水分可利用性塑造了土壤生物多样性和多功能性的全球阈值

作者：封丘站   更新时间：2023-05-16

        土壤支持着地球上很大一部分的生物多样性，并维持着对人类福祉至关重要的多种生态系统功能。已知环境阈值可以控制全球植被模式，但它们是否可以用于预测全球生物群落中土壤生物的分布和功能，目前尚不清楚。

        本研究通过对383个不同气候和植被条件的地点进行全球实地调查，发现土壤生物多样性和功能在全球范围内表现出普遍的非线性模式，主要受水资源可用性（降水和潜在蒸散）的控制。

        水资源可利用性的变化导致土壤生物多样性（细菌、真菌、原生生物和无脊椎动物）和土壤功能的急剧变化，包括植物与微生物的相互作用、植物生产力、土壤生物地球化学循环和土壤固碳。

        本研究强调，特定的水资源可用性阈值可能会对提供维持地球所需的基本生态系统服务产生重大影响。

        评估了全球陆地生态系统中多种土壤生物多样性和功能分布的环境阈值的存在。没有采用受土壤采样和分析方法异质性影响的最常用的荟萃分析方法，而是对来自六大洲的383个地点进行了全球标准化实地清查——包含了各种气候（干旱、温带、热带、大陆和极地）和植被类型（森林、草原和灌木林）（图1）。到目前为止，还没有使用标准化的观测方法来评估全球多种土壤生物多样性和功能分布的环境阈值的全球研究。

        本研究共收集了12个营养级土壤分类群丰富度的plot-level信息，包括细菌、真菌、原生生物和无脊椎动物（补充表1）。使用物种丰富度（使用标记基因测序方法生成的零半径操作分类单元（zOTU）的数量）作为多样性度量。还获得了一套12种代表土壤函数（种群和过程）的数据，这些函数对应于生态系统服务的关键组成部分——水调节、营养循环、有机物分解、植物生物量生产和植物-微生物相互作用，包括病原体控制和互利共生（补充表2）。

        通过在广泛的环境梯度中呈现出多个土壤类群和功能的普遍非线性，本研究结果极大地扩展了陆地生态系统突变的当前框架。本研究确定了一系列与土壤生物多样性突然下降相关的水有效性阈值，从较大的真核生物到较小的原核细菌。

        此外，作者发现，水分胁迫下的土壤功能经历了三阶段的破坏，其特征是植物-微生物相互作用、植物生产力和土壤生物地球化学循环以及土壤有机碳含量的突然下降。作者提出，这种阈值行为既直接受水胁迫的控制，也间接受沿途植被变化的控制。

        总的来说，本研究的全球调查强调了水资源可利用性在控制全球土壤生物多样性和功能方面的实质重要性，并表明进一步的水资源限制可能会改变土壤生物提供的生态功能，在某些情况下可能导致生态系统崩溃。

图1 本研究所包括的383个土壤样本地点的位置图

图2 水分有效性与土壤类群多样性以及其他环境因素之间的非线性关系

图3 土壤功能与水分有效性之间的关系

图4 环境因素在推动土壤生物多样性分布方面的重要性

图5  环境因素在推动土壤功能分布方面的重要性

         论文链接：https://www.nature.com/articles/s41559-023-02071-3