研究人员让世界上唯一一片封闭式雨林——亚利桑那州的生物圈2号——经历了为期四个月的可控干旱及恢复过程。
这项名为“水、大气与生命动态”（Water, Atmosphere and Life Dynamics，简称 WALD）的实验，旨在捕捉干旱和重新湿润过程中尽可能多的数据。
实验生态系统让研究人员得以了解整个生态系统对压力的整体响应。
研究结果发表于《科学》，显示雨林的碳储量下降了约70%——这引发了人们对气候变化持续加剧之际森林从大气中捕获并储存二氧化碳能力的担忧。
不过，研究人员还发现，复杂交织的用水策略和土壤相互作用能够帮助森林在面对极端干旱时保持稳定。
“从某些方面来看，这片森林对干旱的抵御能力出人意料地强，”劳拉·梅雷迪思说。她是亚利桑那大学农业与生命科学学院自然资源与环境学院的助理教授，也是该项目三位负责人之一。
该大学生物圈2号内的玻璃封闭雨林占地相当于七个网球场，生长着90种植物，使研究人员能够模拟整个生态系统遭遇干旱的情形。
这项实验名为水、大气与生命动态，简称 WALD；Wald 在德语中意为“森林”。实验旨在捕捉干旱和重新湿润过程中尽可能多的数据。研究人员在这片约三英亩的雨林中铺设了近两英里的特氟龙管，并安装了133多个传感器，同时测量从大气和植被中的碳库，到微生物组和深层土壤水分过程等各方面的数据。
“我们利用稳定同位素追踪正常条件和严重干旱条件下碳和水在生态系统中的流动，这揭示了令人惊讶的植物与生态系统相互作用，”梅雷迪思说。
“重要的是，个体植物对干旱的反应并不相同。一些植物对干旱非常敏感，为求稳妥，很快就放缓了至关重要的碳和水循环；另一些则更耐旱，即使在风险更高的干旱条件下也能维持其功能。”
在实验中，研究人员根据植物的耐旱性和干旱敏感性，对大型乔木和林下植物的反应进行了分类。
“我们观察到的最令人惊叹的反应之一，发生在大型耐旱树木与干旱敏感树木之间，”德国弗赖堡大学生态系统生理学教授、项目负责人之一克里斯蒂安娜·维尔纳说。
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大型干旱敏感树木通常耗水最多，尤其是从表层土壤中取水。维尔纳解释说，干旱期间表层土壤最先干涸，这些树木因缺水而受影响最快、最严重。研究人员原以为，干旱敏感树木会立即利用深层土壤中的水资源。
“但它们大幅减少了用水量，只有在极端干旱时才动用深层水储备，”维尔纳说。“这样一来，它们就尽可能长时间地保留了深层水储备。”
大型耐旱树木保留树冠叶片的时间最长，持续提供遮荫，避免林下植物的表层土壤进一步脱水。
梅雷迪思解释说：“植物对干旱的反应各不相同，有助于维持整个生态系统更强的碳和水循环功能，无论是在干旱最严重时，还是降雨带来水分后迅速响应水分重新充足的情况。”
尽管碳储量在森林系统中随着干旱压力加剧而大幅下降，植物释放的挥发性有机化合物（VOC）却有所增加。这些化合物参与土壤微生物与植物之间的交流和信号传递。VOC 对植物应对压力尤为重要。
研究结果显示，不同 VOC 的排放呈连锁反应，其中包括异戊二烯、己醛和单萜类。单萜类能够促进云凝结和降雨形成，也可能成为抵御干旱的一种保护机制。
植物向大气大量排放 VOC，但土壤中的微生物生命会截留其中一部分，从而减少热带雨林上方大气中最终释放的 VOC 总量。
“土壤微生物对植物VOC 排放的这种平衡作用在严重干旱期间仍然存在，这说明我们需要更充分地考虑微生物活动对大气过程的影响，”梅雷迪思说。
WALD 研究团队仍在分析实验数据，目前已将研究转向生态系统中最微小的层面——微生物生命。团队旨在通过获取土壤和根部微生物组的基因组与代谢组特征，描述这些微观层面的碳和水循环机制。
“像生物圈2号这样的实验生态系统，让研究人员得以了解整个生态系统对压力的整体响应，”梅雷迪思说。“为了理解和预测生态系统对全球变化的响应，我们必须在观测研究和建模研究中，同时考虑植物功能群及其与土壤和大气的相互作用。”
