原文作者：Glenys Young
翻譯：毅
德克薩斯理工大學(xué)（Texas Tech University）在南極的學(xué)術(shù)研究歷史非常悠久。早在20世紀60年代，由Alton Wade領(lǐng)導的地質(zhì)研究組就在南極考察。當時(shí)他們試圖回答：數百萬(wàn)年前，世界是什么樣子的？
然而，最近關(guān)于南極的研究并不著(zhù)眼于我們這個(gè)星球的歷史，這是它的未來(lái)。
德克薩斯理工大學(xué)生物科學(xué)系助理教授Natasja van Gestel正在研究氣候變化如何影響那里的植物和微生物活動(dòng)。
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確實(shí)，目前南極只有不到1％的土地是無(wú)冰的，但是，這個(gè)數字正在增長(cháng)。van Gestel博士正在研究的區域在1960年前后還被冰川所覆蓋，但是現在，冰川已經(jīng)消退了大約500m。隨著(zhù)冰川退縮，植物開(kāi)始在這一地區生長(cháng)。
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圖1 van Gestel博士在這里安裝了美國METER公司制造的EM50數據采集器和氣象土壤測量傳感器
圖2 美國METER制造的6通道數據采集器ZL6和一體式集成氣象站ATMOS41首次安裝在南極
“我們有一個(gè)很好的時(shí)間序列，來(lái)研究植被覆蓋與距離冰川遠近的關(guān)系。”van Gestel說(shuō)。“自1950年以來(lái)，南極洲的244個(gè)冰川中有近90％已經(jīng)退縮，并且這一過(guò)程仍在持續。因此，時(shí)間順序信息可以幫助我們預測其他區域（冰川未消退區）會(huì )如何應對氣候變暖。”
圖3 冰川消退進(jìn)程記錄（1963～2018）
與研究生Kelly McMillen一起，van Gestel正在研究冰川消退區的整個(gè)環(huán)境梯度：從裸地到完全被植被覆蓋的區域。
“我們發(fā)現了大約有100種苔蘚以及兩種維管束植物，南極發(fā)草和珍珠草（Antarctic hairgrass and Pearlwort）。”van Gestel說(shuō)，“生產(chǎn)力最高的區域位于利奇菲爾德島（Litchfield Island），這是一個(gè)需要特殊許可才能進(jìn)入的保護區。生產(chǎn)力最低的區域距離冰川的邊緣只有幾米。雖然那里沒(méi)有可見(jiàn)的植物，但土壤中的微生物是可以進(jìn)行光合作用的。這些微生物是碳通量的重要貢獻者。”
圖4 生產(chǎn)力最高的利奇菲爾德島（Litchfield Island）所在位置
圖5 冰川消退后巖石上開(kāi)始著(zhù)生地衣和苔蘚
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碳通量測量是van Gestel博士研究的重要組成部分。這有助于了解植物生產(chǎn)力梯度格局以及植物和微生物對氣候變暖的響應。
圖6 van Gestel博士使用美國LI-COR公司制造的LI-6800測量地表碳通量（1）
“我們預計碳通量會(huì )隨著(zhù)植被覆蓋度的增大而增加。”van Gestel說(shuō)，“而且，微生物的數量也會(huì )增多。隨著(zhù)植被覆蓋度的增大，它們的代謝活動(dòng)會(huì )更高。同時(shí)，我們預期微生物的群落組成也會(huì )發(fā)生改變。”
“相當多的微生物目前并不活躍，它們可能從其他地方被風(fēng)吹來(lái)，處于休眠狀態(tài)。但是一旦時(shí)機成熟，它們就會(huì )打破休眠。”
圖7 van Gestel博士使用美國LI-COR公司制造的LI-6800測量地表碳通量（2）
與此同時(shí)，van Gestel博士還開(kāi)展了野外增溫實(shí)驗。這一實(shí)驗用于確認微生物響應發(fā)生的速度。北亞利桑那大學(xué)的博士Alicia Purcell將使用一種稱(chēng)為定量穩定同位素探測（qSIP）的技術(shù)，這是由van Gestel的合作者——北亞利桑那大學(xué)Bruce Hungate發(fā)明的一種新方法。這種方法可以確定哪些微生物正在積極生長(cháng)，以及生長(cháng)的速度。
van Gestel和McMillen使用可以在陽(yáng)光下捕獲熱量的敞口加熱室（Open-Top Warming Chambers），加熱小面積的土壤和植被。這種方法的優(yōu)勢是，除溫度以外的其他變量可基本保持和自然環(huán)境一致。
圖8 敞口加熱室（Open-Top Warming Chambers）制作與效果評估
Van Gestel的研究團隊沿生產(chǎn)力梯度，選取了四個(gè)研究站點(diǎn)，在每個(gè)站點(diǎn)上采集完整的土壤苔蘚樣本土核四個(gè)，然后向樣本土核中添加水并放置在敞口加熱室內。兩個(gè)樣品土核添加純水，另外兩個(gè)樣品土核添加氧18重水。
圖9 野外安置的敞口加熱室（Open-Top Warming Chambers）
“微生物活躍后將會(huì )吸收水，”van Gestel說(shuō)，“那些重氧將被整合到他們的DNA中，從而使他們的DNA變得更重。我們可以根據DNA的重量變化來(lái)計算其生長(cháng)速度。”
最終，這些研究將能回答：氣候變化如何影響南極洲的植物和微生物？這些改變又如何影響該地區生態(tài)系統的碳平衡。
“溫暖的條件可能會(huì )使某些微生物受益，但不會(huì )使所有微生物受益。對植物來(lái)說(shuō)也是如此。”van Gestel說(shuō)。“我們預期微生物群落會(huì )發(fā)生改變。由于植物生長(cháng)非常緩慢，因此短時(shí)間內較難確定植物群落的變化規律。為此，我們需要對植被覆蓋進(jìn)行長(cháng)期定位監測。”
“相對于對照地塊，溫暖地塊的碳通量會(huì )更大。生態(tài)系統光合作用和呼吸速率都會(huì )有所增加，但哪一個(gè)組分增加的更多呢？因為這最終決定了整個(gè)系統的凈碳通量對氣候變暖的反饋。”
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“由于南極生態(tài)系統比地球上的其他生態(tài)系統更簡(jiǎn)單”，van Gestel說(shuō)，“在這里的發(fā)現可以為生態(tài)系統的碳儲存提供更多機制信息，進(jìn)而對氣候模型完善做出貢獻。”
“例如，微生物碳利用效率的溫度敏感性如何？微生物利用一部分碳構建生命體，其余部分則通過(guò)呼吸作用消耗掉。那問(wèn)題來(lái)了，溫度變暖會(huì )使微生物更加浪費碳嗎？微生物碳利用效率是氣候模型中的一個(gè)重要參數。如果微生物的碳利用效率下降，那么更強的呼吸損失會(huì )導致更多的碳從土壤遷移到大氣中，從而進(jìn)一步加劇全球變暖。”
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