翻譯丨Xseres
編輯丨JinTao.Li
全球干旱/半干旱區(qū)（旱地）的面積約占陸地總面積的45%。由氣候變化引起的干旱日益加劇，將有可能影響到旱地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能屬性。然而，干旱化是否會導致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生漸進性（相對于突變性）和系統(tǒng)性（相對于特異性）的轉變還尚不清楚。對此，研究人員從實驗室測量、田間調查、地圖插值和遙感影像中收集了>50000個不同層次（從個體到生態(tài)系統(tǒng)）的數據點，構建起了一個全球數據集，進而研究了全球旱地20個生態(tài)系統(tǒng)結構和功能屬性對干旱增強的響應。研究發(fā)現(xiàn)，干旱化導致了多個生態(tài)系統(tǒng)屬性發(fā)生系統(tǒng)性和突變性的變化。這些變化依次發(fā)生在三個階段，分別是在干燥度達到0.54、0.69和0.83時，植被生產力、土壤肥力、植被覆蓋度和豐富度會發(fā)生突變性衰退。到2100年，預計有超過20%的地表將會越過其中的一個或幾個閾值，造成全球范圍的土地退化和荒漠化；而地球上有20多億人生活在干旱/半干旱區(qū)，因此我們應立即采取行動，以降低干旱化對旱地生態(tài)系統(tǒng)服務供給的負面影響。原文信息
標題：Global ecosystem thresholds driven by aridity
期刊：Science
類型：Report
作者：一作&通訊：Miguel Berdugo【Instituto Multidisciplinar para el Estudio del Medio “Ramón Margalef,” Universidad de Alicante】
時間：2020-2-14
DOI：https://doi.org/10.1126/science.aay5958
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研究背景
旱地指降雨量小于蒸發(fā)量65%的地區(qū)。目前，旱地面積約占全球陸地表面積的45%，并特別容易受到氣候變化和土地退化的影響。氣候變化導致全球旱地干燥度增加，將深刻影響多種生態(tài)系統(tǒng)結構和功能屬性（例如，如養(yǎng)分循環(huán)、植物生產力和微生物群落）。然而，這些影響是漸進式的還是突變性的，還有待闡明。最近研究表明，在半干旱生態(tài)系統(tǒng)向干旱生態(tài)系統(tǒng)轉變時，土壤養(yǎng)分有效性會突然喪失。也有模型研究預測，對于某些特定的生態(tài)系統(tǒng)結構屬性（如植被覆蓋或空間結構），存在著一個的干旱閾值會使其發(fā)生突變。然而，其它生態(tài)系統(tǒng)屬性對干旱的響應是否相似，以及造成它們突變的干旱閾值是否只有一個還是多個，我們知之甚少。
生態(tài)系統(tǒng)屬性之間是高度相互依存、關聯(lián)的；因此，某一特定屬性發(fā)生突變，將可能導致其它與其關聯(lián)的屬性發(fā)生改變，進而在不同時空尺度上形成級聯(lián)反應。例如，干旱加劇可能導致土壤微生物組成發(fā)生迅速變化，轉而引發(fā)植物-微生物相互作用的變化，進而導致養(yǎng)分循環(huán)和植物群落發(fā)生變化。因此，理解多個相互關聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)屬性對干旱加劇的響應是否可以相互抵消或者放大，對于預測生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應至關重要；并且在全球變化背景下，這些信息對于描繪和預測全球旱地脆弱性和態(tài)系統(tǒng)服務供給也是至關重要研究方法
在本文中，研究人員評估了多個生態(tài)系統(tǒng)結構和功能屬性對干旱加強是否表現(xiàn)出線性或非線性響應，以及這些響應是否是由單個或多個干旱閾值驅動的。為此，研究人員從標準化的實驗室測量、田間調查、地圖插值和遙感影像中收集了超過50000個數據點[這些數據點跨越多個生物組織層次（從個體到生態(tài)系統(tǒng)）]，構建了一個全球數據庫。研究人員評估了20個生態(tài)系統(tǒng)功能和結構屬性，包括物理（如反照率、土壤質地、降水變率）、生物（如植被、豐富度、功能性狀、微生物群落）和化學（如土壤有機碳、葉氮）變量。這些屬性與旱地生態(tài)系統(tǒng)服務（氣候調節(jié)、養(yǎng)分循環(huán)和畜牧業(yè)生產）的供給能力密切相關，很大程度上決定了它們對氣候變化和荒漠化的響應。研究人員還研究了與植物-土壤相互作用[例如，與植物冠層相關的“肥島效應(fertility islands)”]、植物-氣候相互作用（例如，植物對氣候變化的抵抗力）和植物-植物相互作用（例如，空間網絡）相關的變量對干旱加劇的響應。研究結果與討論
