新的研究为“尘暴悖论”提供了解决方案

大约100年前，美国大平原发生了一场奇怪的、慢动作的接管。在20世纪30年代的沙尘暴期间，随着历史性的热浪和干旱席卷美国中部，占据该地区的植物类型发生了戏剧性的变化。在凉爽的北方更常见的草开始侵占异常炎热和干燥的南部平原州，而这些州通常被其他州占据。

当然，在当时，植物覆盖的这种变化并不是这场灾难中最令人担忧的问题，这场灾难导致约250万人流离失所，仅农业损失就至少造成19亿美元。事实上，这看起来并不奇怪--直到科学家们开始更多地了解这些类型的植物。

科罗拉多州立大学(Colorado State University)自然科学学院生物系特聘教授、加州州立大学(CSU)生态学研究生项目高级生态学家艾伦·纳普(Alan Knapp)说，直到很久以后，基于我们对相互取代的物种特征的理解，发生了什么才成为一个谜。他是科罗拉多州立大学(Colorado State University)自然科学学院生物系的特聘教授，也是加州州立大学(CSU)生态学研究生项目的高级生态学家。

在20世纪60年代，研究人员发现，这两种被认为气候温暖和凉爽的草之间存在着明显的生态差异(一组利用光合作用产生一种含有四个碳原子的化合物，而另一组称为#34；C3，#34；其第一种光合作用化合物只由三个碳原子组成)。C4草在温暖的温度下生长得最好，而且更有效地利用水分。C3草往往在较凉爽和潮湿的气候中最为丰富。

这就提出了一个问题：为什么在一场臭名昭著的干旱和热浪中，C3草会突然入侵美国中南部约13.5万平方英里的地区。因此，沙尘暴悖论应运而生。

这不仅仅是历史好奇心的问题。随着速度的加快，覆盖全球陆地表面约30%至40%的草原已经看到气温上升和降雨量的极端变化，预计还会经历更极端的干旱。而且，纳普指出，无论发生在哪里，它们都是当地经济的重要组成部分。因此，了解是什么导致了沙尘暴物种的突然转变，以及它们的连锁反应，这是一个越来越紧迫的问题。

克纳普说，因为这种极端干旱预计在未来会随着气候变化而更加常见，所以理解这些草原为什么会做出这样的反应是很重要的，这与人们根据它们的特征做出的预测完全相反。

现在，纳普和他的同事们已经找到了这个问题的答案。在本周发表在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原进行的一项为期四年的人工干旱实验，该实验为解决沙尘暴悖论提供了一个解决方案。

北亚利桑那大学生态系统科学与社会中心的合著者罗一琪说，这项研究揭开了一个谜团，为什么C3草在炎热干燥的条件下比C4草更具竞争力。随着全球气候变化和降水模式的改变，这种新镜头是预测未来植被动态和碳储量的重要工具。

这就把我们带回了谜团。为什么在历史性的热浪和干旱期间，这些酷爱凉爽、节水效率较低的C3草会在美国中部占据主导地位？纳普和他的同事们发现，这与降水量关系不大，更多的是与降雨量何时下降有关。

在美国南部平原正常生长的一年中，大部分水分在夏季生长季节下降。但在北部草原，一年四季的降水模式更为均匀。事实证明，极端干旱期间也会发生这种情况-降水与温暖的月份联系较少，全年发生得更均匀。

因此，随着南方干旱期间降雨量更像北方平原的模式下降，C3草发现它们喜欢的降雨动力学的界限向南延伸。而且它们大量繁殖。

研究人员还发现，C3植物的侵占具有一种自给自足的力量。纳普说，因为它们在今年较早开始生长，它们可以在C4植物变得活跃之前抢先使用土壤水分，进一步减少C4物种的生长。

这些结果不仅仅是计数和跟踪物种的问题。不同类型的草也有不同的特性，可以导致整个生态系统、气候和土地利用的变化。

例如，C3草比C4草平均提前整整一个月变绿，但死亡时间更早，从而改变了该地区的土壤-空气碳交换。C3草利用水的效率较低，它从土壤中吸收更多的水分，这产生了复合效应，特别是在水资源已经稀缺的年份。

克纳普解释说，所有的植物在活跃生长和绿色时，都会从它们的叶子中蒸发出大量的水分。"；这具有局部降温效果。因为C3草在凉爽的时候(春天)生长，而不是在仲夏，所以在最需要的时候-炎热的夏季，降温效果就会消失。这意味着从C4到C3生长模式的转变可能会导致更炎热的夏季。

该研究小组计划继续研究这些季节性变化的影响-以及从这些影响中恢复过来。

纳普说，在长达十年的沙尘暴干旱之后，干旱对植物群落的影响在20年内是显而易见的。因此，该组织现在正在监测他们的实验田在四年的实验后需要多长时间才能恢复。

克纳普说，作为这样一个全球范围广泛的系统，草原在全球碳循环和植被-大气相互作用中发挥着重要作用，这就是为什么理解这样的大规模历史事件对于准备未来的气候变化至关重要。

这篇论文“解决草原对极端干旱的反应的沙尘暴悖论”发表在8月24日的“美国国家科学院院刊”上，同时发表的还有生物系教员、大学杰出教授戴安娜·沃尔的一篇论文，她与人合著了一篇论文，题为“土壤无脊椎动物的遗传多样性”，证实了过去南极西部冰盖崩塌的时间估计。更多信息：Alan K.Knapp等人，“解决沙尘暴悖论”。Doi：10.1073/pnas.1922030117。

杰玛·E·柯林斯等人。土壤无脊椎动物的遗传多样性证实了对过去南极西部冰盖崩塌的时间估计，“美国国家科学院学报”(2020)。Doi：10.1073/pnas.2007925117