研究發現葉碳穩定同位素可指示高寒乾旱區水分有效性隨海拔的變化

水分有效性是決定高寒乾旱區物種分布及生態系統功能的關鍵因子，正確理解水分有效性隨海拔的變化規律將有助於預測高山生態系統對未來氣候變化的響應。然而，降水量（水分有效性的主要驅動因子）隨海拔和坡向的變化格局多樣，以及溫度、土壤質地、土壤深度、積雪和融雪時間等均會影響水分有效性的海拔格局，尤其在氣象站數據稀少的邊遠山區，水分有效性很難精確量化。因此，尋找一個簡單可靠的土壤水分有效性代用指標很有必要。

C3植物葉碳穩定同位素比值（δ13C）綜合反映了生長季期間植物與環境的水分關係。在乾旱地區，葉δ13C對土壤水分有效性的變化非常敏感，但溫度、降水、大氣壓和土壤等環境因子以及葉片厚度和葉氮含量等葉性狀也可能影響葉δ13C的海拔格局。那麼，乾旱山區廣布物種的葉δ13C是否可以用來指示水分有效性隨海拔的變化？尤其在高海拔地區溫度和大氣壓的影響下，這種關係是否普遍存在？相關研究報道少見。

為此，中國科學院青藏高原研究所高寒生態學與生物多樣性重點實驗室羅天祥課題組及其合作者在喜馬拉雅中部（尼泊爾）系統開展了海拔梯度樣帶調查（圖1），採樣測定了三種廣布植物的葉δ13C和氮含量，同時計算了各海拔樣點的氣候濕潤指數（基於全球1-km WorldClim數據集），結果發現：1）降水的海拔格局影響葉δ13C的海拔分異性：在Langtang，隨著海拔增加，年降水量顯著降低（圖2a），葉δ13C顯著增加（圖2b, c）；而在Manang，隨著海拔增加，年降水量幾乎沒有變化（圖2f），葉δ13C呈非線性變化（圖2g, h）；2）3物種的葉δ13C均與生長季濕潤指數呈顯著負相關（圖3）；3）跨越不同降水格局的同一草本物種，葉δ13C與濕潤指數和年降水量均呈負相關（圖4）；4）葉δ13C的種內差異主要受濕潤指數和降水量的影響，而與海拔和葉氮含量無關。

研究結果表明，高山廣布物種的葉δ13C可指示水分有效性隨海拔的變化。便於採樣測定的葉δ13C指標有助於檢測高寒乾旱山區的植物水分脅迫程度，也為評估氣候變化對高山植物的影響提供了新途徑。

研究成果以Leaf δ13C as an indicator of water availability along elevation gradients in the dry Himalayas 為題發表於Ecological Indicators (Ale R, Zhang L, Li X, Raskoti BB, Pugnaire FI, Luo TX*, Ecological Indicators, 94: 266-273)。

論文鏈接

圖1：研究區域示意圖，展示分別位於Manang和Langtang的兩條海拔樣帶位置和距離研究樣帶最近的氣象站點，以及年降水量和植被指數的空間分布

圖2：年降水量（MAP）、葉δ13C和氮含量在Langtang（a-e）和Manang（f-j）隨海拔的變化。(b, d , g, i) Langtang和Manang樣帶的草本植物Potentilla microphylla；(c, e) Langtang樣帶的墊狀植物Androsace lehmannii；(h, j) Manang樣帶的墊狀植物 Androsace muscoidea

圖3：葉δ13C與生長季（6-9月）濕潤指數的關係。(a, b)草本植物Potentilla microphylla; (c)墊狀植物Androsace muscoidea; (d)墊狀植物Androsace lehmannii

圖4：跨越Manang和Langtang樣帶的草本植物Potentilla microphylla葉δ13C與生長季濕潤指數（a）和年降水量（b）的關係。

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