固氮植物氮同位素组成随降雨变化格局的形成机制研究-以3种锦鸡儿属植物为例

Climate changes will have strong effect on the key processes of arid and semi-arid ecosystems, such as nitrogen cycling and foliar nitrogen (N) isotope composition (δ15N) can serve as an indicator of plant N acquisition and can help predict how plants respond and adapt to environmental changes. Variations in foliar δ15N across precipitation gradients have been widely studied but few studies have focused on how precipitation patterns of foliar δ15N vary within and across legume species, which are often considered to be independent of soil N processes and climatic factors because of their capacity to fix N2 from the atmosphere. In the present project, we select Caragana microphylla, C. liouana and C. korshinskii which are dominant species of the major vegetation in the regions from Nei Mongol Plateau to the west in Alashan desert. We mainly compare the inter-and intra- differences of the three Caragana species in plant and soil nitrogen isotope composition (δ15N), and relate them to precipitation, the functional diversity and dynamics of microbial communities associated with nitrogen cycling, soil characteristics and plant traits. We aim to find the key factor influencing the responses of plant and soil δ15N to precipitation and provide integrated information on formation mechanism underlying relationship between plant δ15N to precipitation. This study will be a case study for examining the patterns of δ15N of nitrogen-fixing plant to precipitation, and also for predicting the response and adaptation of arid and semi-arid ecosystems to future climate changes.

气候变化将深刻影响干旱生态系统的氮循环等关键生态过程，而研究植物氮同位素组成（δ15N）与降雨的关系是理解这种影响的重要途径。以往研究认为植物δ15N与降雨量的负相关关系仅适用于非固氮植物，但我们却发现3种固氮植物的δ15N与降雨量也存在显著负相关，且这种关系的形成机制目前尚不清楚。基于此，本研究继续以柠条锦鸡儿、中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿为研究对象。它们分别是我国北方半干旱干草原、干旱荒漠化草原和草原荒漠化气候区的主要建群种。项目利用氮同位素技术、微生物功能基因芯片技术和结构模型等方法，通过测定3种锦鸡儿不同种群植物和土壤的δ15N，建立其与降水、土壤微生物氮循环相关基因多样性、土壤性状和植物性状的关系，阐明影响3种锦鸡儿植物δ15N变化的关键因素，揭示锦鸡儿属植物δ15Ｎ随降水变化格局的形成机制，为固氮植物δ15Ｎ响应降雨变化的式样提供研究实例，也为该地区生态系统响应气候变化提供数据支持。

研究植物氮同位素组成（δ15N）与降雨的关系是理解气候变化影响干旱生态系统关键生态过程的重要途径。本研究通过分析半干旱区建群植物中间锦鸡儿（Caragana liouana）和小叶锦鸡儿（C. microphylla）不同地理种群（中间锦鸡儿11个，小叶锦鸡儿10个）的植物（叶、根）和土壤δ15N，建立其与降水、土壤微生物氮循环相关基因多样性、土壤性状和植物性状的关系，以期阐明影响锦鸡儿植物δ15N变化的关键因素，揭示锦鸡儿属植物δ15Ｎ随降水变化格局的形成机制，为旱区生态系统响应气候变化提供数据支持。研究结果如下： ①通过分析中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿不同地理种群叶片功能性状的差异及性状间的相互关系，揭示了中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿叶片性状对环境变化的响应特征，阐明了年均降雨量（MAP）和年均温(MAT)分别是影响中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿叶片性状变异的重要因素。②通过分析中间锦鸡儿和小叶锦鸡儿不同地理种群间叶δ15N、根δ15N和土壤δ15N的差异，发现三者之间存在显著正相关关系，且均随MAP增加呈明显的下降趋势，尽管叶δ15N的下降不显著；基于冗余分析（RDA）发现土壤性状(TN、AK、Sand)、植物功能性状（Pheg、LNP、RLW）和氮循环功能基因（nifH和AOA）是影响叶δ5N、根δ5N和土壤δ5N变化的关键因素，结构方程模型（SEM）进一步分析表明，虽然MAP不直接影响植物和土壤δ5N，但其可通过植物性状、土壤性状和氮循环功能基因间接影响土壤δ5N和根δ5N的变化，进而对叶δ5N造成影响，然而路径效应差异可能造成了MAP与叶δ15N之间相关性不显著。③阐明了半干旱区锦鸡儿属植物不同地理种群根际土壤微生物（细菌、真菌和古菌）的变化格局及其关键影响因素，并且利用同质园试验揭示了种源地气候因子（遗传分化）在锦鸡儿属植物根际土壤微生物（细菌和固氮菌）群落构建过程中的关键作用。总之，通过项目执行，目前发表论文6篇，其中SCI论文1篇（中科院2区），国内高质量期刊论文5篇（EI 2篇），培养硕士研究生2名，培养本科生3人，较好的完成了项目预期目标。