Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Biến động theo mùa và theo không gian của nồng độ nguyên tố trong lá bạch dương khu rừng Bắc Cực ở Siberia giữa lớp đất băng liên tục
Tóm tắt
Chúng tôi đã đo lường động lực học theo mùa của nồng độ các nguyên tố chính và vi lượng trong lá cây bạch dương, loài thông chính ở Siberia, đồng thời phân tích các loại đất cryogenic thu thập được trong những môi trường sống điển hình được chi phối bởi lớp đất băng ở Siberia Trung tâm. Vùng này cung cấp cơ hội độc đáo để nghiên cứu sự phân hóa nguyên tố giữa đất và thực vật nhờ (i) nền địa chất đồng nhất, (ii) các quần xã đơn loài (Larix gmelinii) và (iii) các môi trường sống đối lập (sườn phía Bắc, sườn phía Nam và vùng bãi than Sphagnum) về nhiệt độ đất, độ ẩm, độ dày của lớp đất hoạt động, khối lượng cây xanh và độ sâu bộ rễ. Sự biến đổi của các tham số này từ một môi trường sống này sang môi trường sống khác đã cho phép chúng tôi kiểm tra ảnh hưởng của các tham số này đến nồng độ nguyên tố trong lá bạch dương khi xem xét với độ phân giải theo mùa cao. Việc xử lý thống kê dữ liệu từ lá bạch dương được thu thập 4 lần tại 3 địa điểm trong suốt mùa sinh trưởng (tháng 6 - tháng 9) đã cho thấy: (1) có sự tương đồng cao về thành phần hóa học của lá cây bạch dương ở các môi trường sống khác nhau, cho thấy nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của cây bạch dương là tương tự nhau, (2) sự biến đổi nồng độ nguyên tố trong lá bạch dương bị chi phối bởi thời gian (trong mùa sinh trưởng) chứ không phải bởi vị trí địa lý (sườn phía Nam, sườn phía Bắc hay vùng bãi than) và (3) có thể phân loại ba nhóm nguyên tố dựa trên các mô hình nồng độ của các nguyên tố trong lá trong suốt mùa sinh trưởng từ tháng 6 đến tháng 9: (1) các nguyên tố dinh dưỡng [P, Cu, Rb, K, B, Na, Zn, Ni và Cd] cho thấy sự giảm nồng độ từ tháng 6 đến tháng 9 tương tự như hành vi của các nguyên tố dinh dưỡng chính như N, P và K; (2) các nguyên tố tích lũy [Ca, Mg, Mo, Co, Sr, Mn, Pb và Cr] thể hiện sự gia tăng nồng độ từ tháng 6 - tháng 7 đến tháng 9; (3) các nguyên tố không đáng kể [Al, Zr, Fe, Ba, Ti, REEs (Pr, Nd, Ce, La, Gd, Er, Dy, Tb, Lu, Yb, Tm, Sm, Ho, Eu), Y, Th và U] cho thấy sự giảm nồng độ từ tháng 6 đến tháng 7 và sau đó tăng trở lại vào tháng 9. Một số vi lượng (ví dụ, Cu, Zn) thể hiện sự tái hấp thu đáng kể vào cuối mùa sinh trưởng, cho thấy khả năng hạn chế bởi những nguyên tố này. Mặc dù nhu cầu nội tại dường như tương tự nhau giữa các môi trường sống, tổng nồng độ nguyên tố lưu trữ trong các môi trường sống khác nhau là hoàn toàn khác nhau do sự khác biệt về khối lượng cây đứng. Hệ số phân chia giữa đất và cây bạch dương dường như là một trong những giá trị thấp nhất so với các môi trường khác có sự đa dạng thực vật, đất và khí hậu. Khi áp dụng kịch bản thay thế "không gian cho thời gian", có thể suy ra rằng dưới tác động của biến đổi khí hậu hiện tại, sẽ có sự gia tăng sự tích trữ nguyên tố theo sự gia tăng khối lượng sinh trưởng trên mặt đất, ngay cả khi xét đến tỷ lệ nguyên tố và tính di động tương đối của chúng không thay đổi.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Abaimov AP, Zyryanova OA, Prokushkin SG (2002) Long-term investigations of larch forests in cryolithic zone of Siberia: brief history, recent results and possible changes under Global Warming. Eur J Forest Res 5–2:95–106
