We used a simple “toy” model to aid in the evaluation of the controls of biogeochemical patterns along a climate gradient. The model includes simplified treatments of water balance (precipitation minus Potential Evapotranspiration), leaching, weathering of cation- and P-bearing minerals, N cycling and loss, biomass production, and biological N fixation. We use δ15N as a central integrator of biogeochemical processes, because δ15N integrates multiple pathways of N input, output, and transformation in ecosystems. The model simulated the location and magnitude of a peak in δ15N on a gradient on Kohala Volcano, Hawai‘i which peaked ~ + 14 ‰ in sites receiving ~ 3.5 cm/month average precipitation (− 1300 mm/year water balance); the model also captured a peak in total P in surface soil at intermediate levels of precipitation and water balance, and other biogeochemical features on the gradient. We then applied the model to understanding the patterns of and mechanisms underlying nutrient limitation to net primary production (NPP) and plant biomass on the gradient, testing for the existence and extent of N and P limitation by simulated additions of N and/or P in the model. Both a simulated symbiotic biological N fixer and a simulated non-fixer were limited by P supply across the gradient; the non-fixer was independently limited by N supply in wetter sites. By running the toy model with and without the influence of temperature, we demonstrated that water is the most important factor shaping biogeochemical patterns on this gradient.

中文翻译：

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气候梯度生物地球化学动力学的“玩具”模型

我们使用一个简单的“玩具”模型来帮助评估沿气候梯度的生物地球化学模式的控制。该模型包括对水平衡（降水量减去潜在蒸散量）、浸出、含阳离子和含磷矿物的风化、氮循环和损失、生物量生产和生物固氮的简化处理。我们使用 δ15N 作为生物地球化学过程的中心积分器，因为 δ15N 整合了生态系统中 N 输入、输出和转化的多个途径。该模型模拟了夏威夷科哈拉火山梯度上 δ15N 峰值的位置和幅度，在接收约 3.5 厘米/月平均降水量（- 1300 毫米/年水平衡）的地点达到峰值约 + 14 ‰；该模型还捕获了处于中等降水和水平衡水平的表层土壤中总磷的峰值，以及梯度上的其他生物地球化学特征。然后我们应用该模型来了解营养限制对净初级生产 (NPP) 和梯度上植物生物量的模式和机制，通过模拟添加 N 和/或 P 来测试 N 和 P 限制的存在和程度该模型。模拟的共生生物固氮剂和模拟的非固氮剂都受到梯度上磷供应的限制；非固定剂在潮湿场地受氮供应的独立限制。通过在有和没有温度影响的情况下运行玩具模型，我们证明了水是在此梯度上形成生物地球化学模式的最重要因素。然后我们应用该模型来了解营养限制对净初级生产 (NPP) 和梯度上植物生物量的模式和机制，通过模拟添加 N 和/或 P 来测试 N 和 P 限制的存在和程度该模型。模拟的共生生物固氮剂和模拟的非固氮剂都受到梯度上磷供应的限制；非固定剂在潮湿场地受氮供应的独立限制。通过在有和没有温度影响的情况下运行玩具模型，我们证明了水是在此梯度上形成生物地球化学模式的最重要因素。然后我们应用该模型来了解营养限制对净初级生产 (NPP) 和梯度上植物生物量的模式和机制，通过模拟添加 N 和/或 P 来测试 N 和 P 限制的存在和程度该模型。模拟的共生生物固氮剂和模拟的非固氮剂都受到梯度上磷供应的限制；非固定剂在潮湿场地受氮供应的独立限制。通过在有和没有温度影响的情况下运行玩具模型，我们证明了水是塑造该梯度上生物地球化学模式的最重要因素。模拟的共生生物固氮剂和模拟的非固氮剂都受到梯度上磷供应的限制；非固定剂在潮湿场地受氮供应的独立限制。通过在有和没有温度影响的情况下运行玩具模型，我们证明了水是在此梯度上形成生物地球化学模式的最重要因素。模拟的共生生物固氮剂和模拟的非固氮剂都受到梯度上磷供应的限制；非固定剂在潮湿场地受氮供应的独立限制。通过在有和没有温度影响的情况下运行玩具模型，我们证明了水是在此梯度上形成生物地球化学模式的最重要因素。