研究發(fā)現(xiàn)，這20個生態(tài)系統(tǒng)功能和結構屬性對干旱增強的響應都是非線性的。換言之，一旦達到某個干旱水平，干旱的小幅度增加都會導致屬性值發(fā)生劇烈變化，抑或它與干旱的關系發(fā)生改變。與線性單調模型相比，非線性模型對這種響應具有更高的解釋度。不僅如此，生態(tài)系統(tǒng)屬性對干旱加劇的響應存在一系列連續(xù)的干旱閾值。旱地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的響應可以分為三個先后階段，進入每個階段都會導致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生突變（Fig.1）。Fig.1 | 旱地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的突變響應序列。上：21個生態(tài)系統(tǒng)變量的干旱閾值及其置信區(qū)間。下：干旱加劇導致旱地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生劇變的三個階段。第一個干旱閾值是0.54，該階段造成植被生產力和光合活性衰退；第二個干旱閾值是0.7，越過此值，土壤肥力、植物氮含量和生物（植物-土壤、植物-植物）互作急劇下降，植物和土壤微生物群落的組成發(fā)生劇烈變化；第三個干旱閾值是0.8，超過該值，植物覆蓋率顯著降低，土壤反照率增加，葉片性狀轉變。
第一階段：植被衰退 隨著干旱程度的增加，生態(tài)系統(tǒng)首先進入“植被衰退階段”，其特征是當干燥度>0.54時，植被生產力急劇下降（Fig.2A）。Fig.2 | 多個生態(tài)系統(tǒng)屬性對干旱的非線性響應。NDVI(A)、葉氮含量(B)、土壤有機碳(C)、植物對土壤有機碳的效應(D)、植被覆蓋度(E)和植物物種豐富度(F)的干旱閾值。
第二階段：土壤失調 隨著干旱程度的不斷增加，旱地生態(tài)系統(tǒng)會進入一個“土壤失調”階段。當干燥度>0.7時，多個生態(tài)系統(tǒng)結構和功能屬性發(fā)生變化，如有機碳、總氮和粘土含量、團聚體的穩(wěn)定性和真菌功能群的相對豐度（Fig.2C）下降。土壤養(yǎng)分下降可能與上一階段的植物源性有機物輸入減少有關（Fig.2B）。植物冠層對土壤有機碳的積極作用急劇下降（Fig.2D），以及腐生真菌相對豐度的降低——腐生真菌是旱地“肥島效應”形成的關鍵驅動力——進一步支持了這一觀點。除此之外，在這一階段，植物-植物之間積極的互作的頻率下降，植被從草原和稀樹草原轉變?yōu)楣嗄緟玻ㄒ驗楣嗄緟哺m合營養(yǎng)貧瘠和沙質土壤）；植被對氣候波動的總體敏感性急劇下降，可能是深根系的灌木對季節(jié)性干旱的敏感性降低。
第三階段：生態(tài)系統(tǒng)崩潰 最后，隨著干旱繼續(xù)增強，旱地會進入一個“生態(tài)系統(tǒng)崩潰”階段。當越過0.8的干旱閾值，大多數植物物種無法在這種極端缺水和養(yǎng)分匱乏的環(huán)境下生存，造成植物物種豐富度和植物覆蓋率急劇下降，反照率呈指數增長（Fig.2E&F）。研究還發(fā)現(xiàn)土壤中動物病原真菌的相對豐度突然增加，這可能導致真菌疾病的發(fā)病率大增，從而加重負面影響。在RCP8.5情景下，到2100年，預計有高達22%的地表（當前旱地面積的28.6%）將至少越過一個干旱閾值，進入三個衰退階段中的一個（Fig.3）。因此，這些地區(qū)面臨著生態(tài)系統(tǒng)功能和結構屬性迅速下降的高風險。盡管部分地區(qū)（干燥度>0.8）的反照率增加可能會影響地球表面的能量平衡，并部分緩解全球變暖；然而這些變化將使這些地區(qū)無法維持目前的動物和人類數量，對全球人類福祉產生根本和消極的后果。
Fig.3 | 全球旱地生態(tài)系的氣候變化脆弱性。在RCP8.5情景，到2100年，預計跨域1個或多個干旱閾值的區(qū)域。未著色區(qū)域不屬于旱地。
總結
研究表明，生態(tài)系統(tǒng)的功能和結構對干旱加劇的非線性響應遵循一系列連續(xù)的閾值。研究首次確定了以連續(xù)干旱閾值為特征的三個生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生劇變的階段，為生態(tài)系統(tǒng)變遷提供了一個良好的科學框架，可以激發(fā)新一代多尺度模型研究來探索生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應。研究結果還為今后探索所調查的生態(tài)系統(tǒng)變量的時間變化奠定了基礎，特別是在未來可能超過干旱閾值的地區(qū)，并將重點放在確定潛在的災難性變化和預警指標上。最后，本研究還可以為干旱/半干旱區(qū)建立有效的適應和緩和氣候變化的行動方針提供科學指導，以維持旱地生態(tài)系統(tǒng)服務功能和供給能力。
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