|
编译：环境微生物学Rivc，编辑：小菌菌、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 土壤蕴藏着世界生物多样性的很大一部分，为许多重要的生态系统功能做出了贡献。因此，必须确定与土壤生物的分布和功能有关的一般宏观生态模式，以支持其养护和治理。这些宏观生态学分析需要代表全球范围内各种环境条件。 本文在土壤宏观生态学研究和全球17,186个采样点的土壤分类和生态系统功能数据中，确定并描述了现有的环境差距。这些数据差距包括重要的空间，环境，分类和功能差距，以及几乎完全没有时间明确的数据。 本文还确定了土壤宏观生态学研究的局限性，以探索土壤生物多样性与生态系统功能关系的一般模式，尽管每个采样点具有不同的生物分类和功能，但只有0.3％的采样点同时具有关于生物多样性和功能的信息。基于这些信息，为支持和扩展土壤宏观生态学研究提供了明确的重点。 论文ID 原名：Blind spots in global soil biodiversity and ecosystem function research 译名：全球土壤微生物多样性和生态系统功能研究的盲点 期刊：Nature Communications IF：12.12 发表时间：2020.08 通信作者：Carlos A. Guerra 通信作者单位：德国综合生物多样性研究中心 实验设计 通过收集关于土壤生物多样性和生态系统的宏观生态研究发表的文献，创建了一个数据集。最初的Web of Science搜索了1203项研究，这些研究筛选了以下三个纳入标准： （1）有关土壤分类和/或土壤生态系统功能的研究； （2）研究跨越一个以上的大陆，每个大陆的地点不止一个（不包括在任何特定大陆中的太平洋岛屿被视为一个单独的大陆，有助于纳入某些研究）； （3）横跨整个大陆的研究。 共得到了包含62个研究的数据集，这些研究涉及1995117年至2018118年全球梯度范围内的土壤生物多样性和/或土壤生态系统功能的过程和模式（图4表2）。根据论文主题的分类单元和/或功能对所选的62项研究进行分类，并筛选研究基础采样点的可用点坐标(表2)。通过使用已发表的数据或联系出版物的相应作者，获得了采样点的位置。总体而言，分析中包含了已确定研究总数的约72.6%(45项研究)(表2)。涵盖10个不同的分类群和5个(总共7个)生态系统功能(图1；表2)。本文的主要目的之一是描述当前土壤宏观生态学研究捕捉影响土壤领域的条件多样性的能力，包括土壤(包括物理和化学特性)、气候(包括影响土壤条件的特性，例如，与土壤湿度和温度相关)、地貌(包括全球地形特性)等特性。对于每项研究目的是找到全球土壤生态系统研究的“盲点”，对应于环境和地上多样性代表性不足的地区。为此，我们将这些环境和地上多样性变量的全局直方图(表3)与使用每个变量的采样点获得的直方图进行了比较特别研究。这些直方图使用自然间断点方法进行分类。 其次，对于每项研究，覆盖了所有变量的空间值，包括环境变量的平均值和中位数分布以及标准差。以便具有分类和功能表示(例如，对于细菌、真菌、分解物等。)，最后，为了评估土壤多样性和气候条件的代表性，将之前分类的变量(每个分类变量的空间分布可以在补充图5-9中找到)组合成三个不同的组(补充图10): (a)土地覆盖(包括土地覆盖、植物多样性和海拔的组合)； (b)土壤(包括有机碳、含砂量和酸碱度的组合)； (c)气候(包括平均降水量和温度的组合及其季节性)。 最终将这些映射的组合与每个研究的分布数据重叠，以了解哪些组合具有最高数量的冗余研究，即一个以上的研究覆盖相同的环境组合。最后，我们应用了基于Mahalanobis距离的多维距离计算(考虑所有连续环境变量)的统计方法。计算并绘制了所有位置到观察分布中心的马氏距离。