科罗拉多州立大学领导的一个研究小组利用北极地区进行时间最长的生态系统实验之一，对植物、微生物和土壤养分之间的相互作用有了更好的了解，这一发现为了解北极永久冻土融化过程中关键的碳沉积是如何释放的提供了新的见解。
据估计，北极土壤中的碳含量几乎是目前大气中碳含量的两倍。随着气候变化导致地球最北极地区部分地区解冻，科学家们长期以来一直担心大量碳以温室气体的形式释放出来，这一过程是由微生物推动的。
研究和模拟这一情景的大部分努力都集中在全球气温上升将如何破坏目前锁定在北极土壤中的碳。但是，气候变暖也在以其他方式影响着该地区，包括改变植物生产力、整个景观中植被的总体组成以及土壤中养分的平衡。根据本周发表在《自然气候变化》杂志上的一项研究，植物成分的这些变化也将影响碳从土壤到大气的循环方式。
这项工作是由科罗拉多州立大学土壤与作物科学系的研究科学家梅根·马彻穆勒(Megan Machmuller)领导的。
“我们的工作重点是确定控制北极碳命运的机制，”马赫穆勒说。“我们知道温度起着很大的作用，但该地区的生态系统也在与气候变化共同发生变化。”
马赫穆勒说，该地区正在经历一种“灌木化”，即灌木的数量和生长都在增加。Machmuller和她的合著者发现，在很长一段时间内，这些灌木可能有助于将更多的碳留在地下。
“有很多人关注变暖对土壤碳的直接影响，”合著者、爱达荷大学助理教授劳雷尔·林奇(Laurel Lynch)说，“但我们在这项工作中发现，情况要复杂得多。”我们需要把这个生态系统看作一个整体，有许多相互作用的部分和竞争机制。”
在这项新工作中，Machmuller和他的团队测试了北极地区35年生态系统实验中的土壤样本。1981年，科学家们开始在阿拉斯加北部的北极长期生态研究基地的试验田添加营养物质，该试验田位于布鲁克斯山脉底部的图里克湖附近。最初的想法是了解北极植被如何随着时间的推移对额外的营养作出反应，但该实验也使科学家能够研究土壤的长期变化如何影响碳储存。
20年后，科学家们发现，与对照区相比，添加营养物的土壤碳流失显著，这一重要发现对北极如何应对气候变化形成了广泛的科学认识。这些实验还在继续，Machmuller和她的团队在连续施用了35年的养分后再次对这些地块进行了测试。
然而，他们发现这种趋势已经逆转，而不是继续碳损失。35年后，试验田的碳储量要么恢复了，要么超过了附近对照区的碳储量。
“我们真的对这些结果感到惊讶，并对潜在的机制感到好奇，”Machmuller说。
马赫穆勒和她的团队在实验室进行了先进的同位素示踪实验，以了解更多关于碳如何在系统中移动的信息。他们发现，当第一次添加营养物质时，它们刺激了微生物分解——这是一个自然过程，涉及微生物在土壤中的有机物中翻腾，导致二氧化碳的释放。
但随着时间的推移，营养物质不断被添加到试验田，情况发生了变化。林奇说:“灌木在某种程度上调节了土壤，改变了微生物代谢，减缓了分解速度，使土壤碳储量得以重建。”“我们没料到会这样。”
“这提供了一种潜在的生物学机制，也许可以解释为什么我们在前20年观察到碳的净损失，而在35年后却没有，”马赫穆勒说。
马赫穆勒说，这些结果表明，北极对气候变化的反应可能比以前想象的要复杂得多。“这是一个复杂的难题，”她说，“这项研究向我们强调了利用长期研究来推进我们对生态系统过程理解的重要性。”
格斯·沙弗(Gus Shaver)是一名研究科学家，他曾在1981年帮助建立了最初的图里克湖实验区，也是这项研究的合著者之一，他也强调了长期从事这种工作的价值。
Shaver说:“我们已经证明，随着时间的推移，当我们跟踪他们的反应轨迹时，长期的实验经常会带来惊喜。”“你在实验的头几年里发现的东西，往往不是你在第10年、第15年或第35年学到的东西。”
林奇指出，随着生态系统的变化，除了碳之外，还有其他因素需要考虑。她说，尽管灌木丰富度的增加可以阻止更多的土壤碳转移到大气中，但其他影响并不那么有益。
林奇说:“当你有一种植物物种在竞争中大大胜过其他物种时，就会对生态系统产生重大影响。”例如，她说，“北极许多动物的栖息地和食物来源依赖于多样化的植物群落，这种多样性的丧失会波及整个生态系统。”
科罗拉多州立大学土壤碳解决方案中心副主任劳伦·吉福德(Lauren Gifford)没有参与这项研究，她说，这项工作强调需要更强大、更详细的建模，以更好地预测气候变化将如何影响北极地区储存的碳。
吉福德说:“这是对地球上最脆弱的生态系统之一进行的一项了不起的35年研究。”“即使进行了全面的长期研究，气候变化的影响往往仍然不确定。帮助适应和减缓气候变化的干预措施可能导致类似的、矛盾的或产生意想不到的后果。”
对她来说，Machmuller希望这项工作将鼓励未来对这一主题的研究。“长期以来，北极的碳研究一直是一个热门话题，因为它在调节全球气候方面发挥着关键作用，”她说。“但我们仍然不知道未来的碳平衡到底会是什么样子。”
