气候变化对南极植物和土壤微生物的影响研究

原文以Biology Researchers Studying Climate Change's Effect on Plants and Soil Microbes in Antarctica为标题发表
原文作者：Glenys Young

        德克萨斯理工大学（Texas Tech University）在南极的学术研究历史非常悠久。早在20世纪60年代，由Alton Wade领导的地质研究组就在南极考察。当时他们试图回答：数百万年前，世界是什么样子的？

        然而，近关于南极的研究并不着眼于我们这个星球的历史，这是它的未来。

        德克萨斯理工大学生物科学系助理教授Natasja van Gestel正在研究气候变化如何影响那里的植物和微生物活动。
 

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        确实，目前南极只有不到1％的土地是无冰的，但是，这个数字正在增长。van Gestel博士正在研究的区域在1960年前后还被冰川所覆盖，但是现在，冰川已经消退了大约500m。随着冰川退缩，植物开始在这一地区生长。


图1 van Gestel博士在这里安装了美国METER公司制造的EM50数据采集器和气象土壤测量传感器


图2 美国METER制造的6通道数据采集器ZL6和一体式集成气象站ATMOS41安装在南极
 

        “我们有一个很好的时间序列，来研究植被覆盖与距离冰川远近的关系。”van Gestel说。“自1950年以来，南极洲的244个冰川中有近90％已经退缩，并且这一过程仍在持续。因此，时间顺序信息可以帮助我们预测其他区域（冰川未消退区）会如何应对气候变暖。”
 

图3 冰川消退进程记录（1963～2018）

        与研究生Kelly McMillen一起，van Gestel正在研究冰川消退区的整个环境梯度：从裸地到*被植被覆盖的区域。

        “我们发现了大约有100种苔藓以及两种维管束植物，南极发草和珍珠草（Antarctic hairgrass and Pearlwort）。”van Gestel说，“生产力高的区域位于利奇菲尔德岛（Litchfield Island），这是一个需要特殊许可才能进入的保护区。生产力低的区域距离冰川的边缘只有几米。虽然那里没有可见的植物，但土壤中的微生物是可以进行光合作用的。这些微生物是碳通量的重要贡献者。”
 

图4 生产力高的利奇菲尔德岛（Litchfield Island）所在位置


图5 冰川消退后岩石上开始着生地衣和苔藓

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        碳通量测量是van Gestel博士研究的重要组成部分。这有助于了解植物生产力梯度格局以及植物和微生物对气候变暖的响应。
 

图6 van Gestel博士使用美国LI-COR公司制造的LI-6800测量地表碳通量（1）
 

        “我们预计碳通量会随着植被覆盖度的增大而增加。”van Gestel说，“而且，微生物的数量也会增多。随着植被覆盖度的增大，它们的代谢活动会更高。同时，我们预期微生物的群落组成也会发生改变。”

        “相当多的微生物目前并不活跃，它们可能从其他地方被风吹来，处于休眠状态。但是一旦时机成熟，它们就会打破休眠。”

图7  van Gestel博士使用美国LI-COR公司制造的LI-6800测量地表碳通量（2）
 

        与此同时，van Gestel博士还开展了野外增温实验。这一实验用于确认微生物响应发生的速度。北亚利桑那大学的博士Alicia Purcell将使用一种称为定量稳定同位素探测（qSIP）的技术，这是由van Gestel的合作者——北亚利桑那大学Bruce Hungate发明的一种新方法。这种方法可以确定哪些微生物正在积极生长，以及生长的速度。

        van Gestel和McMillen使用可以在阳光下捕获热量的敞口加热室（Open-Top Warming Chambers），加热小面积的土壤和植被。这种方法的优势是，除温度以外的其他变量可基本保持和自然环境一致。
 

图8 敞口加热室（Open-Top Warming Chambers）制作与效果评估
 

        Van Gestel的研究团队沿生产力梯度，选取了四个研究站点，在每个站点上采集完整的土壤苔藓样本土核四个，然后向样本土核中添加水并放置在敞口加热室内。两个样品土核添加纯水，另外两个样品土核添加氧18重水。
 

图9 野外安置的敞口加热室（Open-Top Warming Chambers）

        “微生物活跃后将会吸收水，”van Gestel说，“那些重氧将被整合到他们的DNA中，从而使他们的DNA变得更重。我们可以根据DNA的重量变化来计算其生长速度。”

        终，这些研究将能回答：气候变化如何影响南极洲的植物和微生物？这些改变又如何影响该地区生态系统的碳平衡。

        “温暖的条件可能会使某些微生物受益，但不会使所有微生物受益。对植物来说也是如此。”van Gestel说。“我们预期微生物群落会发生改变。由于植物生长非常缓慢，因此短时间内较难确定植物群落的变化规律。为此，我们需要对植被覆盖进行长期定位监测。”

        “相对于对照地块，温暖地块的碳通量会更大。生态系统光合作用和呼吸速率都会有所增加，但哪一个组分增加的更多呢？因为这终决定了整个系统的净碳通量对气候变暖的反馈。”
 

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        “由于南极生态系统比地球上的其他生态系统更简单”，van Gestel说，“在这里的发现可以为生态系统的碳储存提供更多机制信息，进而对气候模型完善做出贡献。”

        “例如，微生物碳利用效率的温度敏感性如何？微生物利用一部分碳构建生命体，其余部分则通过呼吸作用消耗掉。那问题来了，温度变暖会使微生物更加浪费碳吗？微生物碳利用效率是气候模型中的一个重要参数。如果微生物的碳利用效率下降，那么更强的呼吸损失会导致更多的碳从土壤迁移到大气中，从而进一步加剧变暖。”