氣候變化對(duì)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(biāo)題發(fā)表
原文作者：Glenys Young

        德克薩斯理工大學(xué)（Texas Tech University）在南極的學(xué)術(shù)研究歷史非常悠久。早在20世紀(jì)60年代，由Alton Wade領(lǐng)導(dǎo)的地質(zhì)研究組就在南極考察。當(dāng)時(shí)他們?cè)噲D回答：數(shù)百萬(wàn)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(gè)星球的歷史，這是它的未來(lái)。

        德克薩斯理工大學(xué)生物科學(xué)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(dòng)。
 

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        確實(shí)，目前南極只有不到1％的土地是無(wú)冰的，但是，這個(gè)數(shù)字正在增長(zhǎng)。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(zhǎng)。

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圖1 van Gestel博士在這里安裝了美國(guó)METER公司制造的EM50數(shù)據(jù)采集器和氣象土壤測(cè)量傳感器


圖2 美國(guó)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(gè)很好的時(shí)間序列，來(lái)研究植被覆蓋與距離冰川遠(yuǎn)近的關(guān)系。”van Gestel說(shuō)。“自1950年以來(lái)，南極洲的244個(gè)冰川中有近90％已經(jīng)退縮，并且這一過(guò)程仍在持續(xù)。因此，時(shí)間順序信息可以幫助我們預(yù)測(cè)其他區(qū)域（冰川未消退區(qū)）會(huì)如何應(yīng)對(duì)氣候變暖。”
 

圖3 冰川消退進(jìn)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(gè)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(shuō)，“生產(chǎn)力高的區(qū)域位于利奇菲爾德島（Litchfield Island），這是一個(gè)需要特殊許可才能進(jìn)入的保護(hù)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(jìn)行光合作用的。這些微生物是碳通量的重要貢獻(xiàn)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(cè)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(duì)氣候變暖的響應(yīng)。
 

圖6 van Gestel博士使用美國(guó)LI-COR公司制造的LI-6800測(cè)量地表碳通量（1）
 

        “我們預(yù)計(jì)碳通量會(huì)隨著植被覆蓋度的增大而增加。”van Gestel說(shuō)，“而且，微生物的數(shù)量也會(huì)增多。隨著植被覆蓋度的增大，它們的代謝活動(dòng)會(huì)更高。同時(shí)，我們預(yù)期微生物的群落組成也會(huì)發(fā)生改變。”

        “相當(dāng)多的微生物目前并不活躍，它們可能從其他地方被風(fēng)吹來(lái)，處于休眠狀態(tài)。但是一旦時(shí)機(jī)成熟，它們就會(huì)打破休眠。”

圖7  van Gestel博士使用美國(guó)LI-COR公司制造的LI-6800測(cè)量地表碳通量（2）
 

        與此同時(shí)，van Gestel博士還開展了野外增溫實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)用于確認(rèn)微生物響應(yīng)發(fā)生的速度。北亞利桑那大學(xué)的博士Alicia Purcell將使用一種稱為定量穩(wěn)定同位素探測(cè)（qSIP）的技術(shù)，這是由van Gestel的合作者——北亞利桑那大學(xué)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(zhǎng)，以及生長(zhǎng)的速度。

        van Gestel和McMillen使用可以在陽(yáng)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(shì)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(píng)估
 

        Van Gestel的研究團(tuán)隊(duì)沿生產(chǎn)力梯度，選取了四個(gè)研究站點(diǎn)，在每個(gè)站點(diǎn)上采集完整的土壤苔蘚樣本土核四個(gè)，然后向樣本土核中添加水并放置在敞口加熱室內(nèi)。兩個(gè)樣品土核添加純水，另外兩個(gè)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(huì)吸收水，”van Gestel說(shuō)，“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(lái)計(jì)算其生長(zhǎng)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(huì)使某些微生物受益，但不會(huì)使所有微生物受益。對(duì)植物來(lái)說(shuō)也是如此。”van Gestel說(shuō)。“我們預(yù)期微生物群落會(huì)發(fā)生改變。由于植物生長(zhǎng)非常緩慢，因此短時(shí)間內(nèi)較難確定植物群落的變化規(guī)律。為此，我們需要對(duì)植被覆蓋進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。”

        “相對(duì)于對(duì)照地塊，溫暖地塊的碳通量會(huì)更大。生態(tài)系統(tǒng)光合作用和呼吸速率都會(huì)有所增加，但哪一個(gè)組分增加的更多呢？因?yàn)檫@終決定了整個(gè)系統(tǒng)的凈碳通量對(duì)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(jiǎn)單”，van Gestel說(shuō)，“在這里的發(fā)現(xiàn)可以為生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存提供更多機(jī)制信息，進(jìn)而對(duì)氣候模型完善做出貢獻(xiàn)。”

        “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(guò)呼吸作用消耗掉。那問(wèn)題來(lái)了，溫度變暖會(huì)使微生物更加浪費(fèi)碳嗎？微生物碳利用效率是氣候模型中的一個(gè)重要參數(shù)。如果微生物的碳利用效率下降，那么更強(qiáng)的呼吸損失會(huì)導(dǎo)致更多的碳從土壤遷移到大氣中，從而進(jìn)一步加劇變暖。”