Warming and Nitrogen Addition Alter Photosynthetic Pigments, Sugars and Nutrients in a Temperate Meadow Ecosystem

חקירה של סוכרים ומינים תחת השפעת התחממות גלובלית

חומרים ושיטות

תיאור האתר

מחקר זה נערך בתחנת המחקר האקולוגית Songnen Grassland (44 ° 450 N, 123 ° 450E), באוניברסיטת Northeast Normal, במחוז ג’ילין, צפון מזרח סין. ממוצע המשקעים השנתיים הוא כ -400 מ”מ, 90% המתרחשים ממאי עד אוקטובר. הטמפרטורה  השנתית הממוצעת היא 4.9 מעלות צלזיוס, וטמפרטורת פני הקרקע השנתית הממוצעת היא 6.2 מעלות צלזיוס. האדמה באזור המחקר היא אדמת סודה מלוחה עם pH של 8.2 ו -3–4% חומר אורגני בקרקע העילית 0–20 ס”מ). הצמחייה באתר הניסוי נשלטת על ידי Leymus chinensis, Kalimeris integrifolia, Phragmites communis ו- Carex duriuscula. עונת הגידול של הצמחייה היא ממאי עד ספטמבר.

תכנון הניסוי

לשם תכנון הניסוי השתמשנו בעיצוב בלוק פקטוריאלי אקראי מלא עם שני גורמים: התחממות ותוספת N. היו ארבעה טיפולים: בקרה (C), חימוש (W), תוספת N (N), והתחממות בתוספת        N (W + N) עם 6 כפולות לכל טיפול. גודל כל חלקה היה 2 מ’ × 3 מ’. כל החלקות המחוממות חוממו ברציפות באמצעות רדיאטורים אינפרא אדום (MSR-2420, Kalglo Electronics Inc. Bethlehem, PA, USA) תלויים בגובה של 2.25 מ’ ממרכז המגרש. גלי החום של רדיאטור אינפרא אדום זהים לאנרגיית השמש, וההשפעה של תנורי אינפרא אדום על טמפרטורת הקרקע הייתה אחידה במרחב [29].

בכל בקרה או במגרש עם תוספת N, הותקן תנור ‘דמה’ אחד בעל צורה וגודל זהים כדי לחקות את השפעות ההצללה של רדיאטור אינפרא אדום. כל תנורי החימום בטיפולי ההתחממות נקבעו על תפוקת קרינה של בערך 1700 וולט.

ההערכה היא כי בסין התצהיר האנתרופוגני N גדל מ -0.8 גרם מ”ר לשנה 2.1 ל -2.1 גרם מ”ר 2, שיכול להגיע ל8-9 גמ”ם -2 שנה -1 במרכז סין, ותצפית N גבוהה עוד יותר צפויה בעתיד בגלל שינוי השימוש בקרקע ובפעילויות [20,30].

במערכת האקולוגית הצפונית של משטחי הדשא הממוזגים, הרוויה הקהילתית כתוצאה מריבוץ N הייתה כ 10.5 g m-2 yr-1 [27], למרות שריבוץ N האטמוספירי באזור זה היה רק 2.7 g m-2 yr -1​​בעשור האחרון. [31]. לפיכך, במגרשים שטופלו בתוספת N, נוסף אמוניום ניטרת (10 גרם מ ‘2 שנה -1) כפעימה של מימי N , ביום הראשון במאי כל שנה. בחלקות הבקרה וההתחממות נוספה אותה כמות מים (ללא N) כמו הטיפול בתוספת N, בכדי להסביר את ההבדלים הנגרמים על ידי N בתוספת זמינות המים. המים שהוספנו בארבעת הטיפולים שווים ל- 10 mm m-2. הניסוי התחיל במאי 2006 והסתיים בספטמבר 2009.

