地球的"活皮肤" - 生物土壤结皮受到气候变化的威胁

地球的"活皮肤"-生物土壤结皮受到气候变化的威胁共焦扫描激光显微镜拍摄的生物簇截面图。土壤颗粒呈现出深浅不一的灰色，而蓝藻丝束（荧光红色）则位于土壤颗粒之间。资料来源：宾夕法尼亚州立大学研究人员最近在《微生物学前沿》（FrontiersofMicrobiology）杂志上发表了他们的研究成果。研究小组负责人、宾夕法尼亚州立大学土壤与环境微生物学助理教授埃斯特尔-库拉多（EstelleCouradeau）说："生物簇目前覆盖了地球陆地表面约12%的面积，由于气候变化和土地使用的加剧，我们预计它们将在65年内减少约25%到40%。我们希望这项工作能为了解支持生物结壳抵御快速变化的气候模式和更频繁干旱的微生物功能铺平道路。"生物土壤板结是生物的集合体，在土壤中形成一个常年、组织良好的表层。它们分布广泛，遍布各大洲，只要缺水限制了普通植物的生长，让光照进入裸露的土壤，它们就会出现。但仍有足够的水支持微生物的生长，这些微生物提供宝贵的生态系统服务，如从空气中吸收碳和氮并将其固定在土壤中、循环利用养分以及将土壤颗粒固定在一起，从而有助于防止尘土飞扬。宾夕法尼亚州立大学研究生瑞安-特雷克斯勒（RyanTrexler）从野外采集生物菌核，然后带回实验室进行研究。图片来源：宾夕法尼亚州立大学Couradeau认为，这种土壤稳定功能非常重要，它能使土壤凝结成块，不会分解成灰尘，从而减少水土流失。她的研究小组现在宾夕法尼亚州立大学农业科学学院工作，十年来一直在深入研究生物簇。她说："大多数灰尘都是在旱地产生的，而研究表明，旱地中生物簇的存在大大减少了原本会进入大气层的灰尘量。我们认为，失去生物壳会导致全球尘埃排放量和沉积量增加5%到15%，这将影响气候、环境和人类健康。"在存在生物簇的半干旱地区，生物--微小的苔藓、地衣、绿藻、蓝藻、其他细菌和真菌--可能一年只经历几次雨雪天气，带头进行这项研究的生态学和生物地球化学跨学院研究生学位项目的博士候选人瑞安-特雷克斯勒解释说。他说："土壤干燥时，土壤中的微生物大多处于休眠状态，不会做什么。但是，一旦它们感知到水，就会在几秒到几分钟内迅速复苏。它们会积极制造叶绿素，固定碳和氮，直到土壤再次干燥--然后微生物再次休眠。每次下雨，它们都会经历活动周期。"犹他州摩押附近科罗拉多高原的景色，秋季降雨后，土壤湿润，足以激活微生物，因此在这里采集了生物簇样本。资料来源：宾夕法尼亚州立大学为了研究生物簇，研究人员从犹他州摩押附近科罗拉多高原上三块未受干扰、以蓝藻为主的生物簇中采集了样本。生物簇样本是在秋季降雨后采集的，雨水充分湿润了土壤，从而激活了微生物。样本随后被烘干并保存在黑暗中，然后在研究后期重新浸湿。特雷克斯勒说："我们取样的地方被称为'寒冷沙漠'，因为那里非常干旱，但冬天有时会下雪。因此，那里不像其他许多干旱地区那样炎热，但植物仍然无法在那里生长，因为没有足够的水。因此，我们在该地土壤中发现的唯一群落就是微生物。"为了确定哪些微生物活跃在土壤群落中，研究人员将生物正交非规范氨基酸标记（称为BONCAT）与荧光激活细胞分选相结合。BONCAT是在群落和整个生物体内追踪单细胞蛋白质合成的强大工具，而荧光激活细胞分拣则根据细胞是否正在产生新蛋白质对其进行分拣。研究人员将这些过程与霰弹枪元基因组测序结合起来，从而对生物簇样本中所有生物的所有基因进行了全面采样。他们利用这种方法，对生物簇群落中的活性和非活性微生物的多样性和潜在功能能力进行了剖析。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376789.htm