Abaimov AP (2009) Geographical distribution and genetics of Siberian Larch species. In: Osawa A, Kajimoto T, Zyryanova OA, Matsuura Y, Wein R (eds) Permafrost ecosystems. Springer, Netherlands
Aerts R (1996) Nutrient resorption from senescing leaves of perennials: are there general patterns? J Ecol 4:597–608
Alexeyev VA, Birdsey RA (1994) Carbon in ecosystems of forests and peatlands of Russia. Jove Loony, Krasnoyarsk
Aries S, Valladon M, Polvé M, Dupré B (2000) A routine method for oxide and hydroxide interference corrections in ICP-MS chemical analysis of environmental and geological samples. Geostand Newslett 24:19–31
Arneth A, Kelliher FM, Bauer G, Hollinger DY, Byers JN, Hunt JE, McSeveny TM, Ziegler W, Vygodskay NN, Milukova I, Sogachov A, Varlagin A, Schulze ED (1996) Environmental regulation of xylem sap flow and total conductance of Larix gmelinii trees in eastern Siberia. Tree Physiol 16:247–255
Bagard M-L, Chabaux F, Pokrovsky O, Viers J, Prokushkin A, Stille P, Derenne S, Templier J, Rihs S, Dupré B (2011) Annual variations of the geochemical fluxes in rivers from high latitude permafrost areas (Kochechumo River and Nizhniya Tunguska River, Central Siberia). Geochim Cosmochim Acta 75:3335–3357
Bashkin VN, Luchitskaya OA, Kozlov MY, Voloshina ON (1992) Differentiation of soils and their mobile biophilic element content with respect to topography. Eurasian Soil Sci 24:37–46
Botch MS, Kobak KI, Vinson TS, Kolchugina TP (1995) Carbon pools and accumulation in peatlands of the former Soviet Union. Glob Biogeochem Cycle 9:37–46
Brown J, Ferrians OJ Jr, Heginbottom JA, Melnikov ES (1998) Circum-arctic map of permafrost and ground ice conditions. National Snow and Ice Data Center/World Data Center for Glaciology. Digital media, Boulder
Chandrajith R, Koralegedara N, Ranawana KB, Tobschall HJ, Dissanayake CB (2009) Major and trace elements in plants and soils in Horton Plains National Park, Sri Lanka: an approach to explain forest die back. Environ Geol 57:17–28
Chapin FS III (1980) The mineral nutrition of wild plants. Annu Rev Ecol Syst 11:233–260
Chiarenzelli J, Aspler L, Dunn C, Cousens B, Ozarko D, Powis K (2001) Multi-element and rare earth element composition of lichens, mosses, and vascular plants from the Central Barrenlands, Nunavut, Canada. Appl Geochem 16:245–270
Dolédec S, Chessel D (1987) Rythmes saisonniers et composantes stationnelles en milieu aquatique I—Description d’un plan d’observations complet par projection de variables. Acta Oecol Oecol Gen 8(3):403–426
Dolédec S, Chessel D (1989) Rythmes saisonniers et composantes stationnelles en milieu aquatique ii—prise en compte et ĺimination d’effets dans un tableau faunistique. Acta Oecol Oecol Gen 10:207–232
Frey KE, Siegel DI, Smith LC (2007) Geochemistry of west Siberian streams and their potential response to permafrost degradation. Water Resour Res 43:W03406. doi:10.1029/2006WR004902
Grime JP (2001) Plant strategies, vegetation processes, and ecosystems properties. Wiley, Chichester
Guha MM, Mitchell RL (1966) The trace and major element composition of the leaves of some deciduous trees. Plant Soil XXIV(1)
