土壤食物網對全球變化的響應與反饋

2020-11-25 騰訊網

複雜的氣候條件、地質事件和多樣的巖石類型造就了多種多樣的土壤類型,而土壤類型的多樣性、土壤內部空間結構的異質性和外部資源輸入的多源性導致土壤生物多樣性和土壤食物網的複雜性。土壤食物網的影響無處不在,其物種多樣性非常豐富且無法用同一種標準方法進行檢測,以致於難以準確量化它們在生態系統物質循環、能量流動過程中的貢獻。土壤食物網中的不同生物類群由於對資源的利用方式和捕食策略不同而互相牽制,形成了錯綜複雜的食物鏈和食物網。

土壤食物網影響生態系統功能的主要途徑(改自邵元虎等,2015)

土壤食物網就像一個超級生物體,各個生物類群就像是這個超級生物體的各個器官。各種生物通過多種機制的協作或拮抗影響著生態系統的結構和功能。

全球變化不僅影響地上生態系統的結構和功能,還直接或間接地影響土壤食物網中各生物類群以及相關的地下生態過程和功能,這是因為地上植被通過凋落物和根系分泌物的形式把大量的能量輸入土壤食物網(Pritchard,2011)。同時,土壤食物網中各生物類群地下生態過程會對全球變化產生反饋,加強或削弱全球變化給生態系統帶來的影響(Schmidt et al.,2004)。以往的研究關注更多的是全球變化對地上生態系統的影響,對地下生態系統的研究十分有限(Allison and Reseed,2008)。在公開發行的生態學期刊上發表的關於全球變化的文章中,只有不到3%的文章聚焦全球變化對土壤生物或土壤生態過程的影響(Wardle,2002)。因此,土壤食物網中各生物類群以及土壤生態過程對全球變化的響應和反饋可能是全球變化研究中重要的不確定因素(Bardgett et al.,2008)。土壤食物網是有機質分解作用、養分礦化過程的主要調節者,在驅動陸地生態系統生物地球化學循環過程中發揮著重要作用(賀紀正和葛源,2008)。因此,研究土壤食物網的結構和功能及其對全球變化因子的響應與反饋,對於準確理解全球變化對陸地生態系統的影響具有重要意義(Bradford et al.,2002)。

土壤生物群落對全球變化響應及反饋的途徑(改自Nielsen et al.,2015)

實線指直接作用;虛線指間接作用

全球變化是威脅土壤生物多樣性的重要因子,已有的研究也表明全球變化因子可以影響土壤生物,進而影響它們調控的生態系統功能(Frey et al.,2013;García-Palacios et al.,2016)。儘管我們基於實驗研究不斷提升全球變化驅動因子(如氣候變化、CO 濃度升高、土地利用變化等)對土壤生物多樣性影響的認識,如何預測全球變化對土壤生物多樣性的長期影響仍是我們面臨的主要挑戰之一。氣候變化對土壤生物多樣性及其生態系統功能的影響主要取決於變化的速率、生態系統類型、土壤生物物種的脆弱性和敏感性。主要關注的焦點包括地上-地下生物群落的聯繫、植物-土壤反饋的變化、土壤生物多樣性喪失對生態系統功能的影響、生態系統對環境變化的適應能力等方面。

地表和土壤內部的生物「熱點」和關鍵界面

a. 白蟻堆;b. 蚯蚓與凋落物;c. 蚯蚓與根系;d. 地表蚓糞;e. 土壤內蚓糞;f. 蚓道;圖a 由劉勝傑提供,圖b~f 由張衛信提供

為了預測和減緩全球變化對土壤生物的影響,我們需要基於土壤生物物種的敏感性與適應性、物種和食物網水平的相對貢獻等數據量化評價全球變化對土壤生物及生態功能的影響。氣候變化對土壤生物的影響可能在低多樣性、低彈性、強度幹擾的生態系統中表現最強,但是相關問題還沒有被量化評價和驗證。