树木的多样性如何帮助对抗气候变化

树木的多样性如何帮助对抗气候变化众多的生物多样性操纵实验共同表明，更高的树木多样性可以导致森林土壤中碳和氮的更大积累。但据作者说，4月26日在线发表在《自然》杂志上的这项新研究，是第一次在天然林中显示出类似的结果。研究人员使用一种叫做结构方程模型的统计方法来评估树木多样性与土壤碳和氮积累之间的关系。他们发现，在十年的时间尺度上，树木多样性的增加使土壤碳储存提高了30%到32%，氮储存提高了42%到50%。"我们的研究首次显示了树木多样性在天然森林中储存土壤碳和氮方面的持续益处，"研究的主要作者、麻省理工学院全球变化生物学研究所的博士后交流研究员和阿尔伯塔大学的博士后陈新立说。"研究结果强调，促进树木的多样性不仅可以提高生产力，还可以缓解全球气候变化，减少土壤退化。而且多样性红利的规模很大。它加强了森林中生物多样性保护的重要性，并将指导利用森林进行碳和氮封存的日益增长的努力。"研究人员通过比较两次国家森林资源目录样本地普查的数据，计算出土壤碳和氮储存随时间的变化，一次是2000-2006年，另一次是2008-2017年。他们将树木多样性量化为物种丰富度、物种均匀度以及基于树木功能特征的功能多样性。物种丰富度是指样本地块中树种的数量，而物种均匀度是对树种相对丰度的衡量。功能多样性是指一个群落中树种的功能特征的多样性--例如叶子的氮含量和成年树的高度。研究小组发现，将物种均匀度从最小值增加到最大值，可使有机土壤层的碳储存量增加30%，氮储存量增加42%。将树木的功能多样性提高到其最大值，可使土壤矿物层的碳储存量提高32%，氮储存量提高50%。研究报告的共同作者、森林生态学家、全球变化生物学研究所所长PeterReich说："我们发现，更大的树木多样性与更高的土壤碳和氮积累有关，验证了生物多样性操纵实验的推断。""物种的更大多样性转化为不同类型的树木的混合，具有不同的获取和储存生物量的方式--既在活的树干、根、树枝和树叶中，也在土壤上和土壤中新死亡和腐烂的植物碎屑中。"加拿大的国家森林目录数据库是基于一个覆盖该国大部分陆地的地块网络。这项新研究分析了361个地块的有机土壤地平线样本和245个地块的矿物土壤地平线样本。这些地块是冷杉、枫树、桦树、云杉、松树、杨树、雪松和铁杉等各种树种的家园。森林土壤在封存光合作用期间从地球变暖的二氧化碳气体中提取的碳方面发挥着重要作用。这些土壤储存的碳至少是活体植物的三倍。氮是推动森林生态系统中碳同化和植物生长的重要营养物质。植物多样性在全球范围内迅速减少，导致生态系统功能的退化，包括土壤的功能。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357547.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357547.htm

