科羅拉多州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組利用北極地區(qū)進(jìn)行時(shí)間最長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之一，對(duì)植物、微生物和土壤養(yǎng)分之間的相互作用有了更好的了解，這一發(fā)現(xiàn)為了解北極永久凍土融化過(guò)程中關(guān)鍵的碳沉積是如何釋放的提供了新的見(jiàn)解。

據(jù)估計(jì)，北極土壤中的碳含量幾乎是目前大氣中碳含量的兩倍。隨著氣候變化導(dǎo)致地球最北極地區(qū)部分地區(qū)解凍，科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直擔(dān)心大量碳以溫室氣體的形式釋放出來(lái)，這一過(guò)程是由微生物推動(dòng)的。

研究和模擬這一情景的大部分努力都集中在全球氣溫上升將如何破壞目前鎖定在北極土壤中的碳。但是，氣候變暖也在以其他方式影響著該地區(qū)，包括改變植物生產(chǎn)力、整個(gè)景觀中植被的總體組成以及土壤中養(yǎng)分的平衡。根據(jù)本周發(fā)表在《自然氣候變化》雜志上的一項(xiàng)研究，植物成分的這些變化也將影響碳從土壤到大氣的循環(huán)方式。

這項(xiàng)工作是由科羅拉多州立大學(xué)土壤與作物科學(xué)系的研究科學(xué)家梅根·馬徹穆勒(Megan Machmuller)領(lǐng)導(dǎo)的。

“我們的工作重點(diǎn)是確定控制北極碳命運(yùn)的機(jī)制，”馬赫穆勒說(shuō)?！拔覀冎罍囟绕鹬艽蟮淖饔茫摰貐^(qū)的生態(tài)系統(tǒng)也在與氣候變化共同發(fā)生變化。”

馬赫穆勒說(shuō)，該地區(qū)正在經(jīng)歷一種“灌木化”，即灌木的數(shù)量和生長(zhǎng)都在增加。Machmuller和她的合著者發(fā)現(xiàn)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，這些灌木可能有助于將更多的碳留在地下。

“有很多人關(guān)注變暖對(duì)土壤碳的直接影響，”合著者、愛(ài)達(dá)荷大學(xué)助理教授勞雷爾·林奇(Laurel Lynch)說(shuō)，“但我們?cè)谶@項(xiàng)工作中發(fā)現(xiàn)，情況要復(fù)雜得多?！蔽覀冃枰堰@個(gè)生態(tài)系統(tǒng)看作一個(gè)整體，有許多相互作用的部分和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。”

令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

在這項(xiàng)新工作中，Machmuller和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了北極地區(qū)35年生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的土壤樣本。1981年，科學(xué)家們開(kāi)始在阿拉斯加北部的北極長(zhǎng)期生態(tài)研究基地的試驗(yàn)田添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該試驗(yàn)田位于布魯克斯山脈底部的圖里克湖附近。最初的想法是了解北極植被如何隨著時(shí)間的推移對(duì)額外的營(yíng)養(yǎng)作出反應(yīng)，但該實(shí)驗(yàn)也使科學(xué)家能夠研究土壤的長(zhǎng)期變化如何影響碳儲(chǔ)存。

20年后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照區(qū)相比，添加營(yíng)養(yǎng)物的土壤碳流失顯著，這一重要發(fā)現(xiàn)對(duì)北極如何應(yīng)對(duì)氣候變化形成了廣泛的科學(xué)認(rèn)識(shí)。這些實(shí)驗(yàn)還在繼續(xù)，Machmuller和她的團(tuán)隊(duì)在連續(xù)施用了35年的養(yǎng)分后再次對(duì)這些地塊進(jìn)行了測(cè)試。

然而，他們發(fā)現(xiàn)這種趨勢(shì)已經(jīng)逆轉(zhuǎn)，而不是繼續(xù)碳損失。35年后，試驗(yàn)田的碳儲(chǔ)量要么恢復(fù)了，要么超過(guò)了附近對(duì)照區(qū)的碳儲(chǔ)量。