針對全球變化背景下土壤生物學研究面臨的挑戰與難點,我們認為未來的研究應該重點關注以下幾個方面。

一、土壤生物多樣性與生態功能耦合新技術及新方法的開發

雖然分子生物學方法和技術的發展應用大大提高了我們對土壤生物多樣性的認識,但是為了充分認識生物多樣性的重要性,我們急需將物種多樣性與生態功能聯繫起來。此外,我們也需要通過監測土壤生物的分布,評估地下土壤生物多樣性的喪失與增加及其對氣候變化的響應。然而,我們在土壤生物分類鑑定和描述土壤生物生活史特徵和功能屬性能力方面還比較欠缺。研發更靈敏、低成本的分析方法,量化土壤生物群落響應與反饋的標準化方法將有助於我們系統地了解土壤生物多樣性及其生態系統功能。

英國Sourhope 土壤生物多樣性實驗平臺及穩定同位素標記設施

▋二、土壤溫室氣體產生和轉化的土壤生物驅動機制

過去大量研究工作聚焦土壤溫室氣體產生和轉化的微生物群落結構,主要關注相關微生物的種類和生態生理特性。實際上,土壤中溫室氣體產生和轉化的過程中土壤其他生物類群同樣發揮著至關重要的作用。未來研究需要融合不同學科的方法和理論,綜合應用穩定同位素標記示蹤技術、高通量測序技術、轉錄組學和蛋白組學等新興技術手段,在分子水平上破解土壤溫室氣體的產生和轉化機制,探索發現新的土壤生物學過程機制,並發展調控技術和方法。為調控土壤中溫室氣體的產生和排放提供理論基礎及技術支撐。

▋三、地上-地下食物網在生態系統水平上的聯繫

全球變化對地下生態系統的影響很大程度上取決於地上植被的變化,而地下生態系統的變化又將對地上系統作出反饋,影響地上植被的生長和分布格局。地上-地下相互作用在調控生態系統屬性和功能方面發揮著極其重要的作用。但目前大部分全球變化影響研究主要關注植物與土壤生物屬性的相互作用,對地上-地下食物網的生態學聯繫缺乏足夠的重視,這明顯限制了我們從生態系統水平理解和預測全球變化的生態效應。因此,未來的研究我們需要從整個食物網的角度來研究土壤生物的生態功能,充分考慮地上-地下食物網的生態學聯繫。

▋四、全球變化背景下土壤生物入侵的生態學效應

全球變化是驅動生態系統物種增加或喪失的重要因子,這會對生態系統的屬性和功能產生深遠影響。越來越多的證據表明全球變化背景下物種的分布範圍在類群和地理區域上發生了遷移,氣候變暖在驅動物種分布範圍遷移中發揮著重要的作用。在全球變化背景下,物種分布範圍的擴展會顯著影響生態系統的地上和地下部分及其對氣候變化的反饋。土壤生物在調控物種分布範圍方面將發揮重要的作用。未來面臨的挑戰是理解氣候變化如何通過影響土壤生物物種的分布範圍,進而直接或間接地影響入侵地的地上和地下生物群落。

入侵蚯蚓對北美森林的影響(引自Bohlen et al .,2004)

a. 無蚯蚓區林下植被和草本;b. 蚯蚓入侵地區林下植被

▋五、多方合作的全球尺度研究

相對於其他生態學研究,關於土壤生物群落如何響應未來氣候變化的實驗數據比較缺乏。此外,全球變化對土壤生物的影響往往是同時受多個因子驅動的綜合效應。已有的研究主要針對特定的研究區域和植被類型,還缺乏跨植被帶的全球尺度研究。未來全球變化背景下的土壤生物學研究需要重視多方合作的全球尺度聯網方面,重視全球變化多驅動因子的綜合影響和耦合作用,提升我們對於土壤生物對全球變化響應與反饋的普適性理解。

六、全球變化敏感區域土壤生物群落結構和功能研究

氣候變化對土壤生物的影響預計會在生物多樣性低、抵抗性和彈性低、幹擾強的生態系統中表現比較強,但是還缺乏相關的證據來驗證,未來的土壤生物學研究應該對上述全球變化敏感區給予足夠的重視。未來應該加強研究高寒生態系統和乾旱-半乾旱生態系統的土壤生物分布、食物網結構和群落演變,以及它們對溫度、降水、氮沉降等全球變化驅動因子的響應及驅動機制。