דגימה וניתוח כימי

במהלך אמצע אוגוסט 2008 (בעונה הפורייה ביותר של גידול הצמחים), בחרנו באופן אקראי 10 צמחים של L. chinensis ו- P. communis, מכל צמח נאספו חמישה עלים ירוקים מפושטים לחלוטין ובסך הכל 50 עלים, בין השעות 10: 00-11: 00 בבוקר מתוך כל חלקה, ואדמת הריזוספירה של L. chinensis ו- P. communis נאספה לצורך ניתוח חומרים מזינים. העלים השלמים שנבחרו נחתכו לחתיכות והונחו במבחנה המכילה 10 מ”ל מיץ (80% אצטון ואלכוהול מוחלט ביחס 1: 1). המבחנות הודגרו בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות [32], ואז התקררו בחושך. התמצית המקוררת נותחה באמצעות ספקטרופוטומטר (UV-2201, Essentia Japan) ב -440, 649 ו- 665 ננומטר. ריכוזי הכלורופיל a (Chl a), הכלורופיל b (Chl b) והקרוטנואיד חושבו על פי המשוואה שהציע וולבורן [33].

סוכרים מסיסים מוצו על פי השיטות שתיארו Jin et al [34]. העלים נדגמו בין השעות 10:00–11:00 am מיובשים בתנור בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 48 שעות, וטחונים. כ 100 מ”ג אבקת עלים יבשה הופקה מכל דגימה הופקה באמצעות 80% אתנול (v / v) ב- 80 מעלות צלזיוס למשך 40 דקות, ואז התמציות עברו צנטריפוגות ב 12,000  gלמשך 15 דקות. צעד זה חזר על עצמו שלוש פעמים. שלושת התמציות היו מעורבבות ואז עברו ניתוח סוכר מסיס בשיטת אנתרון-חומצה גופרתית [35]. סוכרוז נקבע על פי השיטה שהוצגה על ידי Liao and Yu [36]. תמציות (0.5 מ”ל) מהשלב הקודם הונחו בבקבוקוני זכוכית המכילים 3.5 מ”ל 0.1% (v / v) m-dihydroxybenzene ו- 3.5 ml של 30% (v / v) HCl, מחוממים ב 80 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות, והספיגה נקבעה ב -480 ננומטר באמצעות ספקטרופוטומטר. הוסיפו NaOH (0.2 ml of 2 mol L-1) לתמציות 0.5 מ”ל לאחר מיצוי אתנול חם, מחומם למשך 2 דקות, מתווסף ל- 3.5 מ”ל של 0.1% (v / v) m-dihydroxybenzene ו- 3.5 מ”ל של 10% (v / v) HCl, מחומם בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות, ואז נקבעה ספיגת הפרוקטוז ב 480 ננומטר באמצעות ספקטרופוטומטר (UV-2201). העלים של שני המינים יובשו בטמפרטורה של 65 מעלות צלזיוס למשך 48 שעות ולאחר מכן נטחנו באמצעות טחנת כדור. תכולת C כוללת נמדדה בשיטת החמצון H2SO4 – K2Cr2O7 [37].

דגימות משנה תומצתו ב- H2SO4 – H2O2 [38]. סך כל תוכן ה- N נקבע באמצעות מכשיר אוטואנליטי של Alpkem (מערכת Kjeltec 2300 Foss Tecator, שבדיה). סה”כ P נמדד באופן קולורימטרי ב 880 ננומטר לאחר תגובה עם מוליבדן כחול.

מדידות מיקרו אקלים של קרקעות וחומרים מזינים מדידות טמפרטורות קרקע ולחות נעשו באמצעות מד מים דיאלקטרי ECH2O (EM50 / R, ארה”ב). בדיקה אחת של EM50 / R (Decagon Ltd, Pullman WA, USA) נקברה בעומק של 15 ס”מ בכל חלקה ניסיונית, וטמפרטורת הקרקע (ST) ולחות הקרקע (SM) נמדדו במרווחים של שעה. סה”כ קרקע N נמדד בשיטת Kjeldahl. תוכן זמין בקרקע P  נקבע באמצעות מיצוי NaHCO3 ושיטה קולורימטרית כחולה מוליבדן באמצעות פוטומטריית UV (UV-2201, EssentiaJapan)) ב 660 ננומטר. כיסוי הצמח המכסה את הכיסוי הוערך בשיטה מותאמת של מסגרת נקודתית [39], מינים של צמחים L. chinensis ו- P. communis נחתכו על פני השטח ויובשו בטמפרטורה של 65 מעלות צלזיוס למשך 48 שעות, ואז נרשמה ביומסה של צמח מעל הקרקע.