主要目的是了解当前宏观生态学文献是如何捕捉全球土壤条件的多样性的。 结果 1 生物化学性质 从我们的文献搜索中，我们收集了17，186个代表土壤生物多样性和生态系统功能宏观生态学研究的单个位置/采样点的详细信息(图1)。在我们的评估中，包括了与生物量相关的土壤生物研究作为生物多样性和功能之间的重要联系。细菌、真菌和土壤呼吸(图1a)分别是我们文献调查中最具代表性的土壤分类群和功能。从全球来看，土壤生物多样性和生态系统功能数据分布不均。细菌(N= 3453)，真菌(N= 1687)，蚁科(N = 3024与轮虫(N= 41)、弹尾目(N =27)和蜱螨目(N= 10)相比，它们的分布相对较大且地域平衡，后者的采样点数量少得多，分布更为分散(详见补充图2)。在局部范围内，土壤生态系统本质上是非常不均匀的48。土壤功能和分类群取样点数量少且分散(补充图11)，限制了当前全球分析评估土壤生物多样性和生态系统功能之间宏观生态关系的能力，特别是对养分循环和次生生产力而言，后者具有很强的局部相互依赖性49。事实上，从这里评估的五个函数来看，对土壤呼吸的研究明显集中，占所有函数记录的78.8%(N= 2616)(图1d；详见补充图3)。在局部范围内，土壤生态系统本质上是非常不均匀的。土壤功能和分类群取样点数量少且分散(补充图11)，限制了当前全球分析评估土壤生物多样性和生态系统功能之间宏观生态关系的能力，特别是对养分循环和次生生产力而言，后者具有很强的局部相互依赖性。事实上，从这里评估的五个函数来看，土壤呼吸的研究明显集中，占所有函数记录的78.8% (N= 2616)(图1d；详见补充图3)。 我们发现在当前的全球数据集中缺乏土壤生物多样性和多重生态系统功能的匹配数据。由于这些和其他土壤功能对生物多样性的依赖性，能够加深我们对预期生物多样性和生态系统功能关系的强度和分布的理解是更好地为管理和政策决策提供信息的必要步骤。在这种情况下，只有0.3%的采样点在生物多样性和功能数据集(对应于67个采样点，补充图11)之间有重叠，只有少数分类群和功能跨站点的非系统覆盖。如今，关于地上生物多样性和生态系统功能的宏观生态学研究依赖于数据动员机制，该机制允许数据被重复使用以解决多个研究问题。 此外，尽管采样点数量众多，但这些新数据集通过向温带系统倾斜，进一步反映了当前宏观生态学发现的偏差(补充图12)。我们还发现，大多数研究都是基于单一采样事件，即没有对同一采样点进行多年或长时间的重复测量。能够研究社区和功能如何随时间而变化，对于评估关键分类群和功能的趋势及其对全球变化的脆弱性至关重要。全球调查表明，这种信息在大规模的土壤生物多样性和生态系统功能研究中几乎不存在。 因此，对于大多数土壤群落和功能而言，尽管存在局部研究，但理解全球趋势以及全球变化驱动因素和情景的影响是困难的，并且受到缺乏全球分布和时间上明确的观测数据的限制。 图1 土壤类群和土壤生态系统功能采样点的全球分布 2 生态盲点 总的来说，土壤生物多样性和生态系统功能变量都揭示了全球生物群落的高度空间聚集性:温带生物群落(尤其是阔叶混交林和地中海)比苔原、泛滥草原和稀树草原、红树林和大多数热带生物群落包含更多的采样点，潮湿的阔叶林除外(补充图4)。这种空间聚类在生态系统功能研究中更为明显，温带系统在所有采样点中占62%，而全球其他地区的土壤条件信息分散。这可能反映了不同国家在资金供应和研究专业知识方面的差异。事实上，对于像弹尾纲和线虫纲这样的分类群(尽管有大量的采样点)，大多数采样点集中在温带地区，在其他地区记录的很少。这种不平衡导致对温带地区土壤生物多样性的相当准确的预测，但在其他地方有很高的标准误差，当与非空间分层算法相结合时，这种误差会进一步增强。 目前在土壤宏观生态学研究中描述的环境条件范围对于理解土壤生物多样性、生态系统功能和关键环境条件之间的关系是必要的。