兰州大学科研团队在我国旱区生物多样性与生态系统功能研究方面取得重要进展

日期: 2021-09-13 阅读: 来源: 关键词:

旱区(drylands)约占全球陆地表面积的41%,是地球陆地生态系统的重要组成部分,维系了全球约38%以上的人口。我国旱区约占国土面积的53%,不仅涵盖了位于亚欧大陆内部典型温带荒漠的关键区,也涵盖了黄河流域的绝大部分区域。我国旱区不仅承载着4亿多人的生存发展,而且还是黄河流域生态屏障、青藏高原生态屏障、黄土高原生态屏障和北方防沙带建设的重要区域。因此,该区域的生态安全直接影响着我国生态文明建设、黄河流域生态安全与高质量发展等重大国家战略目标的实现。

由于旱区生态系统极其脆弱且稳定性很低,使其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,在全球变化背景下,旱区的干旱程度正逐渐增加,导致旱区生态系统正面临严重退化的风险。比如,全球变化导致一些物种丧失和群落结构变化,进而致使生态系统功能与服务及其稳定性急剧下降。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,一直是生态学研究的核心科学问题之一,也是当前生态学领域研究的热点。而旱区生态系统能否长期有效地维持功能多样性、并为人类社会提供服务,是当今世界社会经济发展所面临的重大挑战,也是国内外生态学者一直力求攻克的重大科学问题。

自2013年以来,兰州大学生命科学学院,草地农业生态系统国家重点实验室邓建明教授团队,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,连续进行了多年野外大规模调查取样(图1),收集了20000余份样品/数据,结合室内控制实验,利用二代高通量测序等技术,探究了我国北方旱区生态系统土壤多功能性与植物和土壤微生物(细菌、真菌和古菌)多样性间的内在关系及其沿干旱环境梯度的变化规律。

研究发现: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(图1);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,而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。作者针对该转变机制,创新性地提出了以下科学假设(图2):①生态系统多功能性的动态变化主要由植物(即生产者)多样性及其生产力和土壤微生物(即分解者)多样性进行联合调控,②在低干旱水平下如半干旱与干旱半湿润区,随着干旱程度的增加,因植物多样性及其生产力快速下降而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(Bottom-up)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,③相反,在高干旱水平下如干旱与极旱区,随着干旱程度的增加,因土壤微生物多样性及其生物量的急剧下降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(Top-down)的调控原理,因此可预测土壤微生物(特别是土壤真菌和腐生真菌)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(图3)。更重要的是, 作者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Bottom-up的调控模式转变为Top-down的调控模式(图3)。此外,作者进一步预测了未来中等排放情景(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,发现在高排放情景下,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(图4)。

上述研究表明,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,并非遵循某一普适性的调控模式。这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。比如,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。

该研究成果于2021年9月9日以《干旱驱动的生物多样性-土壤多功能关系的转变》(Aridity-driven shift in biodiversity–soil multifunctionality relationships)为题在线发表于《自然•通讯》(Nature Communications)上(doi: 10.1038/s41467-021-25641-0)。

生命科学学院草地农业生态系统国家重点实验室胡维刚博士后、冉金枝讲师和董龙伟博士为论文第一作者,邓建明教授、曼彻斯特大学Richard D. Bardgett教授和苏黎世大学Bernhard Schmid教授为共同通讯作者,兰州大学为该文的第一通讯单位。该研究得到了兰州大学、甘肃省科技厅、科技部和国家自然科学基金委的资助。

图1. 野外调查样点分布(a)和单个土壤功能与多功能性对干旱的非线性响应(b-i)

图2. 不同干旱环境下植物与土壤微生物多样性对多功能性的调控机制

图3. 生物多样性及其同干旱的交互作用与土壤多功能性之间的关系沿干旱梯度的非线性变化

图4. 中国北方干旱与极旱区(干旱水平高于0.8)的未来变化预测

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25641-0

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文:邓建明,胡维刚
图:胡维刚
视频:
编辑:侯牧晨
责任编辑:许文艳

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