蛋白质组 2022-08-09 14:00 发表于广东

草是高度多样化的，但只有六七种草提供了人类消耗的大部分卡路里。草作为作物的驯化始于大约 10,000 年前，并一直持续到今天。除了耕地和牧场外，草地生态系统（禾本科和泽泻目）覆盖了地球的大片地区，形成了陆地草原和海底草甸。草原创造并稳定了肥沃的土壤、储存碳、产生氧气、并提供动物栖息地、建筑材料和食物。即便如此，这些物种和系统往往被低估。土地利用转变和气候变化构成威胁，减缓气候变化的努力也是如此，优先考虑储存在树木中的碳而不是储存在草原中的碳。然而，草可以为我们的许多社会挑战提供解决方案，只要我们能充分认识到它们的多样性和价值。

2022年8月5日，Science杂志在线发表关于草类专题报道，其中包括1篇Perspective文章和4篇review文章，重点介绍了草类忽视的价值。具体如下：

我们公众号转载了两篇文章，以供大家学习和交流: 

第一作者：Caroline A. E. Strömberg

通讯作者：Caroline A. E. Strömberg 和 A. Carla Staver

期刊：Science, 2022, 377: 592-593

发表日期：2022年8月5日

影响因子：IF2021= 63.714

文章类型：PERSPECTIVE

作者单位：美国华盛顿大学、耶鲁大学

草地生物群系的历史与挑战

草地生物群系至今已超过2000万年，但其价值却被低估并正在遭受威胁

 从蒙古草原到坦桑尼亚的稀树干草原所构成的草地生物群系，人们预测其受到目前气候和土地利用危机影响最剧烈的一类生态系统。人类历史与草地生物群系深刻地交织在一起。200万年前人类在稀树干草原的进化，伴随的农业社会兴起是通过草类驯化，例如1万年前的小麦和大麦。这些草类作物，包括玉米和水稻，依然是全球的主要食物。在曾经的（有些仍然是）天然草地区域也是以家畜生产为中心。草地生物群系庇护独特且多样的动植物通过千百万年的进化从而适应环境。它们的生物多样性和经济地位被逐步认识，迫切需要更好地理解其过去和现在的功能便于制定政策和管理。

 草地生物群系具有广泛的生物地理分布，超过地球陆地面积的1/4，包括热带和亚热带区域的35%。距今6600万年的新生代草地系统的出现是由气候、土壤和火复杂地形成的，而且食草作用尚未得到充分理解。阐述这些机理对于掌控人类活动所驱动的环境变化所影响的草地生物群系当前与将来的命运极其关键。

 草定义为禾本科的植物种，起源于距今1亿年的晚白垩世，但是直到7000万年前的晚新生代才展现出其生态优势。此超乎寻常的时间间隔促使广大进化生物学家和考古学家寻找使得草类处于当今全球优势地位的驱动力。如今大部分的草与开阔冠层的生境相关联，这源于禾本科植物进化历程中距今6千万到1亿年的相对早期所获得的一些性状。草可能快速进化出较短的生命周期和多年生芽，受到干旱、霜冻、或者火烧和放牧等干扰之后能快速再生长。某些草类在5500万年进化出所谓的C4光合作用（与C3光合作用相反），这在一定程度上能够使得它们在干热地区繁盛。较冷气候下，开阔生境的C3草类在3000万年前左右逐渐形成了霜冻中幸存的耐受性。但是，尽管进化性状适合早期出现的开阔生境，直到新生代晚期开阔生境草类依然具有生态稀缺性。一旦草类开始在全球扩张，它们非同步的发展轨迹遵从大陆特异性。直到几百万年前之后热带开阔生境的C4草类在低中纬度地区扩张形成了草地和稀树干草原，大致与较高纬度地区的冻害耐受草种的扩张同时发生。由此可见，新生代的草地生物群系不同时间不同地点至少是部分地源于不同原因。现代草地生物群系研究认为，季节性的干旱与降水、火烧与放牧能够使得草类优于树木，甚至在较低大气CO₂浓度的具有更大优势。

 草类在不同大陆出现的非同步性说明，尽管全球因子例如较低的CO₂状况可能促进多样化和向开阔生境的扩张，特别是C4草类，CO₂变化并不足以典型地使得草类成为优势。地球化学和考古工具的迅猛拓展使得人们能够更多细节性的深刻见解。研究表明气候和火与现存植被互作的区域变化影响草类展现优势地位的发展轨迹，这在不同大陆各有差异。除了环境状况，食草动物可能直接贡献于草地植被扩张，尽管其机理尚未得到充分理解。稀树干草原的树木对于食草动物的防御策略，例如长刺或者针叶，与距今1700万年前的非洲大陆草类扩张和牛科动物多样化同时发生，但是这远在火频发之前。受全球冰期（260万年之前）冰盖进退的影响，草地生物群系自出现伊始不断地在分布范围、结构和组成方面发生变化。如今，他们已经广泛分布到除南极洲外的每块大陆，一定程度上与干旱和降雨季节性的分布相关。