苔藓：支撑地球生态健康的不起眼的支柱

苔藓：支撑地球生态健康的不起眼的支柱苔藓为全世界生态系统中的植物生长奠定了基础，并且通过其大量的碳捕获能力，有可能在缓解气候变化方面发挥关键作用。在今天发表在《自然-地球科学》杂志上的一项研究中，主要作者大卫-埃尔德里奇博士和来自国际研究机构的50多位同事描述了他们如何从全球超过123个生态系统中收集生长在土壤上的苔藓样本，范围从茂盛的热带雨林，到贫瘠的极地景观，再到干旱的沙漠，如澳大利亚的沙漠。研究人员发现，在所调查的环境中，苔藓覆盖了惊人的940万平方公里，其面积大约相当于加拿大或中国。新南威尔士大学生物、地球和环境科学学院的埃尔德里奇博士说："我们最初对没有受到太多干扰的本地植被的自然系统与公园和花园等人为系统有什么不同感兴趣。因此，在这项研究中，我们想了解更多关于苔藓的细节，以及它们在为环境提供基本服务方面的实际作用。我们研究了在以苔藓为主的土壤中发生了什么，以及在没有苔藓的土壤中发生了什么。我们惊奇地发现，苔藓正在做所有这些神奇的事情。"事实证明，苔藓是植物生态系统的命脉，植物实际上从有苔藓这个邻居中受益。研究人员评估了苔藓为土壤和其他植物提供益处的24种方式。在有苔藓存在的土壤斑块中，有更多的营养循环，有机物的分解，甚至控制对其他植物和人有害的病原体。除此之外，苔藓可能有助于重新吸收二氧化碳。他们估计，与没有苔藓的裸露土壤相比，这种古老的植物前体正在支持从大气中储存64.3亿吨（或64.3亿吨）的碳。这些碳捕获水平与土地清理和过度放牧等农业行为的碳释放水平相似。埃尔德里奇博士说："因此，我们得到了所有来自土地利用变化的全球排放，如放牧、清除植被和与农业有关的活动--我们认为苔藓吸走的二氧化碳是六倍，所以这不是一比一，而是六倍。"研究人员说，土壤苔藓的积极生态功能也可能与它们对地表微气候的影响有关，例如通过影响土壤温度和湿度。苔藓究竟是什么？苔藓与维管束植物不同。它们有根和叶，但它们的根是不同的，有类似根的生长物，称为根茎，将它们固定在土壤表面。"苔藓没有普通植物的管道，这被称为木质部和韧皮部，水通过这些管道流动。但是苔藓通过从大气中吸收水分而生存。有些苔藓，如澳大利亚干燥地区的苔藓，在干燥时就会卷曲，但它们不会死，我们曾在100年后将苔藓从包装中取出，向它们喷水并看着它们复活。它们的细胞不会像普通植物那样瓦解。"埃尔德里奇博士说，如果没有苔藓，我们的生态系统就会有大麻烦。他感到惊讶的是，人们常常把苔藓看作是城市环境中的一个问题，而实际上它在自然界中发挥着重要的作用。"人们认为，如果苔藓生长在土壤上意味着土壤是不育的，或者有什么问题。但实际上，它正在做伟大的事情，你知道，在土壤的化学方面，如增加更多的碳和氮，以及在发生干扰时成为主要的稳定剂。"当通过土地清理或自然干扰失去苔藓时，这就失去了将土壤固定在一起的能力，导致水土流失。这意味着土壤将失去养分，失去微生物的栖息地，整个系统变得不稳定。苔藓甚至可以在受干扰的生态系统中起到救援作用。埃尔德里奇博士指出，在20世纪80年代初圣海伦火山毁灭性的爆发之后，对圣海伦火山周围地区进行了研究。大多数植物和动物都在喷发点附近被剥落，但追踪生命如何回到山上的研究人员注意到，苔藓是第一批重新出现的生命形式之一。最先回来的是蓝细菌，蓝绿藻类，因为它们非常原始，然后苔藓回来了。研究表明，在有苔藓的地方，土壤健康水平更高，如更多的碳和更多的氮。因此，它们正在帮助土壤为树木、灌木和草的回归做准备，而这些植物最终会在这个过程中被淘汰。因此，他们是第一批进入那里并修复东西的人，然后第一个离开。未来的研究旨在研究城市苔藓是否能像生长在自然区域的苔藓一样有效地创造健康的土壤。埃尔德里奇博士说："我们渴望制定战略，将苔藓重新引入退化的土壤，以加快再生过程。苔藓很可能为启动严重退化的城市和自然区土壤的恢复提供了完美的载体"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369993.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369993.htm

塞舌尔的海草是如何帮助应对气候变化的？

塞舌尔的海草是如何帮助应对气候变化的？如此多的人关注海草的下降速度的原因是，这种植物甚至被认为是世界上最大的植物之一，是一种天然的碳汇。另一个原因是，气候变化和海平面上升可能绝对会使这个由115个低洼岛屿组成的小国毁灭。无人机垂直俯瞰列入世界遗产名录的鲨鱼湾保护区的海草草甸和岬角根据BBC的报道，正是这种威胁导致塞舌尔政府承诺到2023年至少保护一半的海草和红树林，并将2030年的目标定为100%的保护。为了帮助这些保护工作，该国一直在努力绘制其所有海草生态系统的地图，他们甚至在努力分析这些植物随着时间的推移储存了多少碳。气候变化是许多人关注的一个巨大问题，特别是随着全球气温的上升，南极和格陵兰岛等地的重要冰架受到威胁。如果海平面像科学家预测的那样上升，或上升得那么快，这将给塞舌尔这样的岛国带来灾难。此外，它将导致更多像海草这样的抗碳植物遭到破坏。这就是为什么保护像海草这样的自然气候变化阻止因素对许多国家来说是如此重要的目标。如果塞舌尔能够确定其蓝碳水平--储存在海洋植物中的碳的名称--它可能会利用它与其他国家进行交易，并更多地抵消其碳水平。通过保护环境，塞舌尔人民相信，他们将能够保护国家的经济支柱，以及尚未到来的后代赖以生存的物质基础。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334999.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334999.htm