Hagemeyer JA, Lülfsmann MP, Breckle SW (1992) Are there seasonal variations of trace element concentratios (Cd, Pb, Zn) in wood of Fagus trees in Germany? Vegetation 101:55–63
Hepler PK (2005) Calcium: a central regulator of plant growth and development. Plant Cell 17:2142–2155
Holmes S (2006) Multivariate analysis: the French way. In: Festschrift for David Freedman. IMS lecture notes—monograph series
Houghton RA, Skole DL (1990) Carbon. In: Turner BL, Clark WC, Kates RW, Richards JF, Mathews JT, Meyer WB (eds) The earth as transformed by human action. Cambridge University Press, Cambridge, pp 393–408
Jarvis PG, Saugier B, Detlef-Schulze E (2001) Productivity of boreal forests. In: Ray J, Saugier B, Mooney HA (eds) Terrestrial global productivity. Academic Press, USA
Joacir De França E, De Nadai Fernandes EA, Bacchi MA, Tagliaferro FS, Siki M (2007) Soil-leaf transfer of chemical elements for the Atlantic Forest. J Radioanal Nucl Chem 271:405–411
Kabata-Pendias A, Pendias H (2001) Trace elements in soils and plants, 3rd edn. CRC Press, Boca Raton
Kataeva MN, Alexeeva-Popova NV, Drozdova IV, Beljaeva AI (2004) Chemical composition of soils and plant species in the Polar Urals as influenced by rock type. Geoderma 122:257–268
Keys to Soil Taxonomy (1998)
Kharuk VI, Ranson KJ, Dvinskaya ML (2010) Evidence of evergreen conifers invasion into larch dominated forests during recent decades. In: Balzter H (ed) Environmental change in Siberia: earth observation, field studies and modelling. Adv Glob Chang Res, vol 40, pp 53–65
Killingbeck KT (1996) Nutrients in senesced leaves: keys to the search for potential resorption and resorption proficiency. Ecology 77:1716–1727
Kobak KI, Turchinovich YE, Kondrasheva YU, Schulze ED, Schulze W, Koch H, Vygodskaya NN (1996) Vulnerability and adaptation of the larch forest in eastern Siberia to climate change. Water Air Soil Poll 92:119–127
Kujansuu J, Yasue K, Koike T, Abaimov AP, Kajimoto T, Takeda T, Tokumoto M, Matsuura Y (2007) Climatic responses of tree-ring widths of Larix gmelinii on contrasting north-facing and south-facing slopes in central Siberia. J Wood Sci 53:87–93
Lambers H, Chapin FS III, Pons TL (2008) Mineral nutrition. In: Lambers H, Chapin FS, Pons TL (eds) Plant physiological ecology. Springer, pp 255–230
Lane TW, Saito MA, George GN (2005) A cadmium enzyme from a marine diatom. Nature 435:42
McGuire AD, Anderson LA (2009) Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change. Ecol Monogr 79:523–555
Mengel K, Kirkby EA (2001) Principles of plant nutrition, 5th edn. Kluwer, Dordrecht
Nesbitt HW, Young GM (1982) Early Prtoterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites. Nature 299:715–717
Njofang C, Matschullat J, Amougou A, Tchouankou J-P, Heilmeier H (2009) Soil and plant composition in the Noun River catchment basin, Western Cameroon: a contribution to the development of a biogeochemical baseline. Environ Geol 56:1427–1436
Oechel WC, Van Cleve K (1986) The role of bryophytes in nutrient cycling in the taiga. In: Van Cleve K, Chapin FS III, Flanagan PW, Viereck LA, Dyrness CT (eds) Forest ecosystems in the Alaskan Taiga: a synthesis of structure and function. Springer, New York, pp 121–137
Osawa A, Abaimov AP, Zyryanova OA (2000) Reconstructing structural development of even-aged larch stands in Siberia. Can J Forest Res 30(4):580–588
