Science:干旱加剧导致生态系统发生结构性变化|研究

来源：土壤观察

导  读

全球干旱/半干旱区（旱地）的面积约占陆地总面积的45%。由气候变化引起的干旱日益加剧，将有可能影响到旱地生态系统的结构和功能属性。然而，干旱化是否会导致生态系统发生渐进性（相对于突变性）和系统性（相对于特异性）的转变还尚不清楚。

对此，研究人员从实验室测量、田间调查、地图插值和遥感影像中收集了>50000个不同层次（从个体到生态系统）的数据点，构建起了一个全球数据集，进而研究了全球旱地20个生态系统结构和功能属性对干旱增强的响应。

研究发现，干旱化导致了多个生态系统属性发生系统性和突变性的变化。这些变化依次发生在三个阶段，分别是在干燥度达到0.54、0.69和0.83时，植被生产力、土壤肥力、植被覆盖度和丰富度会发生突变性衰退。到2100年，预计有超过20%的地表将会越过其中的一个或几个阈值，造成全球范围的土地退化和荒漠化；而地球上有20多亿人生活在干旱/半干旱区，因此我们应立即采取行动，以降低干旱化对旱地生态系统服务供给的负面影响。

原文信息

标题：Global ecosystem thresholds driven by aridity

期刊：Science

类型：Report

作者：一作&通讯：Miguel Berdugo【Instituto Multidisciplinar para el Estudio del Medio “Ramón Margalef,” Universidad de Alicante】

时间：2020-2-14

DOI：https://doi.org/10.1126/science.aay5958

Fig.2 | 多个生态系统属性对干旱的非线性响应。NDVI(A)、叶氮含量(B)、土壤有机碳(C)、植物对土壤有机碳的效应(D)、植被覆盖度(E)和植物物种丰富度(F)的干旱阈值。

第二阶段：土壤失调 随着干旱程度的不断增加，旱地生态系统会进入一个“土壤失调”阶段。当干燥度>0.7时，多个生态系统结构和功能属性发生变化，如有机碳、总氮和粘土含量、团聚体的稳定性和真菌功能群的相对丰度（Fig.2C）下降。土壤养分下降可能与上一阶段的植物源性有机物输入减少有关（Fig.2B）。植物冠层对土壤有机碳的积极作用急剧下降（Fig.2D），以及腐生真菌相对丰度的降低——腐生真菌是旱地“肥岛效应”形成的关键驱动力——进一步支持了这一观点。除此之外，在这一阶段，植物-植物之间积极的互作的频率下降，植被从草原和稀树草原转变为灌木丛（因为灌木丛更适合营养贫瘠和沙质土壤）；植被对气候波动的总体敏感性急剧下降，可能是深根系的灌木对季节性干旱的敏感性降低。

第三阶段：生态系统崩溃 最后，随着干旱继续增强，旱地会进入一个“生态系统崩溃”阶段。当越过0.8的干旱阈值，大多数植物物种无法在这种极端缺水和养分匮乏的环境下生存，造成植物物种丰富度和植物覆盖率急剧下降，反照率呈指数增长（Fig.2E&F）。研究还发现土壤中动物病原真菌的相对丰度突然增加，这可能导致真菌疾病的发病率大增，从而加重负面影响。

在RCP8.5情景下，到2100年，预计有高达22%的地表（当前旱地面积的28.6%）将至少越过一个干旱阈值，进入三个衰退阶段中的一个（Fig.3）。因此，这些地区面临着生态系统功能和结构属性迅速下降的高风险。尽管部分地区（干燥度>0.8）的反照率增加可能会影响地球表面的能量平衡，并部分缓解全球变暖；然而这些变化将使这些地区无法维持目前的动物和人类数量，对全球人类福祉产生根本和消极的后果。

Fig.3 | 全球旱地生态系的气候变化脆弱性。在RCP8.5情景，到2100年，预计跨域1个或多个干旱阈值的区域。未着色区域不属于旱地。

总结

研究表明，生态系统的功能和结构对干旱加剧的非线性响应遵循一系列连续的阈值。研究首次确定了以连续干旱阈值为特征的三个生态系统发生剧变的阶段，为生态系统变迁提供了一个良好的科学框架，可以激发新一代多尺度模型研究来探索生态系统对气候变化的响应。研究结果还为今后探索所调查的生态系统变量的时间变化奠定了基础，特别是在未来可能超过干旱阈值的地区，并将重点放在确定潜在的灾难性变化和预警指标上。最后，本研究还可以为干旱/半干旱区建立有效的适应和缓和气候变化的行动方针提供科学指导，以维持旱地生态系统服务功能和供给能力。