ניתוח סטטיסטי

כל הניתוחים הסטטיסטיים בוצעו באמצעות SPSS 16.0 (SPSS Inc., שיקגו, IL, ארה”ב). Fourway ANOVAs שימשו לבדיקת ההשפעות של חסימה, התחממות, תוספת N ומינים על כלורופיל עלים, סוכרים מסיסים, ריכוזי תזונה צמחיים ויחסי סטוייכומטריה. הבדלים משמעותיים בין אמצעי הטיפול נותחו באמצעות שימוש ב- Tukey’s post-hoc מבחן ההשוואה המרובה לאחר ANOVA חד כיווני. מובהקות סטטיסטית נקבעה ברמה של P = 0.05.

תוצאות

מיקרו אקלים קרקע וחומרים מזינים בהשוואה לטיפול הבקרה, טיפולי ההתחממות וההתחממות בתוספת N , הגדילו את ST ב- 1.7 ° C (P <0.05) ו- 1.9 ° C (P <0.05), בהתאמה; לתוספת N לא הייתה כל השפעה על ST (P> 0.05, איורA  1). ההתחממות וההתחממות בתוספת N הפחיתו את ה- SM הממוצע ב 22.1% (P <0.05) ו- 15.4% (P <0.05), בהתאמה, בהשוואה לטיפול הביקורת (איור 1B). תוספת N לא השפיעה על SM (P> 0.05). ההתחממות לא השפיעה על תכולת N בקרקע (P> 0.05), אך תוספת N וטיפולי ההתחממות בתוספת N הגדילו את תכולת ה- N בקרקע ב- 34.1% (P <0.05) ו- 38.7% (P <0.05, איור 1C), בהתאמה. תוספת N הפחיתה את תכולת P באדמה ב- 11.6% (P <0.05) בהשוואה לטיפול הבקרה, תוך כדי התחממות ולהתחממות בתוספת N לא הייתה כל השפעה על תכולת P הקרקע (P <0.05, איור 1D).

תכולת פיגמנטים פוטוסינתטיים

ההתחממות הגדילה משמעותית את תכולת ה- Chl a ואת ה- Chl (a + b) הכולל של L. chinensis (P <0.05; איור 2A ו -2c), אך לא השפיעה על תכולת ה- Chl b והקרוטנואידים (איור 2 B  ו-2D). תוספת N גרמה לעלייה משמעותית בתוכן Chl b, סך ה- Chl (a + b) וקרוטנואידים של L. chinensis (P <0.05; איור 2B ו- 2D), אך לא הייתה לה שום השפעה על Chl a (P = 0.057).

לא להתחממות ולא לתוספת N הייתה השפעה על תכולת ה- Chl a, Chl b, סך ה- Chl והקרוטנואידים של P. communis (איור 2). נצפו השפעות אינטראקטיביות משמעותיות של תוספת התחממות N על ה- Chl a, סך הכל Chl (a + b) ותוכן קרוטנואידים (טבלה 1). נצפתה השפעה אינטראקטיבית משמעותית של מינים × התחממות על תוכן ה- Chl b וקרוטנואידים (P <0.001, טבלה 1) ונצפתה השפעה אינטראקטיבית משמעותית של מינים × תוספת N על תוכן Chl b (P <0.001, טבלה 1).

איור 1 – ההשפעות של התחממות ותוספת חנקן על טמפרטורת הקרקע (A), לחות האדמה (B), ריכוז ה- N הכולל בקרקע (C) וריכוז P זמין בקרקע (D). הטיפולים הם כדלקמן: C, שליטה; W, התחממות; N, תוספת חנקן; W + N, גם מחמם וגם תוספת N. אותיות קטנות שונות מייצגות הבדל משמעותי בין טיפולים שונים ברמה של 0.05. הנתונים מותאמים לממוצע ± SE