Pokrovsky OS, Schott J, Kudryavtzev DI, Dupré B (2005) Basalt weathering in Central Siberia under permafrost conditions. Geochim Cosmochim Acta 69:5659–5680
Pokrovsky OS, Schott J, Dupré B (2006) Trace element fractionation and transport in boreal rivers and soil porewaters of permafrost-dominated basaltic terrain in Central Siberia. Geochim Cosmochim Acta 70:3239–3260
Pokrovsky OS, Viers J, Shirokova LS, Shevchenko VP, Filipov AS, Dupré B (2010) Dissolved, suspended, and colloidal fluxes of organic carbon, major and trace elements in the Severnaya Dvina River and its tributary. Chem Geol 273(1–2):136–149
Pokrovsky OS, Shirokova LS, Kirpotin SN, Audry S, Viers J, Dupré B (2011) Effect of permafrost thawing on the organic carbon and metal speciation in thermokarst lakes of western Siberia. Biogeosciences 8:565–583. doi:10.5194/bg-8-565-2011
Potvin C, Toussignant D (1996) Evolutionary consequences of simulated global change: genetic adaptation or adaptive phenotypic plasticity. Oecologia 108(4):683–693
Prokushkin AS, Knorre AA, Kirdyanov AV, Schulze E-D (2006) Productivity of mosses and organic matter accumulation in the litter of sphagnum larch forest in the permafrost zone. Russian J Ecol 37:225–232
Prokushkin AS, Gleixner G, McDowell WH, Ruchlow S, Schulze ED (2007) Source- and substrate-specific export of dissolved organic matter from permafrost-dominated forested watershed in central Siberia. Glob Biogeochem Cycle 21:GB4003
Prokushkin SG, Bugaenko TN, Prokushkin AS, Shikunov VG (2010) Succession-driven transformation of plant and soil cover on solifluction sites in the permafrost zone of Central Evenkia. Biol Bull 1:80–88
Reimann C, Koller F, Frengstad B, Kashulina G, Niskavaara H, Englmaier P (2001) Comparison of the element composition in several plant species and their substrate from a 1500000 km2 area in northern Europe. Sci Total Environ 278:87–112
Reimann C, Arnoldussen A, Boyd R, Finne T, Koller F, Nordgulen O, Englmaier P (2007) Element contents in leaves of four plant species (birch, mountain ash, fern, and spruce) along anthropogenic and geogenic concentration gradients. Sci Total Environ 377:416–433
Romanovsky VE, Drozdov DS, Oberman NG, Malkova GV, Kholodov AL, Marchenko SS, Moskalenko NG, Sergeev DO, Ukraintseva NG, Abramov AA, Gilichinsky DA, Vasiliev AA (2010) Thermal state of permafrost in Russia. Permafrost Periglac Process 21:136–155
Romesburg HC (1985) Exploring, confirming and randomization tests. Comput Geosci 11:19–37
Sardans J, Penuelas J (2007) Drought changes the dynamics of trace element accumulation in a Mediterranean Quercus ilex forest. Environ Pollut 147:567–583
Sardans J, Penuelas J, Ogaya R (2008) Drought’s impact on Ca, Fe, Mg, Mo, and S concentration and accumulation patterns in the plants and soil of a Mediterranean evergreen Quercus ilex forest. Biogeochemistry 87:49–69
Schuur EAG, Bockheim J, Canadell JG, Euskirchen E, Field CB, Goryachkin SV, Hagemann S, Kuhry P, Lafleur PM, Lee H, Mazhitova G, Nelson FE, Rinke A, Romanovsky VE, Shiklomanov N, Tarnocai C, Venevsky S, Vogel JG, Zimov SA (2008) Vulnerability of permafrost carbon to climate change: implications for the global carbon cycle. Bioscience 58(8):701–714