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性微生物模型利用广泛的基因组数据为土壤碳模拟提供动力。图片来源：VictorO.Leshyk插图这个新模型使科学家们能够更好地了解某些土壤微生物如何有效地储存植物根系提供的碳，并为农业战略提供信息，以保护土壤中的碳，支持植物生长和减缓气候变化。"我们的研究证明了直接从土壤中收集微生物遗传信息的优势。在此之前，我们只掌握了实验室研究的少数微生物的信息，"论文第一作者、伯克利实验室博士后研究员吉安娜-马施曼（GiannaMarschmann）说。"有了基因组信息，我们就能建立更好的模型，预测各种植物类型、作物甚至特定栽培品种如何与土壤微生物合作，更好地捕集碳。同时，这种合作还能增强土壤健康"。最近发表在《自然-微生物学》杂志上的一篇新论文介绍了这项研究。论文的通讯作者是伯克利实验室的EoinBrodie和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的JenniferPett-Ridge，后者领导着"微生物持久存在"土壤微生物组科学重点领域项目，该项目由能源部科学办公室资助，以支持这项工作。看见看不见的东西-微生物对土壤健康和碳的影响土壤微生物帮助植物获取土壤养分，抵抗干旱、疾病和虫害。它们对碳循环的影响在气候模型中的体现尤为重要，因为它们会影响土壤中储存的碳量或在分解过程中以二氧化碳形式释放到大气中的碳量。通过利用这些碳构建自己的身体，微生物可以将碳稳定（或储存）在土壤中，并影响碳在地下的储存量和储存时间。这些功能与农业和气候的相关性正受到前所未有的关注。然而，仅一克土壤中就含有多达100亿个微生物和数千个不同物种，绝大多数微生物从未在实验室中被研究过。直到最近，科学家们才从实验室研究的极少数微生物中获得数据，为这些模型提供依据，其中许多微生物与需要在气候模型中体现的微生物无关。Brodie解释说："这就好比根据只生长在热带森林中的植物所提供的信息，为沙漠建立生态系统模型。"为了应对这一挑战，科学家团队直接利用基因组信息建立了一个模型，该模型能够适应任何需要研究的生态系统，从加利福尼亚的草原到北极解冻的永久冻土。该模型利用基因组深入了解土壤微生物的功能，研究小组将这种方法用于研究加利福尼亚牧场中植物与微生物组之间的相互作用。牧场在加州具有重要的经济和生态意义，占陆地面积的40%以上。研究重点是生活在植物根部周围的微生物（称为根圈）。这是一个重要的研究环境，因为尽管根区只占地球土壤体积的1-2%，但据估计，根区储存了地球土壤中30-40%的碳，其中大部分碳是由根系在生长过程中释放出来的。为了建立这个模型，科学家们利用加州大学霍普兰研究与推广中心提供的数据，模拟了微生物在根部环境中的生长情况。不过，这种方法并不局限于特定的生态系统。由于某些遗传信息与特定的性状相对应，就像人类一样，基因组（模型所基于的）与微生物性状之间的关系可以转移到世界各地的微生物和生态系统中。研究小组开发了一种新方法来预测微生物的重要性状，这些性状会影响微生物利用植物根系提供的碳和养分的速度。研究人员利用该模型证明，随着植物的生长和碳的释放，由于根系化学和微生物性状之间的相互作用，会出现不同的微生物生长策略。特别是，他们发现，生长速度较慢的微生物在植物生长后期会受到碳释放类型的青睐，而且它们在利用碳方面的效率出奇地高--这使它们能够在土壤中储存更多的这种关键元素。这一新的观测结果为改进模型中根系与微生物之间的相互作用提供了依据，并提高了预测微生物如何影响气候模型中全球碳循环变化的能力。"这些新发现对农业和土壤健康具有重要意义。通过我们正在建立的模型，我们越来越有可能利用对碳如何在土壤中循环的新认识。这反过来又为我们提供了可能性，使我们能够提出保护土壤中宝贵的碳的策略，从而在可行的范围内支持生物多样性和植物生长，以衡量其影响，"马施曼说。这项研究强调了利用基于遗传信息的建模方法来预测微生物性状的威力，有助于揭示土壤微生物组及其对环境的影响。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420579.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420579.htm

