大約100年前，大平原地區(qū)發(fā)生了一次奇怪的慢動(dòng)作收購(gòu)。在1930年代的沙塵暴期間，歷史性的熱浪和干旱席卷了美國(guó)中部，該地區(qū)的植物種類發(fā)生了巨大變化。

在北方較冷的地區(qū)更常見的草開始接管通常由其他本地草占據(jù)的異常干熱的南部平原州。

當(dāng)然，當(dāng)時(shí)的植物覆蓋率變化并不是災(zāi)難的頭等大事，這場(chǎng)災(zāi)難使約250萬(wàn)人流離失所，僅農(nóng)業(yè)損失就至少造成19億美元。而且，實(shí)際上，這似乎并不那么奇怪-直到科學(xué)家開始更多地了解這些類型的植物。

科羅拉多州立大學(xué)自然科學(xué)學(xué)院生物學(xué)系的大學(xué)杰出教授艾倫·納普說(shuō)：“根據(jù)后來(lái)我們對(duì)彼此替代的物種的特性的了解，發(fā)生的事情才在很久以后才成為謎”?？屏_拉多州立大學(xué)生態(tài)學(xué)研究生課程的高級(jí)生態(tài)學(xué)家。

在1960年代，研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種類型的植物在生態(tài)學(xué)上存在明顯的生態(tài)差異(一種被稱為“ C4”的植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生具有四個(gè)碳原子的化合物，與另一種稱為“ C3”的化合物相比，后者的第一個(gè)光合作用化合物僅由三個(gè)碳原子組成。C4草在溫暖的溫度下生長(zhǎng)最好，并且用水效率更高。在較涼和潮濕的氣候下，C3草往往含量最高。

這就提出了一個(gè)問(wèn)題：為什么在臭名昭著的干旱和熱浪中，C3草會(huì)突然入侵美國(guó)中南部約135,000平方英里的地方，因此誕生了“沙塵暴悖論”。

這不僅僅是歷史的好奇心。隨著氣候變化的加速，占全球陸地面積約30%至40%的草原已經(jīng)開始出現(xiàn)溫度升高和降雨極端變化的趨勢(shì)，并有望遭受更加極端的干旱。納普指出，“無(wú)論它們發(fā)生在哪里，它們都是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的重要組成部分。” 因此，了解導(dǎo)致“塵埃缽” 草種突然轉(zhuǎn)變的原因及其連鎖效應(yīng)是一個(gè)日益緊迫的問(wèn)題。

納普說(shuō)：“由于預(yù)計(jì)未來(lái)這種極端干旱將隨著氣候變化的發(fā)生而更加普遍，因此必須了解為什么這些草原會(huì)以他們的方式做出反應(yīng)，而這恰恰是人們根據(jù)其特征所做出的預(yù)測(cè)。”

現(xiàn)在，納普和他的同事找到了這個(gè)問(wèn)題的答案。在本周發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一篇新論文中，他們描述了在堪薩斯州和懷俄明州草地上進(jìn)行的為期四年的人工干旱實(shí)驗(yàn)，為解決“塵缽”悖論之謎提供了解決方案。

北亞利桑那大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)研究中心的合著者羅一奇說(shuō)：“這項(xiàng)研究揭開了為什么C3草在干熱條件下能勝過(guò)C4草的難題。” “隨著全球氣候變化和降水模式的變化，這種新型透鏡是預(yù)測(cè)未來(lái)植被動(dòng)態(tài)和碳儲(chǔ)量的重要工具。”

這使我們回到了謎團(tuán)。為什么在歷史性的熱浪和干旱期間，這些愛(ài)好酷，節(jié)水效率較低的C3草在美國(guó)中部占主導(dǎo)地位?納普和他的同事們發(fā)現(xiàn)，這與降水量的關(guān)系較小，而與降水量下降的關(guān)系更大。

在美國(guó)南部平原的正常生長(zhǎng)年份中，大部分水分在生長(zhǎng)季節(jié)的夏季下降。但是在北部草原，全年的降水模式更加均勻。事實(shí)證明，這也是極端干旱期間發(fā)生的事情—降水與溫暖的月份的關(guān)系要少得多，而全年的降水更均勻。

因此，隨著南部干旱期間北部地區(qū)降水的降雨方式更加類似，C3草發(fā)現(xiàn)了其偏好的降雨動(dòng)態(tài)范圍向南延伸。他們擴(kuò)散了。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，對(duì)C3植物的入侵具有某種自給自足的能力。由于它們?cè)诮衲暝缧r(shí)候開始生長(zhǎng)，“它們可以在C4植物活躍之前搶先使用土壤水，從而進(jìn)一步減少C4物種的生長(zhǎng)，” Knapp說(shuō)。

這些結(jié)果不僅僅是計(jì)數(shù)和跟蹤物種的問(wèn)題。不同類型的草還具有不同的特征，這些特征可能導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，氣候和土地利用發(fā)生變化。

例如，C3草傾向于在C4草之前平均整整一個(gè)月變綠，但死得更快，這改變了該地區(qū)的土壤-空氣碳交換。由于C3草的水分利用效率較低，因此它會(huì)從土壤中吸收更多的水分，這具有復(fù)利作用，尤其是在水已經(jīng)稀少的年代。

他們一年中成長(zhǎng)的時(shí)間也很重要。

納普解釋說(shuō)：“所有植物在積極生長(zhǎng)和綠化時(shí)，都會(huì)從其葉片中蒸發(fā)出大量的水。” “這具有局部降溫作用。因?yàn)镃3草在春季涼爽時(shí)生長(zhǎng)(在春季)，而不是在夏季中期，所以在炎熱的夏季，最需要的時(shí)候就失去了涼爽作用。這意味著從C4到C3的增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致夏天更加炎熱。”

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)研究這些季節(jié)性變化的影響，并從中恢復(fù)。

納普說(shuō)：“在長(zhǎng)達(dá)十年的沙塵暴干旱之后，這種干旱對(duì)植物群落的影響仍然存在了20年。” 因此，該小組現(xiàn)在正在監(jiān)視經(jīng)過(guò)四年的實(shí)驗(yàn)后，他們的實(shí)驗(yàn)地塊恢復(fù)需要多長(zhǎng)時(shí)間。

納普說(shuō)：“作為一個(gè)全球性的廣泛系統(tǒng)，草原在全球碳循環(huán)和植被與大氣之間的相互作用中起著重要作用。”這就是為什么了解這樣的大規(guī)模歷史事件對(duì)于應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化至關(guān)重要的原因。

論文“解決草地對(duì)極端干旱的沙塵暴悖論”于8月24日在PNAS上發(fā)表，生物學(xué)論文的另 一位研究員，大學(xué)杰出教授戴安娜·沃爾(Diana Wall)與他人合著，該論文的共同作者為《無(wú)脊椎動(dòng)物的遺傳多樣性證實(shí)了西南極冰原過(guò)去坍塌的時(shí)間估計(jì)。”