唐凤

动物粪便形成南极生物多样性热点
2019-05-16 10:19
来源: 中国科学报

图片来源:《当代生物学》

■本报记者 唐凤

荒凉的南极大地让生命难以出现——除非你靠近海豹和企鹅的粪便。

根据一项新研究,企鹅和海豹聚居地富含氮的粪便使土壤更肥沃,有助于在该地区形成生物多样性热点,并且该影响可以延伸到企鹅和海豹栖息地以外1000多米的地方。相关研究5月9日发表于《当代生物学》。

生物多样性受到气候变化和其他人类活动的威胁,但为了评估相关影响,人们还需要确定目前地球上物种的分布情况。在许多地区,特别是在遥远的南极大陆,预测物种丰度和富集模式是困难的。

“主要问题在于如何进入研究点,其中大多数非常荒凉或难以到达,没有人去那里。而且,南极洲只有有限的几个研究站,因此科学家能够安全工作的地点也很有限。此外,南极陆地植被经常被雪覆盖,这使科学家很难通过遥感进行量化。”该论文通讯作者、荷兰阿姆斯特丹自由大学生态科学系的Stef Bokhorst告诉《中国科学报》。

不毛之地 寻氮之旅

作为地球上最冷的大陆,温度和水在了解南极生物多样性模式方面受到了特别的重视,而对氮则关注不够。研究人员表示,鸟类的氮输入是地球上许多地区的主要营养来源,企鹅和海豹的氮输入与南极某些地区植物生长和土壤呼吸的增加有关。但一直以来,人们对南极苔藓和地衣中氮浓度增加对其相关食物网的影响知之甚少。

于是,Bokhorst和同事冒着南极的严寒,在动物粪便和成群结队、吵闹不休的象海豹、巴布亚企鹅、帽带企鹅和阿德利企鹅中穿行,研究它们聚居地周围的土壤和植物。

“我们关注的重点是粪便,因为它是陆地生态系统的主要氮源,我们可以使用氮稳定同位素通过食物网跟踪氮。”Bokhorst说。

研究人员在南极半岛多个研究点进行了取样。他们分别在受企鹅影响和没有受影响的地点收集了苔藓和地衣样本,并从这些样本中提取了无脊椎动物,例如跳尾虫、螨虫、线虫和缓步动物。

“我们发现,海豹和企鹅产生的粪便部分以氨的形式蒸发。”Bokhorst说,“然后,氨会被风卷起并吹到内陆,使其可以进入土壤,为初级生产者提供在这片土地上生存所需的氮。”

事实上,在这一过程中,氨可以使一个面积达聚居地240倍大小的区域变得更加肥沃。这种“施肥”过程会带来由苔藓和地衣组成的繁盛群落,这些群落反过来又可以支持数量惊人的小型无脊椎动物的生存。

快来这里数一数

“在这里每平方米你可以找到数百万只无脊椎动物,但在美国或欧洲的草原上,每平方米只有大约5万到10万只无脊椎动物。”Bokhorst说,“我们坐在实验室里数了好几个月,并且还在显微镜下对它们进行识别。即使在南极寒冷的气候中长途跋涉也比这项任务容易一些。”

最终,围绕着聚居地会形成一个被称为氮足迹的营养素富集圈。出乎意料的是,作者发现一个聚居地的氮足迹范围与该地区的寒冷或干燥程度没有多大关系,而很大程度取决于现存动物的数量。

“我们现在可以通过企鹅和象海豹,预测南极一些地点的生物多样性热点,而这些地方我们无法进行实地调查。”Bokhorst说。

此外,研究结果显示,海洋和陆地生态系统之间存在着很强的联系,并且以企鹅和象海豹作为媒介,表明海洋生态系统中由于气候变化或渔业活动而发生的任何变化,可能影响陆地生物多样性格局。

利用这些信息,Bokhorst等人能够绘制出整个南极半岛的生物多样性热点地图。重要的是,利用卫星图像确定繁殖聚居地的位置和大小就可以很容易地更新这些地图,从而使未来的研究人员免于艰苦的野外实地考察。

研究人员表示,对于像南极洲这样的地区来说,这是很重要的一步,因为南极洲巨大的面积、低温和极度的荒凉让研究变得极为困难。

人之祸 需重视

研究人员强调,此次观察到的对现有生物多样性的主要威胁是气候变化和人类活动。

南极半岛上生机勃勃的无脊椎动物群落长期以来很少有天敌,但是入侵植物物种可能会改变这种情况,这些入侵物种的种子可能从南非和南美洲被风吹来,或者被海鸟和人类带入该生态系统。

“企鹅和海豹聚居地让土壤变肥沃对本土植物有利,但同样,这也有可能使其成为入侵物种的理想选择。入侵物种可能更顽强,并为蜘蛛和甲虫等捕食性昆虫提供庇护所。”Bokhorst说,“当然,现在这个系统生产力还太低,无法支持像老鼠这样的哺乳动物。”

下一步,研究人员计划通过研究北极和南极入侵物种的作用解决这些问题。他们的主要目标是确定企鹅和海豹群体的活动是否真的促进了入侵物种的成功生存,以及将来可以采取什么样的行动防止入侵物种进入这些未受影响的地区。

“入侵物种的影响是我们未来工作的重点。我们认为,入侵物种在南极企鹅和象海豹排泄的地方可能更容易入侵成功。这是令人担忧的,因为人类经常访问企鹅的栖息地,同时可能带来入侵的植物种子。所以到目前为止,人类是南极入侵物种最有可能的来源。”Bokhorst说。

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2019.04.038

《中国科学报》 (2019-05-16 第3版 国际)

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