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分可利用性及養分利用效率

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

《植物生物學》，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（水陸交錯帶）的環境動態特性如何影響植物的營養狀況和表現。研究假設：（i）沉水、兩棲和陸生物種的組織養分含量不同，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，反映了沿水陸交錯帶無機碳（C）與氮（N）、磷（P）相對可利用性的差異。研究發現，沉水物種的組織養分含量通常更高，并且C:N和C:P比率表明約20%的植物個體（特別是兩棲和陸生物種）存在養分限制。正如預測的那樣，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），而適應水生環境中較低CO2可用性的沉水物種則不同。結果表明，養分負荷增加可能影響溪流生態系統水陸交錯帶中三個物種組的相對豐度。

 

研究目的

本研究旨在調查水陸交錯帶不同植物生活型（沉水、兩棲、陸生）的營養狀況及其光合性能如何與其營養狀況相關。具體目的是驗證兩個假設：1）不同生活型植物組織養分含量存在差異，沉水物種更高；2）PNUE沿水陸交錯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C的可利用性差異。

 

研究思路

研究在丹麥日德蘭半島12個開闊林冠的溪流段的水陸交錯帶及相鄰河岸區，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，在實驗室使用氧電極（Unisense OX500）測量沉水植物的光飽和光合速率（通過O2產生計算）；分析所有植物組織的C、N、P含量；計算PNUE和PPUE（光合磷利用效率）；使用ANOVA等統計方法比較不同生活型植物在組織養分含量、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含量的關系評估養分限制狀況。

 

測量的數據及研究意義

1 組織碳、氮、磷含量數據：來自圖1和表1。數據顯示，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了不同生活型植物獲取和儲存養分策略的差異，反映其各自環境的養分可用性。沉水物種能同時從沉積物間隙水和上覆水中吸收養分，故含量最高。

 

 

2 光合速率數據：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擴散受限嚴重制約了沉水植物的光合作用能力，突顯了水陸環境無機碳可用性的根本差異對其初級生產力的影響。

 

3 光合氮利用效率（PNUE）和光合磷利用效率（PPUE）數據：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不同碳環境的營養投資策略。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鍵酶（如參與底物再生的酶），從而提高了養分利用效率。

4 養分限制評估數據：來自圖2。通過分析C:N與組織N%、C:P與組織P%的關系，確定養分限制的閾值（N<2%干重，P<0.2%干重）。約20%的個體存在N和/或P限制，且主要出現在兩棲和陸生物種中。研究意義是為評估水陸交錯帶植物的營養狀況提供了定量標準，表明養分會限制部分植物生長，尤其兩棲和陸生物種。

 

 

結論

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

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（具體型號為OX500氧電極）測量數據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瓶中光照一段時間后的溶解氧濃度變化，從而計算O2產生速率，并最終轉化為CO2吸收速率以便與陸生植物的測量結果比較。這種方法的優勢在于能夠準確捕捉水下低光強且CO2擴散受限環境中的微小氣體交換變化。通過使用Unisense電極獲得的高質量數據，本研究能夠有效區分沉水、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”這一關鍵結論提供了堅實的實驗證據。該技術確保了不同生境植物光合效率的可比性，是驗證關于環境碳可用性如何影響植物營養利用效率假說的關鍵工具。