油蒿资源利用效率权衡动态与机制

Climatic change-induced plant resource (light，nitrogen，water) change and thus functional changes in plant ecosystem have currently been a great concern. Trade-offs between plant resource utilization have been widely used to understand the acclimation of plant to climate change or extremes. However, the trades-offs in plant resource use efficiencies are unknown. It is generally hypothesized that plant maximizes the most limited resource at the expense of the other resources. We hypothesize that: plant may maximize water use efficiency (WUE) in response to water limitation, while minimizing nitrogen use efficiency (NUE) and/or light use efficiency (LUE). To test these hypotheses, the research program is designed to conduct continuously long-term high frequency measurements, fix-point observations and lab analysis of multiple biotic and abiotic variables in an Artemisia ordosica ecosystem, along with Regression Tree analysis and Structural Equation Modelling for large dataset analysis. We aim to answer two key scientific questions (1) what are the resource use efficiencies trade-offs for photosynthetic assimilation at different time scales and at different scales of organization, from the individual leaf to entire ecosystem, and (2) what are the trade-offs between WUE, NUE, and LUE in response to drought. The goals are (1) to characterize the trade-offs in resource use efficiencies and environmental controls in response to resource limitations, and (2) to understand the strategies of plants to cope with climatic extreme events (drought or N deposition) in order to inform policy and action-plan making for adaptation of desert ecosystems to climate change.

植物资源（光、氮、水分）利用效率是反映生态功能适应气候变化的关键指示，然而植物资源利用效率间的权衡关系鲜有报道。本研究以半干旱区油蒿（Artemisia ordosica）为研究对象，采用高精度野外监测仪器获取多年高频多变量数据，结合传统样地定点观测、定期抽样分析，运用大数据集与多变量统计分析方法解析多年连续多元数据生态信息，阐明油蒿资源利用效率间多尺度权衡与机制。研究拟验证假设：油蒿资源利用权衡机制是以降低非限制性资源利用效率为代价来最大化对限制性资源利用效率的提高，并回答如下科学问题：1）油蒿资源利用效率权衡关系是否存在时间尺度和组织尺度（单叶、个体、种群）分异？ 2）油蒿资源利用效率间怎样权衡来缓和干旱对光合碳同化的限制？研究结果将是制定荒漠生态系统适应气候变化政策和行动计划的科学依据。

植物资源（光、氮、水分）利用效率是反映生态功能适应气候变化的关键指示，然而植物资源利用效率间的权衡关系鲜有报道。本研究以半干旱区油蒿（Artemisia ordosica）为研究对象，采用高精度野外监测仪器获取多年高频多变量数据，结合传统样地定点观测、定期抽样分析，运用大数据集与多变量统计分析方法解析多年连续多元数据生态信息，阐明了油蒿资源利用效率间多尺度权衡与机制。研究发现生长季尺度油蒿叶片氮利用效率（NUE）、水利用效率（WUE）与叶表面水汽压亏缺（VPDl）、叶表面温度（Tl）之间呈显著负相关。叶片光合系统中的氮分配比例受Tl控制，同时Tl显著影响了净光合速率（Pn）和资源利用效率。叶片NUE、WUE与LUE间为正相关关系；年际尺度油蒿光合和蒸腾的变异主要受土壤含水量（VWC）调节，而土壤水分调节油蒿光合、蒸腾的阈值约为0.1 m3m-3。当VWC>0.1 m3m-3时,油蒿资源利用效率（NUE、WUE、LUE）变化趋势趋同，当VWC<0.1 m3m-3时，光、氮、水利用效率的变化规律趋异；个体尺度油蒿和沙柳均通过气孔调节来适应夏季干旱，但油蒿光合速率（pn）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（E）和氮利用效率（NUE）显著高于沙柳，水分利用效率（WUE）则低于沙柳。两种植物在水、氮资源利用的权衡策略上差异较大，沙柳在干旱条件下通过维持高水分利用效率来应对水分亏缺，而油蒿则表现为高蒸腾和高净光合速率、低水分利用效率，具有高抗旱性。生态系统尺度油蒿灌丛生态系统年净生态系统生产力（NEP）范围为-76 - -18 g C m-2 y-1，水分利用效率（WUE）范围为0.92-1.14 g C kg-1 H2O，碳损失越大的年份WUE同时也越低。在未来降水和干旱更加频繁的气候变化下，干旱发生时期可能是影响油蒿灌丛生态系统碳水平衡的关键因素。本研究从单叶到生态系统多个尺度阐明了油蒿资源利用效率间的权衡关系差异，该结果为制定荒漠生态系统适应气候变化政策和行动计划提供科学依据。