鼎湖山站揭示气候和底物化学计量比调控自生固氮

作者：鼎湖山站  更新时间：2024-11-30

生物固氮是陆地生态系统重要的氮输入途径，通常包括共生和自生固氮两种方式。相比共生固氮而言，自生固氮在陆地生态系统的分布范围更广。自生固氮通常受到气候因子、底物特性和固氮微生物群落结构的影响。传统观点认为，气候因子是驱动自生固氮空间格局的主要因素，因此温暖湿润的低纬度地区通常被认为具有更高的自生固氮速率。然而，许多区域尺度的研究发现，温暖湿润的低纬度地区并不一定表现出更高的自生固氮速率，并且相比气候因子而言，底物特性对自生固氮区域分布格局的影响可能更为显著。因此，自生固氮的空间分布格局及其影响因素有待进一步研究。

本研究以在中国东海岸不同位点采集的互花米草和芦苇凋落物为研究对象，开展了两项野外实验（同位分解实验和同质园分解实验），并用全球数据进一步佐证（图1）。在同位分解实验中，来自不同位点的互花米草和芦苇凋落物被送回采样地点进行分解，以评估气候因子和底物特性对自生固氮区域格局的影响。在同质园分解实验中，来自不同位点的互花米草和芦苇凋落物被统一放置于崇明岛东滩进行分解，以进一步明确底物特性对自生固氮区域格局的作用。此外，通过全球数据分析进一步验证自生固氮的分布格局及其调控因素。

结果表明，互花米草和芦苇凋落物自生固氮速率的纬度格局并没有在温暖湿润的低纬度地区达到峰值。这种的现象也可以推广到其他自生固氮类型（土壤、叶片等）的全球分布格局。导致这种现象的原因是由于在区域和全球尺度上，自生固氮的空间分布格局受到气候因子和底物化学计量比的共同调控。为此，我们提出了一个新的理论框架来解释这种现象（图2）。在温暖湿润的地区，尽管适宜的气候有助于自生固氮，但较低的底物C:N和C:(N:P)比会限制其活性，使自生固氮速率低于传统观点的预期值；相反，在气温和水分相对较低的地区，虽然气候条件不利于自生固氮，但较高的底物C:N和C:(N:P)比能在一定程度上促进微生物固氮活性，使自生固氮速率高于传统观点的预期值。上述结果从区域和全球尺度进一步验证了前期发现的底物化学计量比调控氮饱和成熟林自生固氮速率（Zheng et al. 2018, Ecology; https://doi.org/10.1002/ecy.2416）以及驱动森林演替过程的固氮速率变化（Zheng et al. 2020, Ecology Letters; https://doi.org/10.1111/ele.13437）。

该研究成果以“Climate and substrate stoichiometry co-regulate free-living nitrogen fixation at regional and global scales”为题发表于Earth’s Future（ https://doi.org/10.1029/2024EF005093）。复旦大学硕士生戴海啸为第一作者，中国科学院华南植物园郑棉海副研究员和复旦大学/兰州大学吴纪华教授为共同通讯作者，复旦大学博士生刘泽康和兰州大学助理教授Ali Bahadur为本文共同作者。

图2 气候和底物化学计量比对自生固氮空间分布的共同调控作用的理论框架