 鉴于60%的草地生态系统接收 <750 mm 年降水，大部分具有干旱季从而塑造了其植物生理。这给大家提供了干旱度驱动了晚新生代草地扩张的理论依据。但是，40%的草地生态系统扩张到年降雨量>750 mm的较高降雨区域，拥有了能够支撑森林生长的降雨条件。这些适度湿润或者“中湿”草地生态系统在生物地理分布上完全不同于半干旱区，但是二者均从远古进化而来。尽管人们普遍认为半干旱热带稀树草原是全球大部分地区植被的“原貌”，中湿热带稀树草原则被认为是退化的森林。直到最近，中湿热带稀树草原才因其独特的生物多样性和生态系统功能而被认可。

 火灾可能在稳定中湿热带稀树草原方面发挥着重要作用，其通过防止树木建植或者杀死树木来排除森林，从而有利于草的生长。总体而言，草地生物群系占到了全球每年被烧毁面积的80%以上。热带稀树草原的植物性状与火灾史是一致的。独特的、多样的、古老的乔木和灌木群落很好地适应了不断的火灾，因为它们具有厚厚的树皮、大量的地下非结构性碳水化合物储备和促进重新发芽的芽库。除了耐火烧，许多草还能传播火。这些火灾适应对草地生物群落的生态系统功能具有重大影响。

 以草和树叶的为食的食草动物也会影响草地的功能，尤其是在半干旱的热带稀树草原，食草动物的存在会减少草的生物量积累和阻止树木建植。草原植物在进化过程中积累了丰富的食草相关性状，包括树木的食草性防御（例如：刺）和能够承受强烈放牧的草形态（例如：从基部而不是从芽尖和芽库生长）。然而，相对于气候和土壤条件等其他因素，草地生物群落分布的重要性仍然是未知的。

 总之，所有证据表明草地生态系统是复杂的，其生态属性不仅基于气候还取决于与火灾和食草动物的互作和反馈。这些复杂性使得预测草地生物群系对全球变化响应成为一项特殊的挑战，但研究表明CO₂施肥效应、抑制火烧和牲畜扩张的综合影响导致了广布木本植物的扩张以及草地生物群系的退化，这一趋势可能会持续到不远的将来。

 草地生物群系受到持续的土地利用转变和退化的威胁，然而在全球来说受到的保护最少。例如90%的温带草原已经转变为农田或城镇，土地开发中仅有不到1%的残存者受到保护。造林、防火和土地利用转变对热带稀树草原造成的持续威胁也没有引起人们的关注，尤其是在非洲、南美洲和亚洲，这对热带稀树草原和草原生物多样性的影响将会是毁灭性的。预计到2070年，约有40%的草原脊椎动物将会消失。因此，从远古走来的草地生物群系的命运将变得岌岌可危，最终后果将是对功能和进化迥异的生物群的持久性影响。

 草地生物群系的历史和遗产。从寒冷到炎热，干旱到湿润，草地生物群系存在于广泛气候区域中。沧海桑田，斗转星移，持续变化的环境塑造了它们分布的前世今生，但干扰模式（火烧、植食）和植被历史也塑造了其进化历程以及今生来世的功能。

来源：Glassland Research

2. 世界草地总面积52.5亿公顷，占地球陆地总面积的40.5%（不包括格陵兰岛和南极）。草地具有极其重要的生态功能和生产功能，储存了全球陆地生态系统有机碳总量的34%，其中约90%的碳储存在植物根系和土壤中。因此，厘清草地土壤有机碳形成、周转和稳定性维持与调控机制，提出基于自然的气候变化解决方案，提升生态系统保碳增汇能力，对于保障全球生态安全和食物安全，实现“双碳”目标具有重要的意义。 

植物所白永飞研究员和美国科罗拉多州立大学的M. Francesca Cotrufo教授合作发表研究综述，综述基于微生物在土壤有机碳形成和持久性中起关键作用这一新范式，提出了植物多样性通过影响地上和地下生物量分配、凋落物和根系分泌物碳输入，调控土壤微生物体内转化、体外修饰和微生物残体续埋过程，进而调控矿物结合态有机质和颗粒态有机质的形成、积累和持久性的概念框架。 

科研人员整合分析了大陆尺度不同草地类型微生物残体碳对土壤总有机碳的相对贡献，以及全球尺度真菌、细菌和总微生物残体碳与降水量的关系，系统梳理了气候变化、火烧和放牧对草地土壤矿物结合态有机质、颗粒态有机质和碳储量的影响及其环境依赖性，定量分析了恢复生物多样性、轮牧、长期施肥、种植豆科牧草、退耕还草等管理措施对增加土壤碳固存的贡献。在全球和区域尺度，估算了退化草地恢复、优化放牧地管理和牧场中种植豆科植物的增汇潜力。在此基础上，综述提出了未来草地生态系统保碳增汇基础研究与技术研发的重点领域和行动方案。 

草地土壤有机碳形成、周转和稳定性维持与调控机制 

未来研究中，需要进一步厘清各种草地管理措施的碳固存潜力及其不确定性和环境依赖性，揭示这些措施在生物多样性保护、气候变化减缓和食物生产方面产生的协同效应和权衡。需要采取行动包括：1）恢复各类退化草地；2）改进放牧地管理；3）合理配置草地的生态-生产功能；4）保护草地生物多样性；5）牧场和人工草地中种植豆科植物；6）改善草地施肥管理；7）避免草地转化为农田、林地和其它用地。 

转载自 iPlants

原文链接： 

 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2380