Nutrient availability and nutrient use efficiency in plants growing in the transition zone between land and water

生長在陸地與水過渡帶植物的養(yǎng)分可利用性及養(yǎng)分利用效率

來源：Plant Biology, Volume 18, 2016, Pages 301-306

《植物生物學(xué)》，第18卷，2016年，第301-306頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了陸地與淡水棲息地過渡帶（水陸交錯(cuò)帶）的環(huán)境動(dòng)態(tài)特性如何影響植物的營養(yǎng)狀況和表現(xiàn)。研究假設(shè)：（i）沉水、兩棲和陸生物種的組織養(yǎng)分含量不同，沉水物種含量更高；（ii）光合氮利用效率（PNUE）從沉水物種到兩棲物種再到陸生物種逐漸增加，反映了沿水陸交錯(cuò)帶無機(jī)碳（C）與氮（N）、磷（P）相對可利用性的差異。研究發(fā)現(xiàn)，沉水物種的組織養(yǎng)分含量通常更高，并且C:N和C:P比率表明約20%的植物個(gè)體（特別是兩棲和陸生物種）存在養(yǎng)分限制。正如預(yù)測的那樣，PNUE從沉水物種到兩棲物種再到陸生物種逐漸增加。這表明兩棲和陸生物種將更高比例的養(yǎng)分分配給在CO2飽和條件下對光合作用重要的過程（如參與底物再生的酶），而適應(yīng)水生環(huán)境中較低CO2可用性的沉水物種則不同。結(jié)果表明，養(yǎng)分負(fù)荷增加可能影響溪流生態(tài)系統(tǒng)水陸交錯(cuò)帶中三個(gè)物種組的相對豐度。

 

研究目的

本研究旨在調(diào)查水陸交錯(cuò)帶不同植物生活型（沉水、兩棲、陸生）的營養(yǎng)狀況及其光合性能如何與其營養(yǎng)狀況相關(guān)。具體目的是驗(yàn)證兩個(gè)假設(shè)：1）不同生活型植物組織養(yǎng)分含量存在差異，沉水物種更高；2）PNUE沿水陸交錯(cuò)帶從沉水到兩棲再到陸生物種逐漸增加，反映N、P相對于無機(jī)C的可利用性差異。

 

研究思路

研究在丹麥日德蘭半島12個(gè)開闊林冠的溪流段的水陸交錯(cuò)帶及相鄰河岸區(qū)，選取了14種植物（8種沉水、3種兩棲、3種陸生）作為研究對象。思路包括：野外采集植物樣本；使用紅外氣體分析儀（IRGA）原位測量兩棲和陸生植物的光飽和光合速率，在實(shí)驗(yàn)室使用氧電極（Unisense OX500）測量沉水植物的光飽和光合速率（通過O2產(chǎn)生計(jì)算）；分析所有植物組織的C、N、P含量；計(jì)算PNUE和PPUE（光合磷利用效率）；使用ANOVA等統(tǒng)計(jì)方法比較不同生活型植物在組織養(yǎng)分含量、光合速率、PNUE和PPUE上的差異；并通過C:N與組織N含量、C:P與組織P含量的關(guān)系評估養(yǎng)分限制狀況。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 組織碳、氮、磷含量數(shù)據(jù)：來自圖1和表1。數(shù)據(jù)顯示，沉水物種的N、P組織含量顯著高于兩棲和陸生物種，而C含量則從沉水到陸生物種逐漸增加。研究意義是直接證實(shí)了不同生活型植物獲取和儲(chǔ)存養(yǎng)分策略的差異，反映其各自環(huán)境的養(yǎng)分可用性。沉水物種能同時(shí)從沉積物間隙水和上覆水中吸收養(yǎng)分，故含量最高。

 

 

2 光合速率數(shù)據(jù)：來自圖3和表1。沉水物種的光合速率顯著低于兩棲和陸生物種。研究意義是表明水下CO2擴(kuò)散受限嚴(yán)重制約了沉水植物的光合作用能力，突顯了水陸環(huán)境無機(jī)碳可用性的根本差異對其初級生產(chǎn)力的影響。

 

3 光合氮利用效率（PNUE）和光合磷利用效率（PPUE）數(shù)據(jù)：來自圖3和表1。PNUE和PPUE從沉水物種到兩棲物種再到陸生物種逐漸增加。研究意義是揭示了植物適應(yīng)不同碳環(huán)境的營養(yǎng)投資策略。陸生和兩棲物種在CO2相對充足條件下，能將更多氮磷分配給光合作用的關(guān)鍵酶（如參與底物再生的酶），從而提高了養(yǎng)分利用效率。

4 養(yǎng)分限制評估數(shù)據(jù)：來自圖2。通過分析C:N與組織N%、C:P與組織P%的關(guān)系，確定養(yǎng)分限制的閾值（N<2%干重，P<0.2%干重）。約20%的個(gè)體存在N和/或P限制，且主要出現(xiàn)在兩棲和陸生物種中。研究意義是為評估水陸交錯(cuò)帶植物的營養(yǎng)狀況提供了定量標(biāo)準(zhǔn)，表明養(yǎng)分會(huì)限制部分植物生長，尤其兩棲和陸生物種。

 

 

結(jié)論

本研究得出結(jié)論：1）沉水植物組織N、P含量高于兩棲和陸生植物，支持了第一個(gè)假設(shè)；2）PNUE和PPUE從沉水到兩棲再到陸生植物逐漸增加，支持了第二個(gè)假設(shè)，這反映了不同生活型植物為適應(yīng)各自環(huán)境中無機(jī)碳與N、P的相對可用性差異，在光合機(jī)構(gòu)內(nèi)的養(yǎng)分分配策略不同；3）約20%的植物個(gè)體（主要為兩棲和陸生）存在養(yǎng)分限制。這表明增加的養(yǎng)分負(fù)荷可能使兩棲和陸生物種相對沉水物種更具生長優(yōu)勢，從而可能改變水陸交錯(cuò)帶植物群落的物種組成。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（具體型號為OX500氧電極）測量數(shù)據(jù)的研究意義在于其提供了高精度、可靠的水下光合作用速率量化方法。該電極用于測量沉水植物在密閉培養(yǎng)瓶中光照一段時(shí)間后的溶解氧濃度變化，從而計(jì)算O2產(chǎn)生速率，并最終轉(zhuǎn)化為CO2吸收速率以便與陸生植物的測量結(jié)果比較。這種方法的優(yōu)勢在于能夠準(zhǔn)確捕捉水下低光強(qiáng)且CO2擴(kuò)散受限環(huán)境中的微小氣體交換變化。通過使用Unisense電極獲得的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，本研究能夠有效區(qū)分沉水、兩棲和陸生植物在光合性能上的顯著差異，為“沉水植物PNUE較低”這一關(guān)鍵結(jié)論提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該技術(shù)確保了不同生境植物光合效率的可比性，是驗(yàn)證關(guān)于環(huán)境碳可用性如何影響植物營養(yǎng)利用效率假說的關(guān)鍵工具。