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AFM: 树木在干旱和氮营养条件变化下的碳平衡机制

作者: 沙坡头站　更新时间: 2021-11-08

      气候变化引起的干旱将是陆地生态系统变化的重要驱动因素, 树木死亡率随着全球干旱的频率、持续时间和强度增加而上升。虽然单个干旱事件的影响已经被广泛研究，但了解多个气候因子的综合作用对树木生长、生存和碳动态的影响仍不清楚，这对预测未来的植被动态至关重要。尤其是，近年来大气氮沉降呈持续增加的趋势，氮沉降的增加可能通过提高树木生长和生产力而有利于森林生态系统，这可能对干旱引起的负面影响产生影响。
       非结构性碳水化合物（Non-structure carbohydrate, NSC）是植物碳获取与碳消耗关系的一种度量，探讨植物碳水化合物的供应状况能了解植物碳获取和支出的平衡关系。全球变化（如干旱和氮沉降）通过影响生长对碳的需求和光合速率而强烈影响NSC在树木中的储存。然而，由于不同的生理结构和过程，碳交换和NSC对这些全球变化因子的响应在不同的树木类群、叶片习性或发育阶段可能有所不同，因此研究碳交换和NSC储存对不同梯度的干旱、氮营养变化及其耦合作用的响应是十分必要的。
       中科院沙坡头站研究团队与国内合作者研究了两种温带树种(蒙古栎Q. mongolica、水曲柳F. mandshurica)在不同程度干旱胁迫、氮营养添加及其交互作用下的气体交换、碳水化合物储存及叶片化学组分的变化。研究发现，干旱胁迫降低了叶片的净光合速率(A)和气孔导度(gs)，而氮营养添加增加了A和gs。此外，氮的添加降低了NSC及其组分的浓度，这与叶片碳氮元素含量的变化及幼树的快速生长有关，然而，在干旱和氮素添加的交互作用下碳水化合物浓度没有变化，表明NSC在胁迫环境下对植物生长和生存起着关键作用。

该研究发现氮营养添加通过改善碳交换和储存来缓解干旱胁迫，这将有助于未来气候变化下植被动态的预测。该成果以Nitrogen nutrition addition mitigated drought stress by improving carbon exchange and reserves among two temperate trees为题发表于农林科学领域Top期刊 Agricultural and Forest Meteorology（IF=5.734）上。沙坡头站特别研究助理张红霞博士为论文第一作者，李新荣研究员和关德新研究员为论文共同通讯作者，该研究得到国家自然科学基金（41621001, 41975150, 31770755, 31870625）的资助。

图1 氮素添加、干旱胁迫及其交互作用对净光合速率(A; a,b)、气孔导度(gs; c,d)和内部水分利用效率(WUEi; e,f)的影响

图2 氮素添加、干旱胁迫及其交互作用对可溶性糖(a,b)、淀粉(c,d)和总非结构性碳水化合物(NSC;e,f)的影响

图3 树木功能性状之间的相关关系分析。净光合速率(A)与叶氮含量(a)、比叶重(LMA)与A(b)、碳氮比(C/N)与叶氮含量(c)、可溶性糖浓度与叶碳含量(d)、总非结构碳水化合物(NSC)与可溶性糖浓度(e)及淀粉浓度与LMA(f)之间的关系。

http://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108693