中国北方森林植物多化学元素重吸收特征及其生态驱动机制

Nutrient resorption (NuR) is an important strategy of plant nutrient conservation, and a key process in biogeochemical models; however broad resorption patterns in plant essential nutrients are seldom documented beyond nitrogen and phosphorus. This project will systematically collect foliar samples from the dominant or common plant species of typical forests in northern China, and determine the concentration and stoichiometry of 14 key nutrient elements in senesced-leaves, as well as other associated plant functional traits (e.g., nutrient content and stoichiometry in mature-leaves, leaf lifespan, specific leaf area, leaf thickness, shoot height, and plant age). Based on these first-hand data, the NuR traits (efficiency and proficiency) of the forest plants, and their relationships with soil (e.g., pH value and nutrient stoichiometry), climate (temperature,precipitation, and sunshine duration), and the plant functional traits mentioned above will be analyzed; and thus the ecological mechanism underlying the variations in the NuR traits across different plant groups and eco-geographic zones will be explored for the 14 foliar chemical elements in northern China's forest plants. The research results are expected to improve our understanding of the differential conservation strategies evolved in plants with regard to these essential nutrient elements; to predict the potential effects of the global-change induced shift of limiting elements on plant nutrient use efficiency and thus ecosystem carbon cycling; and to provide key parameters for the biogeochemical cycling models in different eco-geographic areas.

养分重吸收是植物的一种重要养分利用策略和生物地球化学循环的一个关键过程，但目前国内外有关的宏观研究大多仍限于氮和磷。本研究拟在中国北方典型森林生态系统中，系统采集测量植物衰老叶中14 种养分含量和比例，以及相关植物功能属性（成熟叶的养分计量/叶寿命/比叶面积/叶厚度/株高/树龄等），建立中国北方森林植物重要营养元素重吸收特性参数和相关属性数据库。分析不同生态地理区各功能群植物养分重吸收特征参数的变异规律及其与土壤（pH 值和养分计量）、气候（温度、降水和日照时数）和上述各种植物属性的关系，揭示中国北方森林植物14种营养元素的重吸收特征和生态地理格局，并探索其形成的生态驱动机制。本项目结果将有助于理解各种植物对这些重要生命元素不同的养分利用策略，更好地预测各种全球变化引起的限制元素种类的改变对植物养分利用效率和生态系统碳循环的潜在影响，并为不同生态地理区域的生物地球化学循环建模提供关键参数。

养分重吸收是植物的一种重要养分保持策略，也是生物地球化学循环的一个关键过程，但在此项目前的国内外有关的宏观研究仍主要围绕氮和磷开展，而关于其他重要生命元素的重吸收研究却非常缺乏。本研究在中国北方39个样点的典型森林生态系统中，系统采集和测量70种常见木本植物的成熟绿叶和衰老叶中氮(N)、磷(P)、钾(K)、镁(Mg)、铜(Cu)、锰(Mn)、钙(Ca)、锌(Zn)、铝(Al)及铁(Fe)等养分含量和比例，以及相关植物功能属性，建立了中国北方森林木本植物重要营养元素重吸收特性参数和相关属性数据库；并通过分析植物养分重吸收特征参数的变异规律及其与环境和各种植物属性的关系，揭示了多种营养元素的重吸收特征和生态地理格局，以及其形成的生态驱动机制。结果表明，五种元素发生了重吸收，重吸收效率（NuRE）分别为63.6%(P)、56.8%(N)、50.7%(K)、36.0%(Cu)和18.5%(Mg)，其余元素总体上在落叶中累积，即NuRE<0，分别为-7.78%(Zn)、-16.5%(Mn)、-18.5(Ca)、-50.1%(Fe)和-61.0%(Al)。乔木的NRE、KRE和CuRE显著高于、而MgRE、MnRE、CaRE和AlRE显著低于灌木；被子植物的NRE、PRE、KRE、CuRE和ZnRE显著高于裸子植物。多数元素（N、P、K、Cu、Al和Fe）的NuRE与土壤元素含量显著负相关，体现了植物从土壤中吸收与从老叶中重吸收养分两种机制的权衡关系。总体上NuRE随植物本身元素含量增加而降低；随经度增加和年均温度降低而减小；种系发生对NuRE无显著影响；发生重吸收的元素（N、P、K和Cu）的NuRE与乔木的树高、胸径和地上生物量显著正相关。群落水平的NuRE对各因素响应普遍弱于个体水平。此外，通过探索天山北麓东西样带主要灌木物种同化器官中多元素NuRE与干旱指数的关系，发现干旱胁迫减弱了N、P、K和Cu的重吸收，却增加了其余六种元素的重吸收。这些元素的不同响应，意味着干旱等气候变化可能引发荒漠生态系统中生物地球化学循环失耦的可能性。本研究提高了对植物多元素不同利用策略的理解，可更好地预测全球变化引起的限制元素种类改变对植物养分利用效率和固碳潜力的影响，并为我国北方各生态地理区域的生物地球化学循环建模提供重要参数。