2022
12/06
相关创新主体

创新背景

氮和磷是植物生长最重要的两种营养素。人类活动通过农业施肥和燃烧化石燃料向环境增加了大量的氮。植物和生态系统接受着额外的人为氮输入,但没有得到额外的磷,科学家预计养分之间的这种不平衡会影响植物的生长和生产力。

 

创新过程

在一项大规模的营养操纵实验中,马克斯普朗克生物地球化学研究所的研究人员和西班牙合作伙伴分析了自然生态系统如何响应不平衡的氮和磷可用性。在位于伊比利亚半岛中部Majadas de Tietar的半干旱稀树草原中,两个约20公顷的相邻地区仅用氮施肥,模拟营养失衡,或同时用平衡的氮和磷输入。第三个区域作为对照没有施肥。研究使用各种尖端技术持续监测生态系统的反应,涉及施肥草本植物和树木以及土壤的环境和生理参数。

首次在自然生态系统中进行示范

在施肥后的5年内,与对照相比,仅进行氮处理的区域植被生长增加。然而,随之而来的是生态系统的用水量大幅增加。这种水分损失既增加了蒸散速率,又降低了仅施氮的地区的土壤水分含量。相反,当在平衡处理中同时添加氮和磷养分时,植被生长增加虽然与仅氮处理的区域相似,但与对照组相比,用水量并未增加。研究团队认为,营养物质的平衡可用性导致更有效地利用水。

在早期和较小规模的实验中也获得了类似的结果,研究团队在中观实验中分析了单个植物甚至整个植物或植物群落的叶子。研究是第一次在整个自然生态系统中证明由于营养失衡而导致的水损失增加,对现实生产生活更具有参照性。

吸水率差异的两种解释

额外的水分损失可以用两个常见的假设来解释。首先,氮和磷对气孔的开放有不同的影响,气孔是植物的微小孔隙,允许从大气中吸收二氧化碳,但同时通过蒸腾作用导致水分流失。其次,植物试图通过根系分泌物将它们从土壤中溶解出来以平衡养分的吸收。后者得到了实验发现的支持,即在纯氮处理中根生物量增加并改变其形态。实验地点的树木在5年内以不同的方式施肥时没有改变其碳吸收和用水。这可以通过以下事实来解释:具有浅根系的草本层对最上层土壤层的施肥反应迅速,而根深的树木没有经历养分变化。

将营养研究提高到生态系统层面非常重要,其结果可能产生深远影响,特别是对于气候变化导致气温升高和同时水资源枯竭的地区。当水稀缺时,例如在半干旱地区,磷与氮相比的局限性会加剧生态系统的水分损失,因为植物利用水的效率较低。

 

创新关键点

植物利用水和吸收二氧化碳促进生长的效率在很大程度上取决于氮、磷的可用性及其在生态系统中的平衡。研究分析了植物及其环境对这些营养素的添加产生的反应,发现对于半干旱的稀树草原生态系统而言,过量的单一营养氮会促进植物生长,但也会导致更高的用水量。只有当同时添加氮和磷时,碳吸收和植物生长的增加才能保持正常耗水量。

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