弗吉尼亚盐沼互花米草光合午休现象揭示气候变化对碳汇的潜在威胁

这篇研究通过涡度协方差（EC）技术，首次在生态系统尺度揭示了弗吉尼亚盐沼C4植物互花米草（Spartina alterniflora）光合午休现象（midday depression of GPP）的普遍性（76%观测日）。研究发现日最高潮位和气温是主要驱动因子，低潮位与高温协同加剧光合抑制，暗示盐度与水分胁迫是关键机制，为评估气候变化下盐沼碳汇功能衰退提供了新视角。

　　

Abstract

盐沼作为高效碳汇系统，其光合作用对气候变化的响应机制尚不明确。本研究首次在弗吉尼亚东海岸互花米草盐沼中，通过2019-2022年生长季的涡度协方差（EC）观测，发现76%的日期存在显著的光合午休现象（午后GPP降低）。随机森林模型揭示日最高潮位和气温是主要驱动因子：高潮位缓解胁迫，而高温和低潮通过加剧盐度/水分胁迫导致更严重的午休。这一发现挑战了C₄植物对逆境耐受性的传统认知。

Key Points

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  互花米草在四个生长季中普遍存在光合午休

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  低潮位与高温协同导致更严重的午后光合抑制

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  强调短时间尺度环境胁迫响应的复杂性

1 Introduction

盐沼虽仅占全球面积0.1%，却贡献了49.6±9.4 Tg CO₂ yr^-1的碳封存。互花米草作为优势种，其光合最适温度为30-35°C，但生态系统尺度的温度响应尚存争议。以往研究多关注季节尺度，而忽略日间动态——例如光合午休现象（即相同光强下午后GPP低于上午），该现象在C₃植物中常见，但在C₄植物中罕见报道。

2 Methods

2.1 Site Description

研究点位于弗吉尼亚海岸保护区（37°24′N），以中等高度的互花米草（0.6 m）为主，半日潮周期（振幅1.3 m），日均淹没时长2小时。

2.2 Eddy Covariance and Environmental Data

使用3米高涡度塔（LI-COR 7500DS）采集10 Hz数据，经EddyPro处理并剔除潮淹时段数据（占16%）。GPP通过REddyProc软件进行夜间通量分割获得。

2.3 Photosynthesis-Irradiance Curves

通过拟合上午（6:00-10:00 LST）和下午（14:00-18:00 LST）的光合-光响应曲线（PI曲线），计算GPP午休程度：

GPP_depression = (Area_PM - Area_AM)/Area_AM ×100%

283个有效日中，215日表现为负值（平均-11%）。

2.4 Random Forest

模型输入日总PAR、平均气温、最大VPD、前日降水及潮位极值，R²达0.61。

3 Results

3.1 Environmental Conditions

2019年最热（25.5°C）且干旱（333 mm），2021年潮位最低（0.15 m）。

3.2 Diurnal Patterns of CO₂ Fluxes

NEE和GPP均在10:00 LST达峰，午后显著下降（如2021年GPP降低16.7%）。

3.3 PI Curves and Depression of GPP

季节尺度GPP午休最严重为2021年（-18%）。日尺度午休程度与高潮位时间相关：16:00高潮时平均抑制达-24.4%。

3.4 Environmental Drivers

潮位（重要性评分最高）与气温主导午休程度：高潮位缓解抑制，而高温加剧（图5）。

4 Discussion

光合午休可能源于午后土壤盐渍化（>40 ppt）与水分胁迫引发的气孔关闭。尽管互花米草具C₄特性，但其CO₂补偿点接近C₃植物，暗示可能存在光呼吸。未来需结合叶片气体交换测量验证机制。

5 Conclusions

潮位与温度通过调控盐度/水分有效性驱动光合午休，这一发现为预测气候变化下盐沼碳汇稳定性提供了新维度。