南京土壤所在气候变化滨海湿地安全研究方面取得进展

滨海湿地植物群落包括沼泽、红树林、潮汐淡水森林和海草，被广泛认为可以为野生动物提供栖息地、改善水质、抵御风暴和固碳。但有证据表明，气候变化驱动的海平面上升加速和陆地沉降（两者之和为相对海平面上升(RSLR)）正日益超过沿海湿地海拔上升的速度，可能“淹没”这些重要的生态系统。目前尚不清楚，气候变化对植物生产力的影响是否会在长期(几十年)内抵消相对海平面上升。对于以C₄植物为主的湿地，它们对CO₂浓度上升（eCO₂）的响应最小，eCO₂不太可能影响湿地对相对海平面上升的恢复力。相比之下，根据短期实验的eCO₂响应参数化的模型预测，eCO₂将大大缓解以C₃为主的湿地的恢复力。然而，这些预测没有考虑到在多种全球变化因素相互作用下，短期eCO₂实验中观察到的eCO₂对植物生物量和湿地海拔增加的促进作用是否会在以C₃植物为主的滨海湿地中长期持续。

针对该问题，中国科学院南京土壤研究所研究员朱春梧与美国 Smithsonian 环境研究中心、美国维拉诺瓦大学及美国哥伦比亚大学联合，利用在美国切萨皮克湾湿地开展的原位OTC（Open Top Chamber）长期实验为基础，分析了在海平面上升的情况下，长期eCO₂处理对C₃植物生物量和湿地海拔高程的影响。

该研究发现，C₃植物累计生物量对高CO₂响应大致可分为三个不同的时间阶段：最初的“滞后”阶段（1987~1990年），植物生物量响应具有高变异性，可能反应了植物和微生物对CO₂浓度突然升高的调节；第二阶段（1991~2002年 ）的特征是eCO₂对植物生物量的促进作用更大且更为一致（即更陡峭的相对线性的累计响应）；第三阶段开始于2005年，eCO₂的促进作用下降，表明外部因素的干扰或者eCO₂产生的负反馈（适应或渐进性氮限制）导致了eCO₂对生物量的促进作用受到抑制。自2006年以后，C₃植物地上生物量对eCO₂的响应显著下降。

地上生物量对eCO₂的响应

植物对eCO₂响应的早期和后期阶段

经过约18年的处理后，植物生物量对eCO₂的响应开始下降，相对海平面是唯一与C₃植物地上生物量对eCO₂响应下降趋势相对应的时间变量。考虑到植物响应的滞后性，地上部生物量对eCO₂的响应以2年的增量，与生长季节海平面（当这些植物物种光合作用活跃时)绘制图表时，当海平面低于约15厘米海拔时，eCO₂促进了生产力，但在这一海拔阈值以上时，eCO₂促进作用下降。由于该地点的地下生产量在15厘米海拔以上也开始下降，推断土壤饱和时间的增加导致了eCO₂促进作用的减弱。海平面上升伴随着潮差的轻微减小，随着时间的推移，这可能增加了沼泽淹没的持续时间，但可能太小而不重要。

植物地上生物量对eCO₂的响应与海平面的关系

在2005年左右，相对海平面上升引起淹水范围和频率增加，越过了一个生理阈值，海水淹没开始干扰C₃植物对eCO₂的响应能力。在本研究中，随着eCO₂对地上生物量的促进作用降低，两种处理下的根系生物量都急剧下降。随着相对海平面加速上升，淹水频率和持续时间增加，这可能导致根系的厌氧胁迫加剧，如硫化物等毒素浓度增加，氮素限制导致光合能力下降。对此可能解释为淹水胁迫阻碍了植物分配模式的转移，而这种模式通常在相对低胁迫条件下观察到，有助于维持eCO₂的促进作用，包括增强营养物质的获取和光合产物的地下生长汇。没有这些，光合作用的eCO₂促进作用会由于适应而下降。因此，植物对eCO₂的响应服从于淹水造成的生理限制。从长期来看，eCO₂不能显著增强湿地面对相对海平面加速增加的恢复力。本研究预警了全球变化下全球滨海湿地安全性变迁，对我国滨海湿地保护具有重要借鉴意义。

以上研究成果于2022年5月发表于Science子刊《Science Advances》，朱春梧研究员为第一作者和通讯作者，J. Adam Langley为同等第一作者，J. Patrick Megonigal为等同通讯作者，该成果得到中科院“0-1” 项目 （ZDBS-LY-DQC020）、美国能源部项目（DE-FG02-97ER62458）和美国国家基金（DEB-0950080）等资助。

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