  • 伴隨青藏高原隆起的遠古巨獸
    那我們今天，就一起來探尋一個與青藏高原有關的秘密，答案藏在一些古哺乳動物的化石中。這些哺乳動物們在不知不覺中，經歷了青藏高原形成過程，然後，它們又用自己的骨骼化石，把所見證的一切告訴了我們。因為這些化石大部分都是在甘肅省和政地區發現的，它們就被稱作了「和政動物群」。
  • 青藏高原出現綠色，這是不是意味著大麻煩即將要來臨
    如今人類的科學技術發展，雖然非常的強大，但是即便如此，人類對地球的了解，也並不是可以完全的達到最大化的程度，就比如地球的南極、北極，或者是青藏高原，而如今青藏高原出現異常，科學家們認為，更大的麻煩即將要到來了，情況也是不容樂觀的，這究竟是怎麼回事呢？
  • 亟待研究——青藏高原上的櫟類常綠矮林
    硬葉常綠櫟類林是以川滇高山櫟(Quercus aquifolioides Rehd. et Wils.）林分布最廣,是青藏高原最具有代表性的主要高山櫟類林類型。高山櫟存在實生、萌生兩種起源，構成為喬林、中林、矮林三種林分類型。高山櫟種群存在著生長—死亡—生長的曲線。
  • 青藏高原曾經是熱帶動物的天堂?基因指紋說出的秘密
    這一切，還要從青藏高原的畜牧傳統說起。 擁有4000年畜牧傳統的青藏高原 素有「世界屋脊」之稱的青藏高原，擁有近21億畝的高寒草場，為牧業的發展提供了優越的天然條件。
  • 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。
  • 高冷的青藏高原中部 4700萬年前是一片亞熱帶森林?
    12月7日，美國《國家科學院院刊》首次發布了我國科學家關於4700萬年前青藏高原中部的一項重要「探秘」成果，彌補了此前認知和研究的大量空白。 發現古近紀最豐富植物化石群 青藏高原中部，平均海拔4600米以上，是一片廣袤的高寒荒蕪之地，卻是認識青藏高原形成過程的關鍵地區，長期以來備受地球科學和生命科學領域的關注。
  • 青藏高原出現「異象」，或會有大麻煩來臨？未來發展不容樂觀
    青藏高原出現「異象」，或會有大麻煩來臨？人類未來發展不容樂觀青藏高原是世界屋脊，甚至還有著第三極的稱號。我說地球的南極和北極是讓人類無法觸及的高點，那麼青藏高原很顯然也同樣是如此，雖然人類是可以攀登青藏高原的，但是它的頂端和南坡、北坡，很顯然也並不是如今人類能夠觸及的。不過正是因為有難度，才會有著挑戰。科學家們對於青藏高原的偏愛是非常顯然的。
  • 「地球第三極」 青藏高原!
    青藏高原它是世界海拔最高的高原，也是地球上最年輕的一個高原>4000米的海拔，讓青藏高原傲視同緯度周邊地區「世界屋脊」當之無愧>海拔高、面積大的青藏高原仿佛城牆般，攔截了它的去路為什麼將青藏高原單獨劃為一個區呢？
  • 青藏高原珍貴動物——高原鼠兔
    清晨當你邁步在西藏草原上的時候，就會聽到吱吱的叫聲，原來是高原鼠兔在活動。高原鼠兔沒有尾巴，習性如鼠，形似兔，故名「鼠兔」，因它善於鳴叫，又稱它為「鳴聲鼠」，藏語叫「阿不扎」。高原鼠兔主要分布於西藏高原，青海、甘南、川西高原等地也有分布，它最喜歡棲居在氣候比較溫暖溼潤，陽光充足的寬谷、灘地和坡麓地帶的草甸草原中。
  • 研究利用植物化石揭示青藏高原中部4700萬年前存在亞熱帶森林
    青藏高原中部是認識青藏高原形成過程的關鍵地區，長期以來備受地球科學和生命科學領域的關注。化石是生物與環境在漫長地質時期協同演化的產物，因而是探討高原生物多樣性演變歷史以及高原形成過程的關鍵證據。中國科學院西雙版納熱帶植物園古生態研究組、古脊椎動物與古人類研究所共同組織「第二次青藏高原綜合科學考察研究」古生物科考隊，聯合國內外多家科研院所，經過5年的大量野外工作及相關研究，揭示青藏高原中部4700萬年前存在亞熱帶森林。此次發現的化石點位於地處班戈縣海拔4850米的古新統至始新統牛堡組，地處青藏高原中部班公湖-怒江縫合帶。