森林土壤動物生態功能研究平臺(傅聲雷提供)

本文摘編自《土壤生態學:土壤食物網及其生態功能》(傅聲雷等著. 北京:科學出版社,2019.11)一書「第四章 土壤食物網對全球變化的響應與反饋」,有刪減,標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-059209-5

責任編輯:王海光 王 好 郝晨揚

本書共分為6 章。第一章介紹土壤的本質與特性和土壤生態學的發展歷程;第二章闡述土壤食物網的結構、維持機制及生態功能;第三章闡述土壤食物網的能量流動與模型模擬;第四章闡述土壤食物網對全球變化的響應與反饋;第五章闡述土壤食物網與生態系統管理;第六章討論了土壤生態學研究新視角。本書適合從事土壤生態學、農業生態學、恢復生態學、自然地理和可持續發展等研究及教學的老師、博士後與研究生閱讀,也適合對土壤食物網中各個生物類群及其生態功能感興趣的廣大讀者閱讀。

全球變化背景下的土壤生態學研究,既是研究前沿,時刻充滿機遇,又是研究瓶頸,面臨重重挑戰。該書提出了土壤食物網及其生態功能研究的最新框架,建立了較為完整的體系,梳理了諸多科學問題及解決思路。雖然我國在土壤食物網及其生態功能方面的研究起步較晚,研究群體較小,但提升空間很大。相信該書的出版,對充分發揮土壤食物網在可持續農林業中的作用和促進我國土壤生態學的跨越式發展具有重要意義。

2019 年7 月

(本文編輯:劉四旦)

一起閱讀科學!