揭开亚马逊地区脚下的秘密：古老的土壤如何促进全球的森林恢复

揭开亚马逊地区脚下的秘密：古老的土壤如何促进全球的森林恢复现在，来自巴西的科学家表明，ADE可以成为促进重新造林的"秘密武器"--不仅是在亚马逊地区，那里自20世纪70年代以来已经损失了18%或大约78万平方公里--而且在全世界。这些结果发表在《土壤科学前沿》杂志上。联合第一作者、巴西圣保罗大学农业核能中心的研究生LuísFelipeZagatto说："这里我们表明，由于ADE的高营养水平，以及土壤微生物群落中有益细菌和古细菌的存在，使用ADE可以促进牧草和树木的生长。这意味着关于使ADE非常肥沃的'成分'的知识可以应用于帮助加速生态恢复项目"。Cedrelafissilis的最终花瓶显示了不同土壤的生长差异。从左到右：100%ADE，20%ADE，控制土壤。资料来源：LuísFelipeGuandalinZagatto模仿重新造林的缩影研究人员进行了受控实验，以模仿生态演替和土壤的变化，这些变化发生在被砍伐地区的牧场被积极恢复为森林的时候。他们的目的是研究ADEs，或者最终微生物组被人为地组成以模仿它们的土壤，如何能够促进这一过程。Zagatto及其同事从巴西亚马逊州的Caldeirão实验研究站采集了ADE样本，并将圣保罗州的LuizdeQueiróz高级农业学校的农业土壤作为对照。他们在一个平均温度为34ºC的温室内，将36个4升的花盆装满了3公斤的土壤，以预期全球变暖，超过亚马逊地区目前22至28ºC的温度。深裂号角树花瓶实验显示出生长的差异取决于土壤。从左到右：100%ADE,20%ADE,控制土壤。资料来源：LuísFelipeGuandalinZagatto三分之一的花盆只接受对照土壤，另三分之一是对照土壤和ADE的4:1混合物，还有三分之一是100%ADE。为了模仿牧场，他们在每个花盆中种植了巴西常见的牲畜饲料棕榈草（Urochloabrizantha）的种子，让其幼苗生长60天。然后他们把草割掉，只让它的根留在土壤里--这就是微缩版的重新造林的处女地。然后，研究人员在这三种土壤中的每一种都重新种上了树的种子：或者种上入侵物种Ambaypumpwood（Cecropiapachystachya），或者种上Peltophorumdubium以及cedroblanco（Cedrelafissilis）。让种子发芽，幼苗生长90天，然后测量其高度、干重和根系的延伸。在实验过程中，科学家们量化了土壤的pH值、质地和有机物、钾、钙、镁、铝、硫、硼、铜、铁和锌的浓度变化。通过分子方法，他们还测量了土壤中微生物多样性的变化。劈裂洋椿的花瓶实验显示出生长的差异取决于土壤。从左到右：100%ADE，20%ADE，控制土壤。资料来源：LuísFelipeGuandalinZagatto丰富的营养物质和有益的微生物在开始时，ADE显示出比对照土壤更多的营养物质：例如，30倍的磷和3到5倍的其他测量营养物质，除了锰。ADE还具有更高的pH值，含有更多的沙子和淤泥，但粘土较少。实验结束后，土壤中的养分含量比开始时少，反映了植物的吸收情况，但100%ADE土壤的养分含量仍然比对照土壤丰富，而20%ADE土壤的养分含量处于中间水平。在整个实验过程中，20%或100%ADE土壤比对照土壤支持更多的细菌和古细菌的生物多样性。"微生物将化学土壤颗粒转化为可被植物吸收的营养物质。"联合第一作者安德森-桑托斯-德-弗雷塔斯说："我们的数据显示，ADE含有的微生物更擅长这种土壤转化，从而为植物发展提供更多的资源。例如，ADE土壤含有更多有益的细菌家族Paenibacillaceae、Planococcaceae、Micromonosporaceae和Hyphomicroblaceae的分类群"。生长得到促进研究结果还显示，在土壤中添加ADE可以改善植物的生长和发育。例如，与对照土壤相比，棕榈草的干质量在20%ADE中增加了3.4倍，在100%ADE中增加了8.1倍。ADE的添加也促进了三种树种的生长：与对照土壤相比，在20%ADE中，白雪松和P.dubium的幼苗分别高了2.1和5.2倍，在100%ADE中分别高了3.2和6.3倍。深裂号角树在对照土壤或20%ADE中甚至没有生长，但在100%ADE中却很茁壮。研究人员得出结论，ADE可以促进植物生长。他们写道："我们的数据表明，土壤养分和适应性微生物的混合物[在ADE中]可以改善植物树木在修复中的建立。"高级作者、同一研究所的教授SiuMuiTsai博士告诫说："ADE经过数千年的积累，如果使用，也需要同样的时间在自然界中再生。我们的建议不是利用ADE本身，而是复制其特征，特别是其微生物，以用于未来的生态恢复项目"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358477.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358477.htm