在高寒干旱半干旱区，近30年来的气候暖干化造成豆科灌丛扩张。豆科植物耐干旱，它的扩张显著影响着寒旱区生态系统的结构功能和生物多样性。目前，科学界仍缺乏有效数据揭示寒旱区豆科灌丛对其他物种的促进作用会否随干旱胁迫的增加而增强。
根据胁迫梯度假说，环境胁迫梯度增加，护卫植物对其伴生物种的促进作用增强、竞争作用减弱。但是，该假说在干旱半干旱区仍存在很大的不确定性。此外，不同豆科灌木物种沿海拔梯度的交替分布进一步加剧了这种促进作用变化的复杂性。
较低的土壤水分通常会降低气孔导度和叶内CO2浓度，减弱光合羧化酶对13C同位素的分馏效应，导致13C同位素组成增加（即叶 13C值更大）。较大的叶 13C值表明，植物具有较高的水分利用效率和较低的光合氮素利用效率。不同生态系统中，叶 13C值与降水量或土壤水分含量普遍存在负相关关系。但是，目前仍不清楚叶 13C值可否被用来追踪寒旱区豆科灌丛随海拔变化的促进作用。
为此，中国科学院青藏高原研究所生态系统格局与过程团队罗天祥研究员等在尼泊尔喜马拉雅干旱半干旱区沿海拔梯度开展了样带调查（图1），测定了沿海拔交替分布的印度锦鸡儿（Caragana gerardiana, 海拔2700-4100米）和变色锦鸡儿（Caragana versicolor, 海拔4200-5000米）灌丛内、外的物种数变化指数（RII），估算了群落水平的物种丰富度变化指数（ISR），理清了两种灌木叶 13C值及其与气候湿润指数的关系。样带调查数据显示：以上两种豆科灌木的RII和ISR指数与叶 13C值的相关性明显高于其与气候因子的相关性（图2）；相较于分布海拔较低的印度锦鸡儿，较高海拔的变色锦鸡儿RII指数更高，叶 13C值更大（图3）。
研究结果表明，寒旱区豆科灌丛对其他物种的促进作用随叶 13C值的增加而增强；较高海拔的豆科灌木具有更强的促进作用，叶 13C值更大。在气候变暖背景下，寒旱区护卫植物种的分布界线变化将显著改变其对其他物种的促进作用强度，叶 13C值具备追踪这种促进作用变化的潜势。
上述研究成果以“Leaf carbon isotope tracks the facilitation pattern of legume shrubs shaped by water availability and species replacement along a large elevation gradient in Trans-Himalayas”为题，在线发表于国际知名期刊《Annals of Botany》，我所已出站博士后Rita Ale为论文第一作者，罗天祥研究员为通讯作者。本研究获得国家自然科学基金项目(41830649)、第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0106)及中国科学院国际博士后项目(2019PB0081)的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/aob/mcad117
图1 研究地区海拔高程图与采样点布设（a）以及两种灌木的照片（b）印度锦鸡儿（Caragana gerardiana）、（c）变色锦鸡儿（Caragana versicolor）
图3 两种灌木沿海拔梯度分布导致的RII、ISR指数及叶d13C值的变化格局
