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旱区干旱程度加剧 生态系统正面临着严重退化风险

2021-09-23 14:09:06    来源:科技日报

在生态系统中,旱区生态系统由于其脆弱性和低稳定性,成为对气候变化和人类活动最敏感的地球陆地生态系统之一。

近几十年来,在全球变化的背景下,旱区的干旱程度加剧,旱区生态系统正面临着严重退化的风险。因此,生物多样性与生态系统功能,尤其多功能性之间的内在关系及其调控机制,以及旱区生态系统如何长期有效维持功能多样性并为人类社会服务,一直是生态学研究的核心和热点问题之一,也是国内外生态学者一直力求攻克的重大科学问题。近日,一项新的研究成果在线发表在《自然·通讯》上,为这一科学问题提供了新的视点。

干旱对土壤功能的负效应可能被低估

自2013年以来,兰州大学邓建明团队通过在我国北方旱区建立东西横跨近5000公里直线距离的自然样带,连续进行多年野外大规模调查取样。他们收集了2万余份样品/数据,结合室内控制实验,联合英国曼彻斯特大学和瑞士苏黎世大学,利用二代高通量测序等技术,揭示了植物和土壤微生物多样性对生态系统多功能性的影响与调控模式,将随着气候与环境条件的改变而变化,而并非遵循某一具有普适性的调控模式。

相比于单个土壤功能,土壤多功能性对干旱的响应更敏感。因此,对单个功能或过程分析的结果往往会低估干旱对土壤功能的负效应。细菌、真菌和古菌等土壤微生物多样性及土壤功能与多功能性,沿干旱梯度呈非线性变化趋势,且植物和土壤微生物多样性与多功能性关系的相对强度沿干旱梯度发生了转变。

针对研究中发现的转变机制,研究者提出,生态系统多功能性的动态变化主要由植物多样性及其生产力和土壤微生物多样性进行联合调控;在半干旱与干旱半湿润区等低干旱水平下,随着干旱程度的增加,植物多样性及其生产力快速下降成为土壤多功能性的关键限制性因素,土壤微生物多样性及其功能服务则相对冗余,即土壤多功能性遵循自下而上的调控原理,因此可预测植物多样性与多功能性将呈现较强的正相关。相反,在高干旱水平下,如在干旱与极旱区,随着干旱程度的增加,土壤微生物多样性及其生物量的急剧下降,以及生物残体分解难度大幅增加和分解速率的下降,致使土壤微生物多样性成为土壤多功能性的关键限制性因素,即土壤多功能性遵循自上而下的调控原理,因此可预测土壤微生物多样性与多功能性将呈现较强的正相关。

上述科学假说在本研究中得到了很好的野外调查实验与室内控制实验验证。

更重要的是,研究团队还发现,随着干旱胁迫的增加,植物与土壤微生物多样性对多功能性的调控机制在约0.8的干旱水平(即干旱与半干旱气候的分界线),将由自下而上的调控模式转变为自上而下的调控模式。

高排放情景下我国旱区或将大幅扩张

研究者对在未来中等排放情景(RCP4.5)和高排放情景(RCP8.5)下,我国北方干旱与极旱区(干旱水平高于0.8)的面积变化特征也进行了进一步的预测。

他们提出,在高排放情景下,21世纪末该区域面积相比1970—2000年,将扩张高达28%,扩张将主要发生在内蒙古自治区的中部和东部。

该研究结果对在全球变化背景下因地制宜地制定我国旱区的生态管理与保护政策等方面具有十分重要的科学指导意义。如在低干旱水平区域,植物多样性及其生产力是影响生态系统功能与稳定性关键限制性因素,这意味着该区域的生态保护更应优先保护植物多样性;而在高干旱水平区域,土壤微生物多样性作为影响生态系统功能与稳定性关键限制性因素,因此,更优先保护该区域的土壤微生物多样性如土壤结皮则极为重要。(颉满斌)

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