Serreze MC, Walsh JE, Chapin FS III, Osterkamp T, Dyurgerov M, Romanovsky V, Oechel W, Morison F, Zhang T, Barry RG (2000) Observational evidence of recent change in the northern high-latitude environment. Clim Change 46:159–207
Shugaley LS, Vedrova EF (2004) Nitrogen pool in northern taiga larch forests of Central Siberia. Biol Bull 31:200–208
Smith LC, MacDonald GM, Velichko AA, Beilman DW, Borisova OK, Frey KE, Kremenetski KV, Sheng Y (2004) Siberia peatlands; a net carbon sink and global methane source since the early Holocene. Science 303:353–356
Sugimoto A, Yanagisawa N, Naito D, Fujita N, Maximov TC (2002) Importance of permafrost as a source of water for plants in east Siberian taiga. Ecol Res 17:493–503
Tarnocai C, Canadell JG, Schuur AG, Kuhry P, Mazhitova G, Zimov S (2009) Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochem Cycle 23:1–11
Tchebakova NM, Parfenova E, Soja AJ (2009) The effects of climate, permafrost and fire on vegetation change in Siberia in a changing climate. Environ Res Lett 4:045013. doi:10.1088/1748-9326/4/4/045013
Thioulouse J, Chessel D, Dolédec S, Olivier JM (1997) ADE-4: a multivariate analysis and graphical display software. Stat Comp 7:75–83
Tokuchi N, Hirobe M, Kondo K, Arai H, Hobara S, Fukushima K, Matssura Y (2009) Soil nitrogen dynamics in larch ecosystems. In: Osawa A, Kajimoto T, Zyryanova OA, Matsuura Y, Wein R (eds) Permafrost ecosystems: Siberian larch forests. Springer, Netherlands, pp 229–244
Tyler G (2005) Changes in the concentration of major, minor and rare-earth elements during leaf senescence and decomposition in a Fagus sylvatica forest. Forest Ecol Manag 206:167–177
Vera Tome F, Blanco Rodríguez MP, Lozano JC (2003) Soil-to-plant transfer factors for natural radionuclides and stable elements in a Mediterranean area. J Environ Radioact 65:161–175
Viers J, Oliva P, Sonke J, Nonell A, Freydier R, Gainville R, Dupré B (2007) Evidence of Zn isotopic fractionation in a soil-plant-system of a pristine tropical watershed (Nsimi, south Cameroon). Chem Geol 239:124–137
Vtorova VN (2004) Accumulation of biophilic elements in the needles of Picea species in natural and urbanized ecosystems of Siberia and Central Asia in relation to the assessment of environmental quality. Russ J Ecol 35:296–302
Walter KM, Smith LC, Chapin FS (2007) Methane bubbling from northern lakes: present and future contributions to the global methane budget. Philos T R Soc A 365:1657–1676. doi:10.1098/rsta.2007.2036
Wang YP, Law RM, Pak B (2009) A global model of carbon, nitrogen and phosphorus cycles for the terrestrial biosphere. Biogeosciences 6:9891–9944
Watanabe T, Broadley MR, Jansen S, White PJ, Takada J, Satake K, Takamatsu T, Tuah SJ, Osaki M (2007) Evolutionary control of leaf element composition in plants. New Phytol 174:516–523
Wyttenbach A, Bajo S, Bucher J, Furrer V, Schleppi P, Tobler L (1995) The concentration of Ca, Sr, Ba and Mn in successive needle age classes of Norway spruce (Picea abies(L.)). Trees 10:31–39
Zimov SA, Schuur EAG, Chapin FS III (2006) Permafrost and the global carbon budget. Science 312:1612–1613
Zwanenburg G, Hoefsloot HCJ, Westerhuis JA, Jansen JJ, Smilde AK (2011) ANOVA-principal component analysis and ANOVA-simultaneous component analysis: a comparison. J Chemotr 25:561–567