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氣候變化對南極植物和土壤微生物的影響研究
原文以Biology Researchers Studying Climate Change's Effect on Plants and Soil Microbes in Antarctica為標題發(fā)表
原文作者:Glenys Young
德克薩斯理工大學(Texas Tech University)在南極的學術(shù)研究歷史非常悠久。早在20世紀60年代,由Alton Wade領(lǐng)導的地質(zhì)研究組就在南極考察。當時他們試圖回答:數(shù)百萬年前,世界是什么樣子的?
然而,近關(guān)于南極的研究并不著眼于我們這個星球的歷史,這是它的未來。
德克薩斯理工大學生物科學系助理教授Natasja van Gestel正在研究氣候變化如何影響那里的植物和微生物活動。
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確實,目前南極只有不到1%的土地是無冰的,但是,這個數(shù)字正在增長。van Gestel博士正在研究的區(qū)域在1960年前后還被冰川所覆蓋,但是現(xiàn)在,冰川已經(jīng)消退了大約500m。隨著冰川退縮,植物開始在這一地區(qū)生長。
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圖1 van Gestel博士在這里安裝了美國METER公司制造的EM50數(shù)據(jù)采集器和氣象土壤測量傳感器
圖2 美國METER制造的6通道數(shù)據(jù)采集器ZL6和一體式集成氣象站ATMOS41安裝在南極
“我們有一個很好的時間序列,來研究植被覆蓋與距離冰川遠近的關(guān)系。”van Gestel說。“自1950年以來,南極洲的244個冰川中有近90%已經(jīng)退縮,并且這一過程仍在持續(xù)。因此,時間順序信息可以幫助我們預(yù)測其他區(qū)域(冰川未消退區(qū))會如何應(yīng)對氣候變暖。”
圖3 冰川消退進程記錄(1963~2018)
與研究生Kelly McMillen一起,van Gestel正在研究冰川消退區(qū)的整個環(huán)境梯度:從裸地到*被植被覆蓋的區(qū)域。
“我們發(fā)現(xiàn)了大約有100種苔蘚以及兩種維管束植物,南極發(fā)草和珍珠草(Antarctic hairgrass and Pearlwort)。”van Gestel說,“生產(chǎn)力高的區(qū)域位于利奇菲爾德島(Litchfield Island),這是一個需要特殊許可才能進入的保護區(qū)。生產(chǎn)力低的區(qū)域距離冰川的邊緣只有幾米。雖然那里沒有可見的植物,但土壤中的微生物是可以進行光合作用的。這些微生物是碳通量的重要貢獻者。”
圖4 生產(chǎn)力高的利奇菲爾德島(Litchfield Island)所在位置
圖5 冰川消退后巖石上開始著生地衣和苔蘚
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碳通量測量是van Gestel博士研究的重要組成部分。這有助于了解植物生產(chǎn)力梯度格局以及植物和微生物對氣候變暖的響應(yīng)。
圖6 van Gestel博士使用美國LI-COR公司制造的LI-6800測量地表碳通量(1)
“我們預(yù)計碳通量會隨著植被覆蓋度的增大而增加。”van Gestel說,“而且,微生物的數(shù)量也會增多。隨著植被覆蓋度的增大,它們的代謝活動會更高。同時,我們預(yù)期微生物的群落組成也會發(fā)生改變。”
“相當多的微生物目前并不活躍,它們可能從其他地方被風吹來,處于休眠狀態(tài)。但是一旦時機成熟,它們就會打破休眠。”
圖7 van Gestel博士使用美國LI-COR公司制造的LI-6800測量地表碳通量(2)
與此同時,van Gestel博士還開展了野外增溫實驗。這一實驗用于確認微生物響應(yīng)發(fā)生的速度。北亞利桑那大學的博士Alicia Purcell將使用一種稱為定量穩(wěn)定同位素探測(qSIP)的技術(shù),這是由van Gestel的合作者——北亞利桑那大學Bruce Hungate發(fā)明的一種新方法。這種方法可以確定哪些微生物正在積極生長,以及生長的速度。
van Gestel和McMillen使用可以在陽光下捕獲熱量的敞口加熱室(Open-Top Warming Chambers),加熱小面積的土壤和植被。這種方法的優(yōu)勢是,除溫度以外的其他變量可基本保持和自然環(huán)境一致。
圖8 敞口加熱室(Open-Top Warming Chambers)制作與效果評估
Van Gestel的研究團隊沿生產(chǎn)力梯度,選取了四個研究站點,在每個站點上采集完整的土壤苔蘚樣本土核四個,然后向樣本土核中添加水并放置在敞口加熱室內(nèi)。兩個樣品土核添加純水,另外兩個樣品土核添加氧18重水。
圖9 野外安置的敞口加熱室(Open-Top Warming Chambers)
“微生物活躍后將會吸收水,”van Gestel說,“那些重氧將被整合到他們的DNA中,從而使他們的DNA變得更重。我們可以根據(jù)DNA的重量變化來計算其生長速度。”
終,這些研究將能回答:氣候變化如何影響南極洲的植物和微生物?這些改變又如何影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。
“溫暖的條件可能會使某些微生物受益,但不會使所有微生物受益。對植物來說也是如此。”van Gestel說。“我們預(yù)期微生物群落會發(fā)生改變。由于植物生長非常緩慢,因此短時間內(nèi)較難確定植物群落的變化規(guī)律。為此,我們需要對植被覆蓋進行長期定位監(jiān)測。”
“相對于對照地塊,溫暖地塊的碳通量會更大。生態(tài)系統(tǒng)光合作用和呼吸速率都會有所增加,但哪一個組分增加的更多呢?因為這終決定了整個系統(tǒng)的凈碳通量對氣候變暖的反饋。”
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“由于南極生態(tài)系統(tǒng)比地球上的其他生態(tài)系統(tǒng)更簡單”,van Gestel說,“在這里的發(fā)現(xiàn)可以為生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存提供更多機制信息,進而對氣候模型完善做出貢獻。”
“例如,微生物碳利用效率的溫度敏感性如何?微生物利用一部分碳構(gòu)建生命體,其余部分則通過呼吸作用消耗掉。那問題來了,溫度變暖會使微生物更加浪費碳嗎?微生物碳利用效率是氣候模型中的一個重要參數(shù)。如果微生物的碳利用效率下降,那么更強的呼吸損失會導致更多的碳從土壤遷移到大氣中,從而進一步加劇變暖。”