南京土壤所在氣候變化濱海濕地安全研究方面取得進展

濱海濕地植物群落包括沼澤、紅樹林、潮汐淡水森林和海草，被廣泛認為可以為野生動物提供棲息地、改善水質、抵御風暴和固碳。但有證據表明，氣候變化驅動的海平面上升加速和陸地沉降（兩者之和為相對海平面上升(RSLR)）正日益超過沿海濕地海拔上升的速度，可能“淹沒”這些重要的生態系統。目前尚不清楚，氣候變化對植物生產力的影響是否會在長期(幾十年)內抵消相對海平面上升。對于以C₄植物為主的濕地，它們對CO₂濃度上升（eCO₂）的響應最小，eCO₂不太可能影響濕地對相對海平面上升的恢復力。相比之下，根據短期實驗的eCO₂響應參數化的模型預測，eCO₂將大大緩解以C₃為主的濕地的恢復力。然而，這些預測沒有考慮到在多種全球變化因素相互作用下，短期eCO₂實驗中觀察到的eCO₂對植物生物量和濕地海拔增加的促進作用是否會在以C₃植物為主的濱海濕地中長期持續。

針對該問題，中國科學院南京土壤研究所研究員朱春梧與美國 Smithsonian 環境研究中心、美國維拉諾瓦大學及美國哥倫比亞大學聯合，利用在美國切薩皮克灣濕地開展的原位OTC（Open Top Chamber）長期實驗為基礎，分析了在海平面上升的情況下，長期eCO₂處理對C₃植物生物量和濕地海拔高程的影響。

該研究發現，C₃植物累計生物量對高CO₂響應大致可分為三個不同的時間階段：最初的“滯后”階段（1987~1990年），植物生物量響應具有高變異性，可能反應了植物和微生物對CO₂濃度突然升高的調節；第二階段（1991~2002年 ）的特征是eCO₂對植物生物量的促進作用更大且更為一致（即更陡峭的相對線性的累計響應）；第三階段開始于2005年，eCO₂的促進作用下降，表明外部因素的干擾或者eCO₂產生的負反饋（適應或漸進性氮限制）導致了eCO₂對生物量的促進作用受到抑制。自2006年以后，C₃植物地上生物量對eCO₂的響應顯著下降。

地上生物量對eCO₂的響應

植物對eCO₂響應的早期和后期階段

經過約18年的處理后，植物生物量對eCO₂的響應開始下降，相對海平面是唯一與C₃植物地上生物量對eCO₂響應下降趨勢相對應的時間變量。考慮到植物響應的滯后性，地上部生物量對eCO₂的響應以2年的增量，與生長季節海平面（當這些植物物種光合作用活躍時)繪制圖表時，當海平面低于約15厘米海拔時，eCO₂促進了生產力，但在這一海拔閾值以上時，eCO₂促進作用下降。由于該地點的地下生產量在15厘米海拔以上也開始下降，推斷土壤飽和時間的增加導致了eCO₂促進作用的減弱。海平面上升伴隨著潮差的輕微減小，隨著時間的推移，這可能增加了沼澤淹沒的持續時間，但可能太小而不重要。

植物地上生物量對eCO₂的響應與海平面的關系

在2005年左右，相對海平面上升引起淹水范圍和頻率增加，越過了一個生理閾值，海水淹沒開始干擾C₃植物對eCO₂的響應能力。在本研究中，隨著eCO₂對地上生物量的促進作用降低，兩種處理下的根系生物量都急劇下降。隨著相對海平面加速上升，淹水頻率和持續時間增加，這可能導致根系的厭氧脅迫加劇，如硫化物等毒素濃度增加，氮素限制導致光合能力下降。對此可能解釋為淹水脅迫阻礙了植物分配模式的轉移，而這種模式通常在相對低脅迫條件下觀察到，有助于維持eCO₂的促進作用，包括增強營養物質的獲取和光合產物的地下生長匯。沒有這些，光合作用的eCO₂促進作用會由于適應而下降。因此，植物對eCO₂的響應服從于淹水造成的生理限制。從長期來看，eCO₂不能顯著增強濕地面對相對海平面加速增加的恢復力。本研究預警了全球變化下全球濱海濕地安全性變遷，對我國濱海濕地保護具有重要借鑒意義。

以上研究成果于2022年5月發表于Science子刊《Science Advances》，朱春梧研究員為第一作者和通訊作者，J. Adam Langley為同等第一作者，J. Patrick Megonigal為等同通訊作者，該成果得到中科院“0-1” 項目 （ZDBS-LY-DQC020）、美國能源部項目（DE-FG02-97ER62458）和美國國家基金（DEB-0950080）等資助。

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