“我們真的對(duì)這些結(jié)果感到驚訝，并對(duì)潛在的機(jī)制感到好奇，”Machmuller說(shuō)。

馬赫穆勒和她的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了先進(jìn)的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)，以了解更多關(guān)于碳如何在系統(tǒng)中移動(dòng)的信息。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝淮翁砑訝I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，它們刺激了微生物分解——這是一個(gè)自然過(guò)程，涉及微生物在土壤中的有機(jī)物中翻騰，導(dǎo)致二氧化碳的釋放。

但隨著時(shí)間的推移，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷被添加到試驗(yàn)田，情況發(fā)生了變化。林奇說(shuō):“灌木在某種程度上調(diào)節(jié)了土壤，改變了微生物代謝，減緩了分解速度，使土壤碳儲(chǔ)量得以重建?！薄拔覀儧](méi)料到會(huì)這樣。”

“這提供了一種潛在的生物學(xué)機(jī)制，也許可以解釋為什么我們?cè)谇?0年觀察到碳的凈損失，而在35年后卻沒(méi)有，”馬赫穆勒說(shuō)。

的即時(shí)通訊著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要性

馬赫穆勒說(shuō)，這些結(jié)果表明，北極對(duì)氣候變化的反應(yīng)可能比以前想象的要復(fù)雜得多?！斑@是一個(gè)復(fù)雜的難題，”她說(shuō)，“這項(xiàng)研究向我們強(qiáng)調(diào)了利用長(zhǎng)期研究來(lái)推進(jìn)我們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程理解的重要性?！?/p>

格斯·沙弗(Gus Shaver)是一名研究科學(xué)家，他曾在1981年幫助建立了最初的圖里克湖實(shí)驗(yàn)區(qū)，也是這項(xiàng)研究的合著者之一，他也強(qiáng)調(diào)了長(zhǎng)期從事這種工作的價(jià)值。

Shaver說(shuō):“我們已經(jīng)證明，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)我們跟蹤他們的反應(yīng)軌跡時(shí)，長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)帶來(lái)驚喜。”“你在實(shí)驗(yàn)的頭幾年里發(fā)現(xiàn)的東西，往往不是你在第10年、第15年或第35年學(xué)到的東西?！?/p>

林奇指出，隨著生態(tài)系統(tǒng)的變化，除了碳之外，還有其他因素需要考慮。她說(shuō)，盡管灌木豐富度的增加可以阻止更多的土壤碳轉(zhuǎn)移到大氣中，但其他影響并不那么有益。

林奇說(shuō):“當(dāng)你有一種植物物種在競(jìng)爭(zhēng)中大大勝過(guò)其他物種時(shí)，就會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響?！崩纾f(shuō)，“北極許多動(dòng)物的棲息地和食物來(lái)源依賴于多樣化的植物群落，這種多樣性的喪失會(huì)波及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

科羅拉多州立大學(xué)土壤碳解決方案中心副主任勞倫·吉福德(Lauren Gifford)沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，她說(shuō)，這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)需要更強(qiáng)大、更詳細(xì)的建模，以更好地預(yù)測(cè)氣候變化將如何影響北極地區(qū)儲(chǔ)存的碳。

吉福德說(shuō):“這是對(duì)地球上最脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一進(jìn)行的一項(xiàng)了不起的35年研究?！薄凹词惯M(jìn)行了全面的長(zhǎng)期研究，氣候變化的影響往往仍然不確定。幫助適應(yīng)和減緩氣候變化的干預(yù)措施可能導(dǎo)致類似的、矛盾的或產(chǎn)生意想不到的后果?！?/p>

對(duì)她來(lái)說(shuō)，Machmuller希望這項(xiàng)工作將鼓勵(lì)未來(lái)對(duì)這一主題的研究?！伴L(zhǎng)期以來(lái)，北極的碳研究一直是一個(gè)熱門話題，因?yàn)樗谡{(diào)節(jié)全球氣候方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”她說(shuō)?！暗覀?nèi)匀徊恢牢磥?lái)的碳平衡到底會(huì)是什么樣子?！?/p>