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成都生物所揭示豆科作物缓解干旱对花椒人工经

发布时间:2019-07-09 15:09编辑:科学浏览(118)

    热带森林覆盖着地球表面的10%,占有着陆地碳库的25%和1/3的净初级生产力,相比于其他植被,热带森林与大气交换更多的CO2,是全球碳循环重要的组成部分。然而,人为引起的气候变化,尤其是频度、持续时间以及强度逐渐增加的干旱将会削弱热带森林碳库,并会反作用于未来的气候。如何更好地了解气候变化影响热带森林固碳效应的机制和过程也就显得十分迫切。

    野生动物如何应对气候变化可能很复杂。为了更好地了解气候变化对内华达山脉地区鸟类群落的影响,今天蓝点保护科学发布的新研究调查了最近极端干旱对鸟类的影响。由于树皮甲虫的袭击,干旱导致松树普遍死亡,可能影响野生动物栖息地。虽然结果各不相同,但研究人员发现许多鸟类对与干旱有关的气候条件作出了积极反应,可能抵消了死树对生境的负面影响。

    近日,在线发表于国际重要学术期刊《英国皇家学会学报B》上的研究论文揭示,增加植树造林树种多样性将显着提高森林生态系统碳储量。这项研究成果由中国科学院植物研究所牵头,联合德国和瑞士的生态学家组成大型国际团共同完成。

    在气候变化背景下,极端干旱发生的频率和强度不断增加,已导致全球森林生态系统中树木大量死亡,严重影响了生态系统的结构和碳平衡。因此,研究树木的抗旱及其生态适应性管理技术对应对全球气候变化的负面扰动具有很重要的现实意义。

    金莎娱乐,干旱的发生会威胁到热带森林的生物多样性,改变森林群落的物种组成。干旱还能直接引起树木水利传导失败或通过引起火灾间接导致热带森林树木的死亡,降低树木的生长。此外,分子和细胞生物学研究也揭示了树木对干旱的响应机制。然而,热带森林对干旱的响应机制和过程仍然存在一定的研究局限。中国科学院西双版纳热带植物园生物多样性保护研究组的科研人员Richard T Corlett通过综述近些年从分子、细胞、组织、个体、物种、群落以至景观尺度上对气候变化引起的干旱的响应性研究,指出综合考虑现有的研究成果将极大地改善模型预测能力。该综述以The Impacts of Droughts in Tropical Forests 为题发表在国际期刊《植物科学趋势》(Trends in Plant Science)上。

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    据有关专家介绍,这项研究通过6年的综合监测,证明树种多样性可促进森林碳通量和碳储量;树种多样性对森林6个不同组分碳储量增加都有积极作用;从减缓气候变化角度考虑,混交林比纯林好,天然林比人工林好。

    极端干旱将会扩大空间和时间上土壤水分和物理状况的波动,进而影响植物生长、土壤可利用资源和土壤生物。科学家正致力于稳定土壤生物群落和生态系统过程来维持目标物种的养分吸收,从而提高目标物种的生长,抵抗干旱的危害。

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    在干旱期间气候条件和物种对这些条件的反应与未来可能发生的相似的假设下,研究人员评估了45种物种的温度,水分亏缺和树木死亡率对鸟类丰度的影响。然后,研究人员使用这些模型预测到2050年气候变化对鸟类群落的影响。

    气候变化带来的全球变暖问题是当前人类最关心的问题之一,其中碳的释放、固存及周转备受关注。而森林生态系统由于能在短时间内吸收和释放大量碳,并能在较长时间内累积大量碳,是全球碳循环非常重要的组成部分,森林碳占陆地碳库比例可达45%之多。我国拥有大面积的亚热带森林,其物种极其丰富,被认为是全球主要的潜在碳汇。同时,我国也一直在为减缓全球变暖积极努力。过去30多年来持续且大规模的植树造林,成效显着,南方一些省份的人工林面积已经与天然林相当。

    花椒(Zanthoxylum bungeanum)作为我国重要的经济树种,广泛种植于云南、贵州、重庆、四川、陕西、甘肃等省市适宜区域,对当地农牧民增收和脱贫致富起着重要的作用。科学合理经营花椒人工林,提高其稳定性和经济效益,延长花椒产业链是精准扶贫和乡村振兴战略实施的重要抓手。花椒在气候波动下尤其是极端干旱、极端降雨的情况下,生长不良、甚至死亡。中国科学院成都生物研究所生态过程与生物多样性保育学科团组潘开文课题组前期对花椒农林复合系统进行了较为系统的研究,发现花椒间作大豆复合系统可提高目标树种花椒对极端降雨的适应能力及恢复力,有利于应对极端降雨的负面干扰。

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    “当我们开始研究时,我们最初并不认为它会产生'气候论文',”Point Blue的禽类森林生态学家,该研究的首席研究员L. Jay Roberts说。“我们的假设是,由于干旱造成的大规模树木死亡,鸟类数量会下降。我们真的很惊讶在干旱之后看到积极的鸟类数量,并寻求解释。然后,结果开始有意义当我们在气候数据中加入时,看到鸟类对温暖的气温反应更积极,而不是受到死树和干燥环境的负面影响。

    从固定二氧化碳减缓气候变化的角度考虑,究竟种植什么样的树、培育什么样的森林更好,一直存在争议。这主要是因为物种多样性高与低的森林之间的碳通量和碳储量的差异以及背后的机制尚不清楚。因此,厘清物种多样性对森林碳储量和碳通量的影响及其机制,对于森林管理和保护具有极其重要的意义。

