植物叶片碳稳定同位素丰度(δ13C)可以揭示植物叶片生理生态过程对气候变化响应与适应机理,并已广泛应用于植物和环境科学。阐明叶片δ13C变异的驱动机制是其广泛应用的前提,迄今为止,在区域和全球尺度已开展了多项研究以明确叶片δ13C的关键驱动机制,这些研究认为叶片δ13C变异是响应多种气候压力,尤其是降雨和温度的结果。然而,也有研究发现即使在相似的环境条件下,叶片δ13C在物种之间也存在显著差异,表明除了气候因子,叶片生理特性对叶片δ13C也有重要影响。植物功能型(PFT)是对环境条件具有相似响应机理的一组植物,可以提供物种和环境的综合信息。目前,陆地生态系统中叶片δ13C变异及其主要驱动因素的研究大多集中在物种尺度,只有少数研究关注了PFT尺度的叶片δ13C变异,生理和环境因素对不同PFTs叶片δ13C变异的相对贡献和驱动机制仍不清楚。叶片功能性状(LFTs)是植物对环境的长期适应过程中进行的形态和生理调整,与影响叶片δ13C变异的生理机制密切相关:首先,叶片的细胞和解剖结构影响CO2从外界环境向叶片羧化位点的扩散;其次,叶片生化特性,尤其是羧化能力对叶片δ13C变异产生影响。
基于此,中国林科院森环森保所森林修复与逆境生理生态学科组在青藏高原东部进行了大规模的叶片δ13C测定,研究了叶片功能性状和气候因子对不同PFTs叶片δ13C变异的相对贡献和调节途径。研究发现不同PFTs叶片δ13C与年平均降水量(MAP)呈负相关,与年平均气温(MAT)不是简单的线性关系。MAT和MAP既可以直接影响叶片δ13C变异,也可以通过影响叶性状而间接影响叶片δ13C变异,且气候因子对叶片δ13C变异的影响因PFTs而异。LFTs是不同PFTs叶片δ13C变异最重要的直接影响因子,其中单位面积叶片氮含量和比叶重对叶片δ13C变异的影响更为强烈。在区域尺度上,叶片δ13C变异主要由LFTs而不是气候因子驱动。我们的研究强调了LFTs对叶片δ13C变异的重要性,叶片δ13C变异更多的取决于LFTs的直接作用及其对气候因子适应的形态生理调节。这些发现对于理解PFT尺度上叶片δ13C变异的LFTs和气候的驱动机制提供了新的见解。
研究成果以“Leaf functional traits have more contributions than climate to the variationsof leaf stable carbon isotope of different plant functional types on the easternQinghai–Tibetan Plateau”为题发表于国际学术期刊《Science of the Total Environment》(中科院1区TOP,IF=10.754)。森环森保所博士研究生陈淼为论文第一作者,史作民研究员为通讯作者。本研究得到中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFYBB2018ZA003,CAFYBB2021ZA002-2)和国家重点研发计划项目(2016YFC0502104-02)的共同资助。(陈淼 刘顺)