在这种情况下，地球上存在的土壤碳水平的完整范围没有得到很好的覆盖，碳含量非常高和非常低的土壤(图2a)。这同样适用于土壤类型，只有一小部分土壤类型被很好地覆盖，而其他土壤类型代表性不足或完全没有（2a）比之下，我们的研究确定了土壤生物多样.和功能研究中过度和不足的环境条件(图2)。 与土壤条件相反，土壤生物多样性和功能研究很少涉及气候变异性，几个气候范围几乎完全缺失(图2f–k)。这些地区包括低和高潜在蒸发/干旱地区，以及具有高气候季节性、低降雨量和极端温度(即非常热和非常冷的系统)的地区，生物多样性和生态系统功能研究之间的覆盖面没有总体差异。气候条件(当前和未来)对土壤生物和功能都有很大的影响。当观察特定的气候组合(图3c)时，这个问题进一步恶化，其中59.6%的全球气候条件没有被所考虑的任何研究覆盖。 尽管土地覆被研究代表了土壤生物多样性和功能的主要驱动力，但土地覆被研究显示了不同土壤生物和特定功能的不同反应。虽然一般来说，土地覆盖类型覆盖面很广，但城市地区附近的场地比例过高(图2n)。气候和土壤特性塑造了全世界的土壤群落。然而，人为干扰，特别是与土地使用变化和强度有关的干扰，对这些土壤群落及其功能表现有重要影响。地衣、苔藓和裸地被忽略了，灌丛在生态系统功能评估中没有很好的代表性。这些差距可能具有重要的意义，特别是当它们与旱地或更高纬度系统等研究不足的生态系统相关时，这些系统可能蕴藏着高度的生物多样性，但其模式大多未知。在这种情况下，目前的分析表明，低多样性地区(此处表示为植物丰富度)在大多数研究中不存在或代表性不足，重点主要是高多样性地区。同时，有人提出，全球地面和地下生物多样性之间可能存在重要的不匹配，即在很大的区域内，地面生物多样性不能很好地预测地下生物多样性。 当观察地下研究如何覆盖全球环境条件时(图3a，c)，观察到了重要的空间差距。虽然大多数与土壤相关的变量在研究中都有很好的覆盖，但当观察地上多样性时，情况就不一样了(见补充图10)，这表明在中低海拔地区，森林和作物区的覆盖度非常好，植物丰富度高于平均水平，而其他环境组合的覆盖度则偏低。总的来说，虽然期望所有宏观生态研究涵盖所有可能的土壤条件是不合理的，但我们的结果表明，大多数研究在全球区域的平均覆盖率低于50%，但中欧和西欧及加勒比海地区(就生物多样性和功能而言)以及中亚和东北亚以及北美和南美(就生态系统功能而言)除外。所有其他区域的土壤宏观生态研究显示出系统性的低覆盖率，北非和西亚的平均环境覆盖率最低(图3b，d)。尽管温带地区(如中欧和西欧)在土壤宏观生态研究中的平均环境覆盖率最高，但在这些地区，许多环境组合没有得到适当覆盖，特别是高海拔、低酸碱度和高碳含量的地区(见图3AF，BF)。令人担忧的是，被认为是大多样性的地区或国家(即，至少从地上多样性的角度来看)在土壤宏观生态研究中的代表性很低(图3aB、aE、aD、cB、cE、cD)。在一个不断变化的世界里，土壤生物多样性的变化正在得到系统的报告，当前的预测指向土地使用强度的增加，荒漠化和快速的气候变化，了解土壤群落中生物多样性的变化是否以及在多大程度上发生是非常重要的。这与评估生物多样性变化和生态系统功能之间的因果效应特别相关(例如，生物多样性的变化是因为功能变化而发生的，是与功能变化成对发生的，还是尽管功能变化而发生的，反之亦然)，如果关键的生态系统功能(例如，碳固存)是评估的主题，这一点就更加相关。 3 跨越盲点的挑战 如果没有基于重新取样位置的空间明确研究，就无法填补土壤生物多样性和生态系统功能大规模时间趋势方面的知识空白。这可以通过一个得到许多国家承认和支持的标准化全球监测框架来实现，目前还没有这样的框架。