自然陆地生态系统地上植物生产力普遍受到磷限制

日期： 2021-08-20

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标题：Global meta-analysis shows pervasive phosphorus limitation of aboveground plant production in natural terrestrial ecosystems

论文id：10.1038/s41467-020-14492-w

原名：Soil carbon persistence governed by plant input and mineral protection at regional and global scales

译名：自然陆地生态系统地上植物生产力普遍受到磷限制

期刊：Nature Communications

IF：12.212

发表时间：2020.01.30

第一作者：侯恩庆

通讯作者：侯恩庆，温达志

主要单位：中国科学院华南植物源

摘要：

热带地区地上植物生产普遍被认为受到P限制，而其他地区P限制则很少发生。本研究发现磷限制可能是更加广泛的存在及其强度可能比以往预测的更强。Meta分析结果显示在652个施磷野外试验中，近半数研究（46.2%）表明P显著地限制了植物地上部分生产力。在全球范围内，P添加使陆地生态系统地上植物产量增加了34.9%，比之前预测的增加了7.0 ~ 15.9%。相比之下，在农田中，添加P仅使地上植物产量增加了13.9%，这可能是由于历史施肥所致。不同气候带和地区对磷的限制程度也不同，并受气候、生态系统特性和施肥制度的影响。除证实热带地区普遍存在P限制外，我们的研究还表明其他地区也通常存在磷限制，表明了以往的研究低估了改变磷供应对陆地生态系统地上植物生产的重要性。

研究背景：

陆地地上植物生产力受到养分限制已被广泛承认。在陆地生态系统中，氮被认为是最重要的限制养分，而P尽管也是重要的限制养分，但其主要发生在风化作用强烈的热带低海拔地区。然而目前更多的研究发现P限制可以发生在苔原地区、温带风化作用强烈地区，这些发现对上述观点提出了挑战。目前为止，对于P在怎样的条件下限制陆地地上植物生产的认识人不清楚。因此，在耦合模型相互比较项目（CMIP5）第五阶段的数十个模型中，没有一个代表陆地磷生物地球化学，这导致了21世纪陆地碳汇强度的估算存在很大的不确定性。

本文报道了陆地生态系统地上植物产量的分布、大小和驱动因素。为此，我们使用了一个收录了从1955年至2017年发表的285篇论文汇编而成的652个P添加原位实验数据的全球数据库。该数据库涵盖了所有陆地生态系统的主要类型，包括自然陆地生态系统（436个森林、草原、苔原或湿地实验数据）和农田生态系统（216个）。本研究采用的自然陆地生态系统P添加实验数据数量比之前的整合分析多3.8-8.8倍。此外，由我们所采用的研究报道中有41.7%使2007年后发表的数据。收集到的数据分布在除南极洲以外的所有大洲，年均降雨量（MAP）为80-5302mm/y，年均温（MAT）为-12.1℃-27.5℃。与以前的数据库相比，这个最新的数据集能更好地捕捉了地球上不同的陆地栖息地，从而更清楚地了解磷供应在上述地面植物生产中的作用。

为了探究P限制的全局分布，我们首先估计了P限制的一个阈值，即一个临界P效应大小，该临界效应量与P = 0.05的临界z分数相对应。然后我们绘制了P限制显著和不显著情况的全球分布。我们使用生态学研究中常用的整合分析方法，量化了全球范围内以及不同生态系统之间P限制的大小。最后，我们探讨了气候、生态系统特性和施肥制度的影响，以及它们在预测磷效应大小方面的相对重要性。总的来说，在陆地生态系统地表植物生产的磷限制范围和程度比以往研究所提出的要更广泛、更强。

主要结果：

P限制的全球分布

地上植物生产力P限制在全球范围内广泛存在：从热带地区延森到北极地区（54.8ºS-76.5ºN）。除去尚未有研究的南极洲之外，所有已有研究的大陆板块均表现出一定程度地上生物量受P限制（图 1-3）。从全球尺度看，301个数据 (占总实验数的46.2%；45.0%的自然陆地生态系统实验；48.6%的农田试验)表明地上植物生产力显著受磷限制（表1）。这些发现为陆地生态系统中地上植物生产受到磷限制是一个世界性的现象提供了有力的证据。以往研究认为P限制主要发生在热带地区是取决于其风化土壤，高植物N:P以及高P利用效率、低土壤P浓度。陆地地上植物生产中磷限制在世界范围的出现可能是由自养生物所共享的生化机制引起，该机制对P和N的需求可能使植物生长受到P和N的限制。

自然陆地生态系统地上植物生产力普遍受到磷限制

P限制程度大小

在自然生态系统中，P添加使地上生产力提高了34.9%，农田仅提高13.9%。施氮效应的地上生产力的影响幅度随着磷添加量的增加和实验时间持续而增长（图 3；表 1）。本研究中北美的P效应大小（36.9%）与全球平均水平接近，但欧洲的P效应大小（21.7%）远小于全球平均水平和澳大利亚的平均水平（50.6%）、亚洲的平均水平（40.4%）和南美洲的平均水平（37.7%）（图 3）。在农田生态系统中，P效应对地上植物生产力的影响要小得多（表1），这可能与农田土壤具有更高的P有效性以及持续的P肥施用历史有关。

自然陆地生态系统地上植物生产力普遍受到磷限制

P限制测度的预测因子

磷效应的大小是由多个因素而不是单一因素控制的，气候、施肥制度、土壤和植物特性的解释度大概为9.1%–40.0%（图 4）。在热带和亚热带自然生态系统中，由于高温和降水驱动植物对磷的需求，以及土壤可提取磷浓度低限制了土壤磷供应，导致了磷的限制。相比之下，温带和（亚）北极自然生态系统中磷限制的出现可能与土壤有机质含量和pH值普遍较高有关。高有机质含量的土壤通过封闭磷的有机形态和提高微生物对磷的固定能力，降低了土壤中磷的有效性。土壤pH过高会降低土壤对磷的吸附能力，从而提高植物对磷肥的利用效率（即增强磷肥效应）。此外，土壤有机质含量高和pH适中都能提高土壤中N、钾、钙等养分的有效性，这可能扩大了植物生长对磷添加的响应。

自然陆地生态系统地上植物生产力普遍受到磷限制

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