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科学家发现木本植物入侵的另一“元凶”

美国孔扎草原的一处实验流域，自1971年每4年焚烧一次。通过照片可以看到该流域被几种高丰度的木本灌木树种所覆盖。轻度和中度焚烧频度导致草地上的木本植物的覆盖度快速升高，也就是木本植物入侵，它对生态系统的物种多样性、草原上的消费者、碳氮储量、蒸发蒸腾量等产生重要的影响。

在过去的50-100年间，世界上很多地区的木本植物的丰度翻了数倍。通常认为，火干扰、放牧、大气二氧化碳浓度等因素是木本侵蚀和半干旱区的主要成因。而美国犹他州立大学的植物、土壤和气候以及生态中心Andrew Kulmatiski和Karen H. Beard的研究结果表明，在林草共生系统中，由降雨强度增加引起的生态位分离同样也是一个重要的因子。并且预测，木本植物入侵现象在未来会随着降雨强度的增加仍会继续。该成果发表在2013年的《Nature Climate Change》杂志上。

研究小组在位于南非克留格尔公园的亚热带草原生态系统建起了6个高2.5米的大型的降雨控制棚（处理组），进行了为期三年（2008年-2011年）的调查研究。

研究发现，降雨强度的增强导致土壤水分的有效性和渗透性的快速增强（Fig. 1）。而土壤剖面水分的测量结果表明，更少、更强的降雨活动把和草本植物根系活动相关的极浅层（0-15cm）土壤的水分，“推送”到和木本植物根系活动相关的更深的（15-30cm）土壤。

同时，研究小组研究了降雨强度的增加对植物生长的影响（Fig. 2&3）：通过周长增加量衡量木本植物的生长，通过茎长和生物量反映草本植物的生长。测量结果表明：降雨强度的增加促进了木本植物的生长，同时YZ了草本植物的生长。

为了解释木本植物和草本植物对降雨强度增加的不同响应，研究小组同时对植物的地下部分——根的生长和活动进行了研究。

Andrew Kulmatiski教授使用了由美国Bartz公司研发生产的经典根系原位观测设备BTC-100，通过图像采集的方式获取植物根系的真实完好的状况。在每个采样时期，课题组将BTC-100的专业探头伸进预先以30度倾角埋入土壤的透明根管（长两米、直径约5公分），对0-1米的土壤剖面的根系进行了图像采集，每个时期50张。野外采集工作结束后，在实验室内使用专业的图像软件进行分析统计。

监测结果表明，随着降雨强度的增加，植物迅速地产生更多的根，特别是在土壤剖面的20-50cm处（Fig. 4）。通常认为，木本植物具有更深和更具适应性的生根策略，而土壤深处的根“雨后春笋”般出现，刚好与此吻合。

为了区分木本植物和草本植物的根系，研究小组采用同位素示踪的方法，以重水(D2O)作示踪剂，研究了不同土壤剖面木本植物和草本植物对水分的吸收情况（Fig. 5）。进而发现，为了应对降雨强度的增加，木本植物减少了对土壤浅层（5cm）水的吸收，增加了对土壤更深处的水的吸收；草本植物刚好与此相反。因此，该项研究结果表明木本植物在降雨强度增加、土壤水分向更深处迁移的形势下，充分发挥其生根策略的强大适应性，使得根系向更深处扩展以吸收更多水分。

之前有报告称，降雨强度增加能够促进草地生产力。但Andrew Kulmatiski教授对此提出质疑——上述研究结论并不具有普遍性。因为在为期三年的调查研究中，课题组通过地上地下部分的多项研究，充分证明了木本植物为了应对降雨强度的增加，延伸了生根深度，获取了更多的水分，增加了地上部分的生长，从而竞争性的YZ了草本植物的生长。Andrew Kulmatiski教授在该研究成果的基础上预测：未来即使是降雨强度轻微的增加也会加剧木本植物入侵及其导致的草原灌丛化。

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