鉴于公认的土壤分类群相互作用、生物多样性和生态系统功能关系以及地下相互作用的强度，这些大规模监测活动和研究应考虑超越传统的单一分类群/功能方法，收集关于土壤生态系统多个层面的信息，同时扩大/支持调查，以覆盖土壤宏观生态研究的盲点(图3)。在所有土壤分类群和功能中，此处确定的地理和生态盲点通常是由土壤生态特有的许多障碍造成的。 土壤宏观生态学家面临许多挑战和限制，从不同分类群缺乏方法标准和科学专业知识，到目前执行《生物多样性公约》和《名古屋议定书》造成的限制。与此同时，鉴于全球变化驱动因素的性质，了解它们对当地土壤群落和生态系统功能的影响需要全球宏观生态方法，这些方法可以为全球决策者提供背景、预测和具体建议。然而，如果基于从其他国家推断的数据，这些宏观生态方法在提供国家规模的相关产出方面将会不那么有效；如果有来自全国和地方调查的地方数据，并公开提供，这些数据将会大大改善。如果没有更全面的研究来寻找大规模土壤生态问题的答案往往涉及处理多种尺度(时间和空间)和许多专题和分类深度就很难深化土壤宏观生态知识。这对于在全球范围内测试生物多样性和生态系统功能之间的关系，或者试图解决具体的社会问题(例如，将气候和土地使用变化归因为土壤生态变化或总体生物多样性趋势的驱动因素)尤为重要。 4 寻找全球观测的解决方案 从全球来看，土壤生境不断受到主要威胁的压力，如气候变化、土地使用变化和集约化、荒漠化和污染水平的增加。在这里，我们主张全球监测倡议，系统地采样跨越空间和时间的土壤生物多样性和生态系统功能。迫切需要此类全球倡议，以充分了解当前全球环境变化对土壤生物支持的多重生态系统过程和服务的影响(表1)。这要求当前和未来的供资机制为来自不同国家的当地伙伴参与全球研究项目提供更大的灵活性。鉴于土壤生态研究需要跨境倡议和通常昂贵的实验室基础设施，需要灵活的资金和适当的知识转移机制来支持全球土壤宏观生态研究。这些知识反过来将有助于促进我们对土壤生物多样性和生态系统功能的宏观生态模式的理解，从而实现国家和全球保护目标。考虑到目前的文献库，改善关于土壤生物多样性和生态系统功能的数字可用数据应该是一个最高优先事项，可以通过系统地调动现有开放获取平台(如GBIF)中的基础数据来支持。在共享知识和开放获取数据方面实现这一目标，除了使全球土壤生物多样性调查成为可能之外，还会带来其他好处。它将使当地研究人员能够扩大自己的主动性，建立一个更加紧密联系的全球土壤生态学家社区，绕过出版物和语言的限制，并有可能为那些不愿分享其土壤生物多样性数据的国家打开大门。与此同时，需要基于标准化数据收集和分析的协调采样策略来改善土壤宏观生态评估。从我们的结果来看，很明显，如果不是全部的话，大部分的研究只着眼于土壤领域的一小部分，而全球环境条件在空间和主题上没有多少互补性。此外，生物多样性和功能研究之间的微小重叠表明，大多数社区评估忽略了这些研究提供的生态系统功能，反之亦然，这促使人们呼吁采取更复杂的方法来显示潜在的联系和全球生态系统服务。我们的研究有助于确定全球目标位置和生物群落，这需要在未来的调查中给予优先考虑。未来的采样战略将大大受益于在相同地点进行的生物多样性和功能评估的协调采样活动，最好是从相同的土壤样本中进行，以提高土壤生物多样性和生态系统功能数据的当前时空分辨率。这两个互补的途径(即数据动员和当前文献的共享以及全球标准化采样)如果在空间明确的背景下进行，并遵循标准化的协议，最终可以为土壤生态系统的预测建模框架提供信息，以跟踪全球/国家生物多样性目标的实现、政策支持和决策。综上所述，我们的研究显示了未来宏观生态学研究应瞄准的不同分类群和功能之间的重要空间和环境差距，以及收集时间数据集以探索是否在地下分类群中发现当前地上生物多样性下降的需要。随着全球空间、分类和功能盲点的确定，以及全球土壤宏观生态研究优先行动的定义，我们的综述强调了采取行动促进克服当前局限性的全球土壤监测系统的必要性。
|
|
|