    成都生物所博士研究生孙锋在导师潘开文的指导下,针对岷江上游地区花椒间作大豆、花椒间作苜蓿、花椒间作辣椒、花椒单作等4种花椒农林复合系统开展人工模拟干旱试验,系统研究了干旱后不同花椒农林复合系统对土壤微食物网恢复力的影响过程及其机制。结果表明,干旱对花椒单作和混作的土壤微生物量没有显著影响,但其显著增加了土壤微生物抗性指数。在花椒间作苜蓿系统中,干旱显著增加了线虫总密度,以及植食线虫、食真菌、食细菌线虫密度;而在花椒间作大豆系统中,干旱显著降低了土壤线虫总密度、食细菌和食真菌线虫密度。在干旱胁迫下,花椒间作苜蓿系统中,花椒叶片氮含量显著高于花椒单作和其他混作系统,这主要是因为其有较高的微生物活性和净氮矿化率。研究发现,相邻作物抗性特征的差异具有加和效应,并迅速反映在不同的土壤生态系统进程和目标物种的养分吸收上。在干旱条件下,特定豆科植物间作管理,通过保持土壤生态系统进程可以稳定目标物种正常生长。此外,研究还表明,豆科植物在农业间作中的有效性取决于所涉及的豆科植物的特异性,并可能在未来的气候条件下受到不同的影响。就该研究而言,在干旱胁迫下,花椒间作苜蓿,可以通过苜蓿对土壤水分的重新分配、固氮等作用,稳定土壤生物过程,减少干旱对土壤氮转化的影响,为花椒提供充足的矿质氮;花椒通过吸收更多的氮,启动生理生化抗旱机制,从而提高抵抗干旱的能力,减少干旱对其生长的负面影响。这一发现不仅为花椒间作系统的构建和可持续经营管理提供了重要依据,也为树木尤其是经济林应对干旱胁迫提供了新的思路,即通过构建高效的复合生态系统来应对干旱的负面干扰。

    处于干旱中的热带森林垂直剖面

    总体而言,在干旱期间,研究区域的鸟类总数有所增加,并且由于未来气候条件较温暖,模型的数量也相似。该研究中近一半的物种对温度升高反应积极,而只有20%的物种下降。大约三分之一的物种因缺水率上升而下降,而三分之一的物种增加。然而,许多受益于温度升高的物种也对高水分亏缺和树木死亡率敏感。因此,他们对未来气温升高的积极反应可能会被干旱或栖息地变化所抵消。

    由中国科学院植物研究所的生态学家与德国、瑞士的生态学家组成的大型国际团队,对位于浙江省开化县古田山国家级自然保护区内不同演替阶段的森林开展了树木多样性和林龄与森林碳通量和碳储量关系的研究。他们选择从3个树种到20个树种组成的不同森林群落,林分年龄从22年到116年,共建立了27个固定样地,进行连续6年的全方位综合监测。监测项目分为:通过地上木本植物碳、地上草本植物碳、地表枯落物碳、枯死木碳、根系碳和土壤碳监测碳储量,通过地上生物量碳增量、枯落物碳动态、枯死木碳动态和土壤呼吸4个方面监测碳通量。

    该研究获得国家重点研发计划项目(Grant No. 2016YFC0502101和2017YFC0505000)的支持和国家自然科学基金项目(Grant No. 31370632和31500517)资助。近日以Specific legumes allay drought effects on soil microbial food web activities of the focal species in agroecosystem 为题在线发表于国际期刊Plant and Soil,。

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    虽然甲虫死亡导致研究区域的活树覆盖率普遍下降,但对禽类群落的短期影响相当温和。研究人员发现,大约三分之一的物种因树木死亡率高而下降,但相对于气候变量的影响,这些下降的幅度很小。如果有更多的时间,一些利用死树的物种,如啄木鸟和其他洞穴的巢穴,可能会增加。由于丰富多样的鸟类群落仍然栖息在森林中,受到死亡率的影响,森林管理者在制定管理响应时应考虑这种潜在的重要生物多样性。

    研究结果表明,与物种多样性相对低的森林生态系统相比,物种多样性高的森林生态系统不仅具有更快的碳循环速率,而且在植物茎干、根系、地表凋落物、枯死木和土壤的各个地上和地下部分,都能储存更多的碳。随着林龄增加碳储量随之增加,随着树种的增加,总碳储量也随之增加。也就是说,树种多样性能够促进森林碳循环和碳储量。计算结果表明,如果我国的植树造林能够多采用更多植物种类的混交林,而非快速生长的单一纯林,每年增加的89万公顷的人工林一年可能会从大气中额外固存约3亿美元的碳,将会大大增加对减缓全球变暖的贡献。改变植树造林策略,也将有助于我国森林生物多样性的管理和保护。

    论文链接

    已提出的干旱影响树木生长和死亡率的相关机制

    “我们真的很幸运能拥有如此丰富的数据集,”罗伯茨说。“与森林管理局合作开展这项生物区域监测项目,我们进行了九年的严格观察,这使我们能够回答这一重要的新兴保护问题。”

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    最近干旱和树木死亡的全部影响仍在继续。“我们知道这是一场极端干旱,”罗伯茨说。“然而,鉴于气候模型预测未来将出现更多这样的干旱,看到许多鸟类对这些变化有多大的抵抗力以及干旱不会导致生物多样性的普遍丧失,这有点令人欣慰。尽管如此,对许多物种仍有很多负面影响,而且一些气候预测指出的极端气温超出了我们在干旱期间观察到的极端温度。

    花椒农林复合生态系统

    “如果温度更高,我们真的不知道物种会如何反应,”罗伯茨说。

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    “很可能是温度或降水阈值,我们无法测试,可能导致更多物种的下降。”

    四种花椒间作系统中各变量对叶片氮浓度的响应

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