新研究为沙尘暴悖论提供了解决方案

大约100年前，大平原地区发生了一次奇怪的慢动作收购。在1930年代的沙尘暴期间，历史性的热浪和干旱席卷了美国中部，该地区的植物种类发生了巨大变化。

在北方较冷的地区更常见的草开始接管通常由其他本地草占据的异常干热的南部平原州。

当然，当时的植物覆盖率变化并不是灾难的头等大事，这场灾难使约250万人流离失所，仅农业损失就至少造成19亿美元。而且，实际上，这似乎并不那么奇怪-直到科学家开始更多地了解这些类型的植物。

科罗拉多州立大学自然科学学院生物学系的大学杰出教授艾伦·纳普说：“根据后来我们对彼此替代的物种的特性的了解，发生的事情才在很久以后才成为谜”。科罗拉多州立大学生态学研究生课程的高级生态学家。

在1960年代，研究人员发现，这两种类型的植物在生态学上存在明显的生态差异(一种被称为“ C4”的植物通过光合作用产生具有四个碳原子的化合物，与另一种称为“ C3”的化合物相比，后者的第一个光合作用化合物仅由三个碳原子组成。C4草在温暖的温度下生长最好，并且用水效率更高。在较凉和潮湿的气候下，C3草往往含量最高。

这就提出了一个问题：为什么在臭名昭著的干旱和热浪中，C3草会突然入侵美国中南部约135,000平方英里的地方，因此诞生了“沙尘暴悖论”。

这不仅仅是历史的好奇心。随着气候变化的加速，占全球陆地面积约30%至40%的草原已经开始出现温度升高和降雨极端变化的趋势，并有望遭受更加极端的干旱。纳普指出，“无论它们发生在哪里，它们都是当地经济的重要组成部分。” 因此，了解导致“尘埃钵” 草种突然转变的原因及其连锁效应是一个日益紧迫的问题。

纳普说：“由于预计未来这种极端干旱将随着气候变化的发生而更加普遍，因此必须了解为什么这些草原会以他们的方式做出反应，而这恰恰是人们根据其特征所做出的预测。”

现在，纳普和他的同事找到了这个问题的答案。在本周发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇新论文中，他们描述了在堪萨斯州和怀俄明州草地上进行的为期四年的人工干旱实验，为解决“尘钵”悖论之谜提供了解决方案。

北亚利桑那大学生态系统与社会研究中心的合著者罗一奇说：“这项研究揭开了为什么C3草在干热条件下能胜过C4草的难题。” “随着全球气候变化和降水模式的变化，这种新型透镜是预测未来植被动态和碳储量的重要工具。”

这使我们回到了谜团。为什么在历史性的热浪和干旱期间，这些爱好酷，节水效率较低的C3草在美国中部占主导地位?纳普和他的同事们发现，这与降水量的关系较小，而与降水量下降的关系更大。

在美国南部平原的正常生长年份中，大部分水分在生长季节的夏季下降。但是在北部草原，全年的降水模式更加均匀。事实证明，这也是极端干旱期间发生的事情—降水与温暖的月份的关系要少得多，而全年的降水更均匀。

因此，随着南部干旱期间北部地区降水的降雨方式更加类似，C3草发现了其偏好的降雨动态范围向南延伸。他们扩散了。

研究人员还发现，对C3植物的入侵具有某种自给自足的能力。由于它们在今年早些时候开始生长，“它们可以在C4植物活跃之前抢先使用土壤水，从而进一步减少C4物种的生长，” Knapp说。

这些结果不仅仅是计数和跟踪物种的问题。不同类型的草还具有不同的特征，这些特征可能导致整个生态系统，气候和土地利用发生变化。

例如，C3草倾向于在C4草之前平均整整一个月变绿，但死得更快，这改变了该地区的土壤-空气碳交换。由于C3草的水分利用效率较低，因此它会从土壤中吸收更多的水分，这具有复利作用，尤其是在水已经稀少的年代。

他们一年中成长的时间也很重要。

纳普解释说：“所有植物在积极生长和绿化时，都会从其叶片中蒸发出大量的水。” “这具有局部降温作用。因为C3草在春季凉爽时生长(在春季)，而不是在夏季中期，所以在炎热的夏季，最需要的时候就失去了凉爽作用。这意味着从C4到C3的增长方式的转变可能导致夏天更加炎热。”

该团队计划继续研究这些季节性变化的影响，并从中恢复。

纳普说：“在长达十年的沙尘暴干旱之后，这种干旱对植物群落的影响仍然存在了20年。” 因此，该小组现在正在监视经过四年的实验后，他们的实验地块恢复需要多长时间。

纳普说：“作为一个全球性的广泛系统，草原在全球碳循环和植被与大气之间的相互作用中起着重要作用。”这就是为什么了解这样的大规模历史事件对于应对未来气候变化至关重要的原因。

论文“解决草地对极端干旱的沙尘暴悖论”于8月24日在PNAS上发表，生物学论文的另 一位研究员，大学杰出教授戴安娜·沃尔(Diana Wall)与他人合着，该论文的共同作者为《无脊椎动物的遗传多样性证实了西南极冰原过去坍塌的时间估计。”

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