作者:黄园园等 来源:《自然—地球科学》 发布时间:2023/12/5 11:38:11
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解码自然的气候护盾:植物多样性稳定土壤温度

 

在应对极端天气事件方面,最新研究揭示了一项自然解决方案,有助于减缓气候变化对我们的影响。来自德国综合生物多样性研究中心(iDiv)、莱比锡大学、耶拿弗里德里希·席勒大学(FSU)以及其他研究机构的科学家们发现,高植物多样性可以充当对土壤温度波动的缓冲器。这一缓冲作用对于关键的生态系统过程具有重要意义。研究结果以“Enhanced stability of grassland soil temperature by plant diversity”为题,于北京时间2023年12月5号发表于Nature Geoscience

iDiv的博士后黄园园为论文通讯作者。黄园园博士和FSU的博士研究生吉迪恩·斯坦(Gideon Stein)为论文共同第一作者。

土壤温度在控制一些关键的生态系统过程中扮演着核心角色,包括水、碳和养分动态、微生物活动以及农业生产。然而,迄今为止,尚未有研究专门调查植物多样性是否能在植物群落长期发展过程中缓冲土壤温度波动。

他们的研究展示了从2004年到2021年在一个大型草地的生物多样性实验——耶拿实验中收集的一组全面的数据结果。实验地点包括80个地块,种植有一到六十种不同的植物。此外,四个未种植的土壤地块和两个未受控制的植被地块提供了重要的参照点。在这18年的时间里,土壤温度在五厘米和十五厘米深度以一分钟的间隔自动记录。实验的科学协调员安娜·埃贝灵(Anne Ebeling)博士说:“我们刚刚庆祝了耶拿实验的20周年。在这20年中,我们经历了许多极端天气事件,包括持续的干旱、2013年的大洪水和异常寒冷的春天。” 该研究的共同第一作者吉迪恩·斯坦(Gideon Stein)进一步指出:“观察耶拿实验的温度数据中记录的历史事件是十分有趣的。”

图1 耶拿实验样地土壤温度测量系统(Controller Area Network)地上的电缆数据记录箱背面。照片由卡尔·库勒(Karl Kübler)于2020年4月17日拍摄。

图2 耶拿实验样地土壤温度测量系统(Controller Area Network)地上的电缆数据记录箱正面。照片由卡尔·库勒(Karl Kübler)于2020年8月14日拍摄。

图3 耶拿实验样地土壤温度测量系统(Controller Area Network)地上的电缆数据记录箱内部。照片由卡尔·库勒(Karl Kübler)于2003年5月7日拍摄。

“这项实验对长期、高分辨率数据的独特分析提供了有力的证据,证明了植物多样性作为自然缓冲器的作用,可以在面对气候极端情况时为生态系统提供稳定性,”黄园园强调。在这18年的时间里,植物多样性表现出了在炎热天气中保护土壤不过热,并在寒冷时期帮助保留热量的显著能力。

在夏季,特别是在气温特别高的日子里,拥有60种植物的植物群落的土壤温度比无植物地块低5.04摄氏度。这个差异超过了同一时期的单一栽培和未种植的裸露土壤之间温度差异的两倍多。然而,在气温特别低的日子里,60种植物的群落土壤温度比无植物地块高1.48摄氏度,在这种情况下几乎是单一栽培和未种植的裸露土壤之间差异的近五倍。研究人员得出结论,植物多样性可以全年稳定土壤温度。这种效果随着实验时间,即植物群落的发展而加强,而且在最恶劣的气候条件下,如酷热的天气和干燥的年份,效果更加明显。

图4 每个季节的每日土壤温度差异的时间动态。a,不同播种植物多样性水平(1、2、4、8、16、60)下,有植被地块与裸露土壤之间的土壤温度差值。b,不同播种植物多样性水平(1、2、4、8、16、60)下,有植被地块土壤温度与空气温度之间的差值。

该研究同时调查了植物多样性稳定土壤温度的原因。植物多样性不仅增加了地上植物的总叶面积,导致更大的遮阴,从而缓解了空气中的气温变化向地下的传导。此外植物多样性还能增加地下土壤的有机碳含量,从而增强了土壤孔隙度。而较高的土壤孔隙度可以减小热扩散率。因此,较高的土壤有机碳可以使温度变化较慢地通过热传导传递到更深的土壤层。因此,相较于植物多样性较低的植物群落,土壤温度在高植物多样性下,在整个年度和整个表层土壤中都更加稳定。

图5 探讨植物多样性通过影响植物叶面积指数和土壤有机碳,从而影响年内土壤温度稳定性的结构方程模型。实心的白色和蓝色箭头分别代表正向和负向的标准化路径系数,虚线箭头表示植物多样性和SPEI(标准化降水蒸发指数)之间的交互作用。双头箭头表示协方差,它们被包括在模型中以考虑变量之间的相关性。标准化路径系数显示在每个路径旁边,显著路径的宽度按标准化路径系数进行缩放。在该模型中,所有路径都是显著的。在相应的方框中报告了条件R2(基于固定效应和随机效应)。

这些发现具有深远的影响。在温带草地及其他地方,植物多样性提供的土壤温度稳定性可能对缓解极端气候事件的负面影响至关重要。这包括土壤中碳的分解和其释放到大气中。据研究人员称,这种自然机制还有可能减缓全球变暖的过程。

“我们的研究揭示了植物多样性作为一道抵御气候变化的保护屏障的卓越能力。这为保护环境、确保生态系统的可持续未来以及维护和促进生物多样性的重要性提供了强有力的证据,”研究组教授、耶拿实验发言人尼科·艾森豪尔(Nico Eisenhauer)表示。他补充道,这项研究不仅深化了我们对生物多样性关键作用的理解,也为持续抵御气候变化的努力提供了积极的前景。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41561-023-01338-5

 
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