氣候變化對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(wei) 標題發表
原文作者：Glenys Young

        德克薩斯理工大學（Texas Tech University）在南極的學術研究曆史非常悠久。早在20世紀60年代，由Alton Wade領導的地質研究組就在南極考察。當時他們(men) 試圖回答：數百萬(wan) 年前，世界是什麽(me) 樣子的？

        然而，近關(guan) 於(yu) 南極的研究並不著眼於(yu) 我們(men) 這個(ge) 星球的曆史，這是它的未來。

        德克薩斯理工大學生物科學係助理教授Natasja van Gestel正在研究氣候變化如何影響那裏的植物和微生物活動。
 

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        確實，目前南極隻有不到1％的土地是無冰的，但是，這個(ge) 數字正在增長。van Gestel博士正在研究的區域在1960年前後還被冰川所覆蓋，但是現在，冰川已經消退了大約500m。隨著冰川退縮，植物開始在這一地區生長。


圖1 van Gestel博士在這裏安裝了美國METER公司製造的EM50數據采集器和氣象土壤測量傳(chuan) 感器


圖2 美國METER製造的6通道數據采集器ZL6和一體(ti) 式集成氣象站ATMOS41安裝在南極
 

        “我們(men) 有一個(ge) 很好的時間序列，來研究植被覆蓋與(yu) 距離冰川遠近的關(guan) 係。”van Gestel說。“自1950年以來，南極洲的244個(ge) 冰川中有近90％已經退縮，並且這一過程仍在持續。因此，時間順序信息可以幫助我們(men) 預測其他區域（冰川未消退區）會(hui) 如何應對氣候變暖。”
 

圖3 冰川消退進程記錄（1963～2018）

        與(yu) 研究生Kelly McMillen一起，van Gestel正在研究冰川消退區的整個(ge) 環境梯度：從(cong) 裸地到*被植被覆蓋的區域。

        “我們(men) 發現了大約有100種苔蘚以及兩(liang) 種維管束植物，南極發草和珍珠草（Antarctic hairgrass and Pearlwort）。”van Gestel說，“生產(chan) 力高的區域位於(yu) 利奇菲爾德島（Litchfield Island），這是一個(ge) 需要特殊許可才能進入的保護區。生產(chan) 力低的區域距離冰川的邊緣隻有幾米。雖然那裏沒有可見的植物，但土壤中的微生物是可以進行光合作用的。這些微生物是碳通量的重要貢獻者。”
 

圖4 生產(chan) 力高的利奇菲爾德島（Litchfield Island）所在位置


圖5 冰川消退後岩石上開始著生地衣和苔蘚

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        碳通量測量是van Gestel博士研究的重要組成部分。這有助於(yu) 了解植物生產(chan) 力梯度格局以及植物和微生物對氣候變暖的響應。
 

圖6 van Gestel博士使用美國LI-COR公司製造的LI-6800測量地表碳通量（1）
 

        “我們(men) 預計碳通量會(hui) 隨著植被覆蓋度的增大而增加。”van Gestel說，“而且，微生物的數量也會(hui) 增多。隨著植被覆蓋度的增大，它們(men) 的代謝活動會(hui) 更高。同時，我們(men) 預期微生物的群落組成也會(hui) 發生改變。”

        “相當多的微生物目前並不活躍，它們(men) 可能從(cong) 其他地方被風吹來，處於(yu) 休眠狀態。但是一旦時機成熟，它們(men) 就會(hui) 打破休眠。”

圖7  van Gestel博士使用美國LI-COR公司製造的LI-6800測量地表碳通量（2）
 

        與(yu) 此同時，van Gestel博士還開展了野外增溫實驗。這一實驗用於(yu) 確認微生物響應發生的速度。北亞(ya) 利桑那大學的博士Alicia Purcell將使用一種稱為(wei) 定量穩定同位素探測（qSIP）的技術，這是由van Gestel的合作者——北亞(ya) 利桑那大學Bruce Hungate發明的一種新方法。這種方法可以確定哪些微生物正在積極生長，以及生長的速度。

        van Gestel和McMillen使用可以在陽光下捕獲熱量的敞口加熱室（Open-Top Warming Chambers），加熱小麵積的土壤和植被。這種方法的優(you) 勢是，除溫度以外的其他變量可基本保持和自然環境一致。
 

圖8 敞口加熱室（Open-Top Warming Chambers）製作與(yu) 效果評估
 

        Van Gestel的研究團隊沿生產(chan) 力梯度，選取了四個(ge) 研究站點，在每個(ge) 站點上采集完整的土壤苔蘚樣本土核四個(ge) ，然後向樣本土核中添加水並放置在敞口加熱室內(nei) 。兩(liang) 個(ge) 樣品土核添加純水，另外兩(liang) 個(ge) 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）

        “微生物活躍後將會(hui) 吸收水，”van Gestel說，“那些重氧將被整合到他們(men) 的DNA中，從(cong) 而使他們(men) 的DNA變得更重。我們(men) 可以根據DNA的重量變化來計算其生長速度。”

        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生態係統的碳平衡。

        “溫暖的條件可能會(hui) 使某些微生物受益，但不會(hui) 使所有微生物受益。對植物來說也是如此。”van Gestel說。“我們(men) 預期微生物群落會(hui) 發生改變。由於(yu) 植物生長非常緩慢，因此短時間內(nei) 較難確定植物群落的變化規律。為(wei) 此，我們(men) 需要對植被覆蓋進行長期定位監測。”

        “相對於(yu) 對照地塊，溫暖地塊的碳通量會(hui) 更大。生態係統光合作用和呼吸速率都會(hui) 有所增加，但哪一個(ge) 組分增加的更多呢？因為(wei) 這終決(jue) 定了整個(ge) 係統的淨碳通量對氣候變暖的反饋。”
 

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        “由於(yu) 南極生態係統比地球上的其他生態係統更簡單”，van Gestel說，“在這裏的發現可以為(wei) 生態係統的碳儲(chu) 存提供更多機製信息，進而對氣候模型完善做出貢獻。”

        “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建生命體(ti) ，其餘(yu) 部分則通過呼吸作用消耗掉。那問題來了，溫度變暖會(hui) 使微生物更加浪費碳嗎？微生物碳利用效率是氣候模型中的一個(ge) 重要參數。如果微生物的碳利用效率下降，那麽(me) 更強的呼吸損失會(hui) 導致更多的碳從(cong) 土壤遷移到大氣中，從(cong) 而進一步加劇變暖。”