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Nature Geoscience 最新文章解码自然的气候护盾！植物多样性增强草地土壤温度稳定性

news 2024/11/17 21:46:26

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近日，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基于连续18年的草地生物多样性实验揭示了植物多样性能增强草地土壤温度稳定性。研究结果于2023年12月4号以题“Enhanced stability of grassland soil temperature by plant diversity”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Gideon Stein为论文共同第一作者。

iDiv相关研究：Nature | 德国研究团队基于7738个样地长期的植被覆盖变化监测发现德国植物多样性过去近100年的损失大于收益；Nature Communications 最新综述 | 土壤碳固存的复杂性：矿物结合有机物& 颗粒有机物；Nature Communications | 生物多样性动态变化中的马太效应：狭域种分布收缩而广布种分布扩张；Science Advances | 古气候变化对全球树木多样性的影响

极端天气事件的发生越来越频繁，研究表明植物多样性可以通过提高植物生产力和生态系统稳定性来帮助减轻气候变化的影响。虽然土壤温度及其稳定性是基本生态系统过程的关键决定因素，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。

基于此，该研究团队从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，植物多样性(由播种物种丰富度描述)范围为1至2、4、8、16和60，以及4个裸土样地和2个自由演替样地。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5cm和15cm深度以一分钟的间隔自动记录，将其转换为30分钟的分辨率进行分析。这个广泛的时间序列使我们能够探索植物多样性在不同时间尺度上对土壤温度波动的缓冲作用。具体而言，我们重点研究了土壤缓冲的两个方面:(1)植被和非植被样地在各个时间点的土壤温度波动;(2)土壤温度的日稳定性和年稳定性。这些分析揭示了植物多样性对土壤温度调节的动态特性。

图1 各季节30分钟尺度土壤温度波动的日时间格局

结果发现：植物多样性具有天然的缓冲作用，可以在炎热天气中防止土壤升温，在寒冷天气中防止土壤降温。这种多样性效应全年持续，随着实验群落的老化而加剧，在极端气候条件下，如炎热或干旱年份，这种效应甚至更强。利用结构方程模型发现植物多样性通过增加土壤有机碳浓度来稳定土壤温度，并且在较小程度上增加植物叶面积指数。该研究结果表明，在低地草原，多样性诱导的土壤温度稳定可能有助于减轻极端气候事件(如土壤碳分解)的负面影响，从而减缓全球变暖。

综上所述，本研究揭示了植物多样性对土壤温度调节的深远影响，强调了其在维持土壤稳定性和增强生态系统恢复力方面的重要性。本研究结果揭示了植物多样性对土壤温度在时间尺度上的稳定作用，包括30分钟、每天和每年的分辨率。此外，本研究结果表明，这种影响在整个长期群落发展中会被放大。植物多样性对土壤温度稳定性的影响在炎热年和干燥年分别强于中温年和正常年。植物多样性对土壤温度的缓冲作用揭示了植物多样性减少极端天气事件对土壤温度的影响，从而保护土壤免受热、干旱胁迫和冻害的机制。未来的气候模型应纳入这些植物多样性对土壤的影响，以改善气候对自然生态系统影响的预测。研究证明了植物多样性通过增加低地草地的地上植物的总叶面积和土壤有机碳含量来增强土壤温度稳定性。然而，值得注意的是，在其他生态系统中，如高山草原或森林，植物多样性对温度缓冲的机制可能不同，因此需要进一步研究。进一步研究考虑物种丰度变化和物种灭绝的影响，或其他潜在的混杂变量，可能会进一步提高我们对植物多样性对土壤温度稳定性影响的理解。

本研究结果强调了利用植物多样性作为基于自然的气候变化缓解解决方案的潜力。鉴于许多生物过程(如微生物或大型生物活动、植物根系生长)、化学过程(如阳离子交换能力、土壤碳和有效养分、土壤pH值)和物理过程(如土壤结构、团聚体稳定性、土壤水分)关键地依赖于土壤温度及其短期或长期稳定性，维持一个更稳定的土壤环境可以帮助减缓潜在的积极气候反馈效应。这也强调了植物多样性作为一种重要的生态系统属性，有助于持续提供多种生态系统功能。