科學出版社│微信ID:sciencepress-cspm

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品味

傳播科學,歡迎分享「在看

相關焦點

  • 冰凍圈生態系統:全球變化的前哨與屏障
    中國網/中國發展門戶網訊 冰凍圈通過存儲或調節釋放大量的能量,以及水汽、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和其他生源要素等反饋影響全球氣候變化,並作用於生物圈、水圈等其他圈層。
  • 深層土壤對氣候變化響應或存滯後效應
    日前,浙江大學生命科學學院程磊教授實驗室提出了深層土壤對氣候變化響應存在滯後效應的設想。該成果以技術評論的形式,於2月23日刊登在國際學術期刊《科學》雜誌上。氣候與土壤,一個「天」一個「地」,兩者的聯繫涉及一個十分重要的科學問題——全球碳循環。在陸地生態系統中,全球土壤有機碳作為地球系統中最大的活性碳庫,其碳儲量是大氣的三到四倍。土壤是否為氣候變暖的「減緩器」,這在科學界一直存在爭論。
  • 研究揭示草地和森林兩類生態系統土壤呼吸對降水量變化的不對稱響應
    氣候變暖導致水循環過程增強,使全球範圍內極端降水事件引起的旱澇災害發生頻率提高,這將對陸地生態系統碳循環產生顯著影響。研究表明,地上淨初級生產力對極端降水量變化的響應為非線性,且顯著區別於其對中強度降水量變化的響應。然而,作為碳循環關鍵過程的土壤呼吸對極端降水變化的響應並不清楚。
  • 華南植物園揭示草地和森林兩類生態系統土壤呼吸對降水量變化的不對稱響應
    氣候變暖導致水循環過程增強,使得全球範圍內極端降水事件引起的旱澇災害發生頻率大幅提高,這將對陸地生態系統碳循環產生顯著影響。研究表明,地上淨初級生產力對極端降水量變化的響應為非線性,且顯著區別於其對中強度降水量變化的響應。然而,作為碳循環關鍵過程的土壤呼吸對極端降水變化的響應並不清楚。
  • 封面圖片背後的故事 | 全球變化與生態系統響應
    圖中上方示意人類生產活動排放溫室氣體、降水格局變化等全球氣候變化情形; 右上方示意氣溫升高導致冰川消融, 進而導致水資源空間分布和水循環的變化; 中間部分示意森林、草地、農田等主要陸地生態系統類型, 以及農田耕作、放牧等不同土地利用情形; 左下方土壤剖面示意全球變化對生態系統地下部分結構、過程和功能產生影響, 右下方示意海洋和淡水生態系統響應全球變化。
  • 全球變暖:底層土壤碳庫的響應出乎意料
    全球氣候變暖背景下,土壤碳庫輸入和輸出的微小改變都可能較大程度地影響大氣二氧化碳濃度,進而加速或減緩全球變暖進程。因此,土壤碳周轉過程對氣候變暖的響應是全球變化生態學的焦點問題。然而,以往的研究主要集中在表層土壤(0-20 cm),底層(20 cm以下)土壤碳庫對增溫的響應機制尚不明確。
  • 「十四五」土壤生物學分支學科發展戰略|專題
    土壤生物驅動著土壤中幾乎所有的生物地球化學循環,在消除土壤汙染、改善土壤結構、提升土壤肥力、促進作物健康生長及應對氣候變化等方面均具有重要作用[3],被認為是土壤養分的轉化器、汙染物的淨化器、生態系統的穩定器。土壤生物學研究土壤中生物的組成、多樣性與分布格局、土壤生物在元素循環和汙染物降解過程中的功能,土壤生物對全球變化與人類幹擾的響應與反饋,土壤生物資源及其在生產上的應用等方面。
  • 土壤微生物對溫溼度交互變化響應研究獲進展
    在土壤生態過程對溫度、溼度等環境變化的響應方面已有大量的相關研究,但關於調控過程中土壤微生物群落組成對溫溼度響應行為的研究還較為缺失。理解土壤微生物群落對土壤溫度和溼度的變化的響應規律是準確模擬土壤溫室氣體排放過程、氮磷周轉過程的生物學基礎,也是改進全球氣候和陸面模型模擬不確定性的一個重要方面。
  • 論文速讀 | 東亞夏季風對全球海溫四年振蕩與青藏高原熱力反饋的響應
    與ENSO相聯繫,全球海溫呈四年周期振蕩,與其位相相對應,海溫振蕩分為發展年和衰減年。在發展和衰減年份,東亞夏季風對全球海溫異常的響應不相同,發展年份季風降水減少,衰減年份長江中下遊到日本南部季風降水增加。本文主要通過AGCM實驗探究東亞夏季風對海溫異常的非對稱響應,並通過青藏高原上的非絕熱加熱反饋來解釋這種非對稱性。
  • SBB綜述|土壤微生物生物量和碳分解酶活性對降水變化的差異響應
    此外,微生物活性和微生物胞外酶活性(EEAs)對溫度和溼度的變化很敏感,因為由於乾燥土壤孔隙連通性減弱,微生物遷移到可用基質的能力受到限制。所以深入了解微生物活動和不同類型碳降解EEAs對模擬降水機制的響應,對於闡明土壤碳動態的潛在機制至關重要。
  • 破壞臭氧層和氣候變化形成反饋迴路
