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Science: 多种全球变化因子在驱动土壤功能与微生物多样性过程中的作用

知今 Ad植物微生物 2022-11-03
Science发表了题为“The role of multiple global change factors in driving soil functions and microbial biodiversity”的研究论文。柏林自由大学( Freie Universität Berlin)的Matthias C. Rillig为本论文的第一作者和通讯作者。
土壤是陆地生态系统功能的基础,但它们面临着许多人为的压力。尽管土壤具有重要的生态作用,但我们对土壤如何应对两种以上的环境因子仍知之甚少。本研究通过实验表明,同时增加全球性的变化因子(最多10个)导致土壤性质、土壤过程和微生物群落的方向性变化越来越大,尽管在预测变化幅度方面存在较大的不确定性。此论文为研究多因子变化对全球环境影响的实验设计提供了一个高效、广泛适用的实验蓝图。
 全球环境变化是多因子影响的结果,多种环境因子的同时作用使预测效果具有很大的不确定性。土壤受多种因子影响,但我们不知道这些因子协同作用时的效果。了解土壤是很重要的,因为它们提供了一系列的生态系统功能,包括碳储存,并且是农业和可持续管理的核心。为了应对全球变化的多种驱动因子的影响,生态学家使用了许多工具,包括:观测方法,如研究复杂的环境梯度、长期时间序列和建模。然而,在生态学方法中,实验发挥着关键作用,因为它们有助于确定驱动因子和反应之间的因果关系。鉴于土壤所经历的多重压力,我们首先调查了生态学家是如何从实验角度来研究土壤的全球变化的。我们进行了系统的调查(图1),筛选了关于全球变化因子影响土壤生物群落和过程的实验研究的文献。对于调查的每一篇论文(在筛选的4202篇论文中,有1228篇论文符合我们的标准),我们统计了全球变化因子的实验研究的数量。大约80%的论文只研究了单一因子,19%的研究探究了两个因子的相互作用,只有极少数论文 (<2%)测试了三个或更多因子的影响。
因此,尽管全球变化涉及多个环境因子,但土壤生态学家通常只进行了同时改变一个或两个因子的实验(图1A),这种模式没有显示出随时间变化的迹象(图1b)。这些研究是由某些因子 (例如,施肥,图1C)和某些因子的组合主导的 (图1D)。这些研究模式形成了我们目前土壤和生态学的知识体系,但也很明显,解决多个因子的相互作用的主要工具--因子实验--开始打破过去这种研究模式。

图1. 关于全球变化因子的土壤生态学实验文献数量的调查结果,包括:1957年至2017年的情况。(A)全球变化因子的实验研究的数量的频率分布。(B)在过去的50年中,给定因子的实验研究的数量。(C)综合 1到4个因子的研究的数量。(D)网络图描绘了实验研究中全球变化因子的共现情况,其中圆圈大小代表驱动因子被纳入研究的频率,线条粗细代表驱动因子作为组合因子被测试的频率。

本研究通过实验表明,越来越多的全球变化因子会引起土壤特性、过程和微生物群落的定向变化,但预测变化的幅度仍然具有挑战性。本文综合考察了多个环境因子对土壤的影响。本研究使用10个全球变化因子,从中随机选择一个因子数递增的梯度,即2个、5个、8个和10个因子,每个因子重复10次,从而测试生物多样性和生态系统过程的模式是否沿着因子数呈现出一致的方向性趋势(图2)。我们测试了非生物因素(包括温度)、资源可利用性、化学毒物和化合物(无机和合成有机物),以及一种物理变化剂(微塑料)。

图2. 全球变化因子本身就可以预测生物多样性和生态系统过程变化的一般趋势的研究的数量。(A)此图表示本研究的假设,即生物多样性和生态系统过程随着环境因子的数量表现出一致的方向性变化(B)此图表示了这一假设背后的原理,即随着环境因子数量的增加,这些因子可能会越来越多地影响不同的成分(互补效应),因子之间可能会相互影响,从而加强其效应(因子相互作用效应)。


图3.
单一和多个全球变化因子(2、5、8和10个交互因子)对土壤特性的影响

图4.单一和多个全球变化因子(2、5、8和10个交互因子)对土壤真菌群落的影响

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