סוכר מסיס

ההתחממות הגדילה את הסוכרוז ואת תכולת הסוכר המסיס הכוללת של L. chinensis ב- 27.0% (P <0.05; איור 3A) ו- 36.5% (P <0.05; איור 3 C), בהתאמה, אך לא הייתה השפעה על תכולת הפרוקטוז (P = 0.15 ; איור 3B). תוספת N הגדילה את תכולת הסוכר המסיס הכוללת של L. chinensis ב- 30.4% (P <0.05; איור 3C) אך לא הייתה לה שום השפעה על תכולת הסוכרוז והפרוקטוז (P> 0.05; איור 3A ו- 3B). לא התחממות ולא טיפולי תוספת N לא השפיעו על תכולת הסוכרוז, הפרוקטוז או התוכן המסיס הכולל של P. communis (איור 3). מין זה בלבד הגיב לתוספת N ביחס לסוכרוז והגיב להתחממות ביחס לתכולת הסוכר המסיס הכוללת (טבלה 1). זוהתה השפעה אינטראקטיבית משמעותית של תוספת התחממות × N על תכולת הסוכרוז (טבלה 1).

איור 2 –  ההשפעות של התחממות ותוספת חנקן על עלים Chl a (A), Chl b (B), ריכוז סה”כ Chl (C), מכונית (D). הטיפולים הם כדלקמן: C, שליטה; W, התחממות; N, תוספת חנקן; W + N, גם מחמם וגם תוספת N. אותיות קטנות שונות מייצגות הבדל משמעותי בין טיפולים שונים ברמה של 0.05. הנתונים מותאמים פירושם ± SE

יחסים סטואיכיומטריים עליים

חימום ותוספת N לא השפיעו על ריכוז של L. chinensis (P> 0.05; איור 4A), אך ההתחממות הפחיתה את ריכוזי N ו- P העלווים ב -6.7% (P <0.05; איור 4B) וב -33.5% (P <0.01 איור 4C) מאשר בקרה, בהתאמה. ההתחממות הגדילה את C: N (P <0.05; איור 4D), C: P (P <0.01; איור 4E) ו- N: P (P <0.05; איור 4F) של L. chinensis. לעומת זאת, ההתחממות גירתה את ריכוז העלים C (P <0.05; איור 4A) ו- P (P <0.05; איור 4B) של P. communis, ויחס C: N ו- C: P גדל ב -27.6% (P <0.05 ; איור 4D) ו- 23.4% (P <0.05; איור 4E), בהתאמה.

תוספת N הגדילה את ריכוז ה- C של P. communis, אך לא השפיעה על  L. chinensis. תוספת N הגדילה משמעותית את ריכוז ה- N בשני המינים (P <0.05; איור 4B). בהשוואה לבקרה, תוספת N הפחיתה את ריכוז P של L. chinensis (P <0.05; איור 4C) אך הגדילה את ריכוז P של P. communis (P <0.05; איור 4C), בהתאמה. תוספת N הפחיתה את היחס C: N של L. chinensis ב- 18.1% (P <0.05; איור 4D), אך הגדילה את יחסי C: P של L. chinensis ו- P. communis ב- 76.1% (P <0.001) וב- 26.8% (P <0.05), בהתאמה. יתר על כן, תוספת N הגדילה משמעותית את יחס ה- N: P של L. chinensis (P <0.01), אך לא הייתה לה כל השפעה על P. communis (P = 0.062; איור 4F). לא היו השפעות אינטראקטיביות של תוספת התחממות × N על ריכוזי C, N ו- P, ויחס C: N, C: P, N: P של שני המינים (טבלה 2). נצפתה השפעה אינטראקטיבית משמעותית של מינים × התחממות על יחסי C: N ו- N: P והשפעה אינטראקטיבית משמעותית של תוספת מינים × N על ריכוזי C ו- N (טבלה 2).

טבלה 1-תוצאות ANOVA ארבע כיווניות על השפעות זהות המינים (S), התחממות (W), תוספת חנקן (N) והאינטראקציות ביניהן על ביומסה צמחית, כיסוי, כלורופיל עלה, קרוטנואידים וסוכרים מסיסים

מילות מפתח

סוכר מסיס –   Soluble sugar                        אדמה מלוחה – saline soil

עלים – leaves                                           בלוק פקטוריאלי – block factorial

התחממות גלובלית –  Global warming