    破壞臭氧層和氣候變化形成反饋迴路 新的報告發現,臭氧驅動的氣候變化影響了整個生態系統 「我們看到的是,臭氧變化轉變溫度和降水模式在南半球,這就是改變海洋中的藻類在哪裡,這是改變魚在哪裡,海象和海豹在哪裡,所以我們看到很多食物網的變化,」倫斯勒理工學院研究員凱文。 1987年的蒙特婁議定書損耗臭氧層的物質——第一個多邊環境協議批准所有聯合國成員國——旨在保護地球的主要過濾太陽紫外輻射的逐步淘汰有害的人造物質的生產,比如氯氟烴類製冷劑。
  • Microbiome:南農張瑞福團隊揭示放牧引起草原微生物組變化驅動土壤...
    關鍵字:溫帶草甸草原,牛放牧,微生物組成,土壤培養,土壤有機碳降解酶活性,土壤生產力 點評:作者通過設置不同的放牧強度梯度研究了不同的放牧強度對土壤微生物群落的影響及其對土壤生產力的影響;由於土壤微生物易受土壤水分和溫度以及許多其他特徵的(季節變化)影響,同時為了研究土壤有機碳周轉化對季節變化的響應,因此作者結合微宇宙培養實驗進一步設置了溫度及含水量梯度以期更嚴謹的更全面的解答放牧對土壤微生物群落
  • Global Change Biology:全球陸地系統中土壤氮循環及相關功能性...
    【歡迎您關注--農業環境科學】浙江大學環境與資源學院徐建明教授團隊對氣溫升高下全球陸地系統中土壤氮循環及相關功能性基因的響應變化進行了研究。本文評估了全球範圍內土壤微生物氮(N)循環和相關功能基因對氣溫升高的響應。
  • 《土壤生態學快報》(SEL)新刊揚帆,砥礪前行
    土壤生態學已成為各學科交叉融合的場所,呈現蓬勃發展的態勢。2019年,Soil Ecology Letters(SEL)(《土壤生態學快報》)正式創刊,契合了時代的需求。 SEL定位為土壤生態學領域高水平的全英文學術期刊,由高等教育出版社與中國科學院城市環境研究所共同主辦,Springer Nature海外發行。
  • 千姿百態的食物鏈之:食物鏈—食物網—生態平衡
    同時,由於人類也是生命世界中的一分子,故自然界中所有生物種群的動態變化,或多或少地對人類的生存與發展產生直接或間接的影響。例如農業蟲害(如蝗蟲)的爆發會導致作物產量銳減,從而影響人類的糧食安全。同樣,人類所有違反自然規律的行為,也會影響某些生物種群數量的變化,從而影響人類的正常生活。例如工業「三廢」(廢水、廢渣和廢氣)汙染農田和水域,造成作物減產和魚類產品急劇下降,最終影響人類生活。
  • SEL專題徵稿:「土壤微生物生態學」(Soil Microbial Ecology)|資訊
    導  讀土壤是有生命的,土壤微生物對土壤生命活動的維持起著至關重要的作用。來源:土壤生態學快報SEL公號(2020年4月3日)「土壤微生物生態學」(Soil Microbial Ecology)專題徵稿徵稿要求土壤是有生命的,土壤微生物對土壤生命活動的維持起著至關重要的作用。
  • 天眼看全球土壤碳排放時空變化格局丨觀天測地
    陸地生態系統碳循環及其對全球變化的響應研究一直是國際地球物理學界廣泛關注的前沿問題。土壤碳排放描述了陸地生態系統通過根系呼吸和微生物呼吸向大氣中釋放二氧化碳的過程,是陸地生態系統與大氣間二氧化碳交換的最大通量之一,並已引起了科學界的高度重視。由於其量之大,土壤碳排放數量上的一個小的改變可能對大氣中二氧化碳濃度的變化有相當大的影響。
  • 生物固氮的環境響應機制獲揭示
    中國科學院華南植物園生態中心鼎湖山站生態系統管理研究組副研究員鄭棉海(課題組PI:莫江明研究員)首次系統地揭示了全球陸地生態系統生物固氮對環境變化的響應格局。相關研究近日發表於《全球變化生物學》。生物固氮是地球生態系統重要的氮素來源之一,也是驅動陸地生態系統氮循環和淨初級生產力的關鍵因素。
  • 華南植物園在生物固氮的環境響應機制研究方面取得進展
    雖然許多研究表明全球變化(人類活動和氣候變化等)對自然生態系統的結構和功能產生顯著影響,但全球變化如何影響陸地生態系統生物固氮,目前仍然未知。上述研究首次系統地揭示了全球陸地生態系統生物固氮對環境變化的響應格局,同時暗示了人為幹擾活動對生物固氮產生抑制作用,研究結果有助於人們準確理解、評估、模擬和預測陸地生態系統氮收支、淨初級生產力和生態系統反饋。   相關研究成果已發表在Global Change Biology上。
  • 鹹海岸上土壤微生物與植物內生菌對土壤地球化學響應差異及原因
    伴隨鹹海湖面退縮,乾涸的湖床出露地表,被逐漸風化為土壤,形成廣泛的現代環境參數梯度(如鹽度),鹹海是研究湖岸生態組響應湖域退縮的理想場所。目前,對於湖泊持續乾涸導致岸上土壤中微生物如何隨土壤地球化學和礦物學演化而變化的研究較為有限。