大約100年前，大平原地區(qū)發(fā)生了一次奇怪的慢動作收購。在1930年代的沙塵暴期間，歷史性的熱浪和干旱席卷了美國中部，該地區(qū)的植物種類發(fā)生了巨大變化。

在北方較冷的地區(qū)更常見的草開始接管通常由其他本地草占據(jù)的異常干熱的南部平原州。

當然，當時的植物覆蓋率變化并不是災難的頭等大事，這場災難使約250萬人流離失所，僅農業(yè)損失就至少造成19億美元。而且，實際上，這似乎并不那么奇怪-直到科學家開始更多地了解這些類型的植物。

科羅拉多州立大學自然科學學院生物學系的大學杰出教授艾倫·納普說：“根據(jù)后來我們對彼此替代的物種的特性的了解，發(fā)生的事情才在很久以后才成為謎”?？屏_拉多州立大學生態(tài)學研究生課程的高級生態(tài)學家。

在1960年代，研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種類型的植物在生態(tài)學上存在明顯的生態(tài)差異(一種被稱為“ C4”的植物通過光合作用產生具有四個碳原子的化合物，與另一種稱為“ C3”的化合物相比，后者的第一個光合作用化合物僅由三個碳原子組成。C4草在溫暖的溫度下生長最好，并且用水效率更高。在較涼和潮濕的氣候下，C3草往往含量最高。

這就提出了一個問題：為什么在臭名昭著的干旱和熱浪中，C3草會突然入侵美國中南部約135,000平方英里的地方，因此誕生了“沙塵暴悖論”。

這不僅僅是歷史的好奇心。隨著氣候變化的加速，占全球陸地面積約30%至40%的草原已經開始出現(xiàn)溫度升高和降雨極端變化的趨勢，并有望遭受更加極端的干旱。納普指出，“無論它們發(fā)生在哪里，它們都是當?shù)亟洕闹匾M成部分。” 因此，了解導致“塵埃缽” 草種突然轉變的原因及其連鎖效應是一個日益緊迫的問題。

納普說：“由于預計未來這種極端干旱將隨著氣候變化的發(fā)生而更加普遍，因此必須了解為什么這些草原會以他們的方式做出反應，而這恰恰是人們根據(jù)其特征所做出的預測。”

現(xiàn)在，納普和他的同事找到了這個問題的答案。在本周發(fā)表于《美國國家科學院院刊》上的一篇新論文中，他們描述了在堪薩斯州和懷俄明州草地上進行的為期四年的人工干旱實驗，為解決“塵缽”悖論之謎提供了解決方案。

北亞利桑那大學生態(tài)系統(tǒng)與社會研究中心的合著者羅一奇說：“這項研究揭開了為什么C3草在干熱條件下能勝過C4草的難題。” “隨著全球氣候變化和降水模式的變化，這種新型透鏡是預測未來植被動態(tài)和碳儲量的重要工具。”

這使我們回到了謎團。為什么在歷史性的熱浪和干旱期間，這些愛好酷，節(jié)水效率較低的C3草在美國中部占主導地位?納普和他的同事們發(fā)現(xiàn)，這與降水量的關系較小，而與降水量下降的關系更大。

在美國南部平原的正常生長年份中，大部分水分在生長季節(jié)的夏季下降。但是在北部草原，全年的降水模式更加均勻。事實證明，這也是極端干旱期間發(fā)生的事情—降水與溫暖的月份的關系要少得多，而全年的降水更均勻。

因此，隨著南部干旱期間北部地區(qū)降水的降雨方式更加類似，C3草發(fā)現(xiàn)了其偏好的降雨動態(tài)范圍向南延伸。他們擴散了。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，對C3植物的入侵具有某種自給自足的能力。由于它們在今年早些時候開始生長，“它們可以在C4植物活躍之前搶先使用土壤水，從而進一步減少C4物種的生長，” Knapp說。

這些結果不僅僅是計數(shù)和跟蹤物種的問題。不同類型的草還具有不同的特征，這些特征可能導致整個生態(tài)系統(tǒng)，氣候和土地利用發(fā)生變化。

例如，C3草傾向于在C4草之前平均整整一個月變綠，但死得更快，這改變了該地區(qū)的土壤-空氣碳交換。由于C3草的水分利用效率較低，因此它會從土壤中吸收更多的水分，這具有復利作用，尤其是在水已經稀少的年代。

他們一年中成長的時間也很重要。

納普解釋說：“所有植物在積極生長和綠化時，都會從其葉片中蒸發(fā)出大量的水。” “這具有局部降溫作用。因為C3草在春季涼爽時生長(在春季)，而不是在夏季中期，所以在炎熱的夏季，最需要的時候就失去了涼爽作用。這意味著從C4到C3的增長方式的轉變可能導致夏天更加炎熱。”

該團隊計劃繼續(xù)研究這些季節(jié)性變化的影響，并從中恢復。

納普說：“在長達十年的沙塵暴干旱之后，這種干旱對植物群落的影響仍然存在了20年。” 因此，該小組現(xiàn)在正在監(jiān)視經過四年的實驗后，他們的實驗地塊恢復需要多長時間。

納普說：“作為一個全球性的廣泛系統(tǒng)，草原在全球碳循環(huán)和植被與大氣之間的相互作用中起著重要作用。”這就是為什么了解這樣的大規(guī)模歷史事件對于應對未來氣候變化至關重要的原因。

論文“解決草地對極端干旱的沙塵暴悖論”于8月24日在PNAS上發(fā)表，生物學論文的另 一位研究員，大學杰出教授戴安娜·沃爾(Diana Wall)與他人合著，該論文的共同作者為《無脊椎動物的遺傳多樣性證實了西南極冰原過去坍塌的時間估計。”