蘭州大學科研團隊在我國旱區生物多樣性與生態系統功能研究方面取得重要進展

日期: 2021-09-13 閲讀: 來源: 關鍵詞:

旱區(drylands)約佔全球陸地表面積的41%,是地球陸地生態系統的重要組成部分,維繫了全球約38%以上的人口。我國旱區約佔國土面積的53%,不僅涵蓋了位於亞歐大陸內部典型温帶荒漠的關鍵區,也涵蓋了黃河流域的絕大部分區域。我國旱區不僅承載着4億多人的生存發展,而且還是黃河流域生態屏障、青藏高原生態屏障、黃土高原生態屏障和北方防沙帶建設的重要區域。因此,該區域的生態安全直接影響着我國生態文明建設、黃河流域生態安全與高質量發展等重大國家戰略目標的實現。

由於旱區生態系統極其脆弱且穩定性很低,使其成為對氣候變化和人類活動最敏感的地球陸地生態系統之一。近幾十年來,在全球變化背景下,旱區的乾旱程度正逐漸增加,導致旱區生態系統正面臨嚴重退化的風險。比如,全球變化導致一些物種喪失和羣落結構變化,進而致使生態系統功能與服務及其穩定性急劇下降。因此,生物多樣性與生態系統功能尤其多功能性之間的內在關係及其調控機制,一直是生態學研究的核心科學問題之一,也是當前生態學領域研究的熱點。而旱區生態系統能否長期有效地維持功能多樣性、併為人類社會提供服務,是當今世界社會經濟發展所面臨的重大挑戰,也是國內外生態學者一直力求攻克的重大科學問題。

自2013年以來,蘭州大學生命科學學院,草地農業生態系統國家重點實驗室鄧建明教授團隊,通過在我國北方旱區建立東西橫跨近5000公里直線距離的自然樣帶,連續進行了多年野外大規模調查取樣(圖1),收集了20000餘份樣品/數據,結合室內控制實驗,利用二代高通量測序等技術,探究了我國北方旱區生態系統土壤多功能性與植物和土壤微生物(細菌、真菌和古菌)多樣性間的內在關係及其沿乾旱環境梯度的變化規律。

研究發現:相比於單個土壤功能,土壤多功能性對乾旱的響應更敏感,因此,對單個功能或過程分析的結果,往往會低估乾旱對土壤功能的負效應(圖1);土壤微生物多樣性及土壤功能與多功能性沿乾旱梯度呈非線性變化趨勢,而且植物和土壤微生物多樣性與多功能性關係的相對強度沿乾旱梯度發生了轉變。作者針對該轉變機制,創新性地提出了以下科學假設(圖2):①生態系統多功能性的動態變化主要由植物(即生產者)多樣性及其生產力和土壤微生物(即分解者)多樣性進行聯合調控,②在低乾旱水平下如半乾旱與乾旱半濕潤區,隨着乾旱程度的增加,因植物多樣性及其生產力快速下降而成為土壤多功能性的關鍵限制性因素,土壤微生物多樣性及其功能服務則相對冗餘,即土壤多功能性遵循自下而上(Bottom-up)的調控原理,因此可預測植物多樣性與多功能性將呈現較強的正相關,③相反,在高幹旱水平下如干旱與極旱區,隨着乾旱程度的增加,因土壤微生物多樣性及其生物量的急劇下降及生物殘體分解難度大幅增加和分解速率的下降,致使土壤微生物多樣性成為土壤多功能性的關鍵限制性因素,即土壤多功能性遵循自上而下(Top-down)的調控原理,因此可預測土壤微生物(特別是土壤真菌和腐生真菌)多樣性與多功能性將呈現較強的正相關。上述科學假説在本研究中得到了很好的野外調查實驗與室內控制實驗驗證(圖3)。更重要的是, 作者還發現隨着乾旱脅迫的增加,植物與土壤微生物多樣性對多功能性的調控機制在約0.8的乾旱水平(即乾旱與半乾旱氣候的分界線),將由Bottom-up的調控模式轉變為Top-down的調控模式(圖3)。此外,作者進一步預測了未來中等排放情景(RCP4.5)和高排放情景(RCP8.5)下,我國北方乾旱與極旱區(乾旱水平高於0.8)的面積變化特徵,發現在高排放情景下,21世紀末該區域面積相比1970-2000年將擴張高達28%,擴張將主要發生在內蒙古自治區的中部和東部(圖4)。

上述研究表明,植物和土壤微生物多樣性對生態系統多功能性的影響與調控模式將隨着氣候與環境條件的改變而變化,並非遵循某一普適性的調控模式。這對在全球變化背景下,因地制宜地制定我國旱區的生態管理與保護政策等方面具有十分重要的科學指導意義。比如,在低乾旱水平區域,植物多樣性及其生產力是影響生態系統功能與穩定性關鍵限制性因素,這意味着該區域的生態保護更應優先保護植物多樣性;而在高幹旱水平區域,土壤微生物多樣性作為影響生態系統功能與穩定性關鍵限制性因素,因此,更優先保護該區域的土壤微生物多樣性如土壤結皮則極為重要。

該研究成果於2021年9月9日以《乾旱驅動的生物多樣性-土壤多功能關係的轉變》(Aridity-driven shift in biodiversity–soil multifunctionality relationships)為題在線發表於《自然•通訊》(Nature Communications)上(doi: 10.1038/s41467-021-25641-0)。

生命科學學院草地農業生態系統國家重點實驗室胡維剛博士後、冉金枝講師和董龍偉博士為論文第一作者,鄧建明教授、曼徹斯特大學Richard D. Bardgett教授和蘇黎世大學Bernhard Schmid教授為共同通訊作者,蘭州大學為該文的第一通訊單位。該研究得到了蘭州大學、甘肅省科技廳、科技部和國家自然科學基金委的資助。

圖1. 野外調查樣點分佈(a)和單個土壤功能與多功能性對乾旱的非線性響應(b-i)

圖2. 不同乾旱環境下植物與土壤微生物多樣性對多功能性的調控機制

圖3. 生物多樣性及其同乾旱的交互作用與土壤多功能性之間的關係沿乾旱梯度的非線性變化

圖4. 中國北方乾旱與極旱區(乾旱水平高於0.8)的未來變化預測

原文鏈接://www.nature.com/articles/s41467-021-25641-0

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文:鄧建明,胡維剛
圖:胡維剛
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編輯:侯牧晨
責任編輯:許文豔

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