Global Change Biology

Phenology thực vật, chuỗi phát triển của các giai đoạn phát triển của cây cối xảy ra hàng năm, rất quan trọng cho chức năng của thực vật và các dịch vụ hệ sinh thái cũng như những phản hồi sinh học và hóa sinh của chúng đối với hệ thống khí hậu. Phenology thực vật phụ thuộc vào nhiệt độ, và sự biến đổi khí hậu nhanh chóng hiện nay đã làm hồi sinh sự quan tâm đến việc hiểu và mô hình hóa các phản ứng của phenology thực vật đối với xu hướng ấm lên và những hậu quả của nó đối với các hệ sinh thái. Chúng tôi xem xét những tiến bộ gần đây trong phenology thực vật và sự tương tác của nó với biến đổi khí hậu. Tập trung vào sự khởi đầu (mở lá) và kết thúc (thay đổi màu lá) của các mùa sinh trưởng của thực vật, chúng tôi chỉ ra rằng sự mở rộng nhanh chóng gần đây trong việc thu thập dữ liệu phenology dựa trên mặt đất và cảm biến từ xa đã mang lại lợi ích cao và hỗ trợ cho các bước tiến lớn trong nghiên cứu phenology thực vật. Các nghiên cứu sử dụng nhiều nguồn dữ liệu và phương pháp thường đồng ý về các xu hướng mở lá sớm và thay đổi màu lá muộn do biến đổi khí hậu, tuy nhiên những xu hướng này dường như đã chậm lại hoặc thậm chí đảo ngược trong những năm gần đây. Hiểu biết của chúng ta về các cơ chế liên quan đến phản ứng của phenology thực vật đối với sự nóng lên khí hậu vẫn còn hạn chế. Các tương tác giữa nhiều yếu tố thúc đẩy làm phức tạp việc mô hình hóa và dự đoán những thay đổi trong phenology thực vật. Hơn nữa, những thay đổi trong phenology thực vật có những tác động quan trọng đối với chu trình carbon của hệ sinh thái và các phản hồi của hệ sinh thái đối với khí hậu, tuy nhiên việc định lượng các tác động này vẫn là một thách thức. Chúng tôi đề xuất rằng các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các công cụ quan sát mới để cải thiện hiểu biết về phenology thực vật nhiệt đới, cải thiện mô hình hóa phenology dựa trên quá trình, và mở rộng phenology từ cấp độ loài đến cấp độ cảnh quan.

Nhiệt độ trung bình toàn cầu dự đoán sẽ tăng từ 2–7 °C và lượng mưa sẽ thay đổi trên toàn cầu vào cuối thế kỷ này. Để định lượng các tác động của biến đổi khí hậu lên các quá trình hệ sinh thái, một số thí nghiệm biến đổi khí hậu đã được thiết lập trên toàn thế giới trong các hệ sinh thái khác nhau. Mặc dù những nỗ lực này, các phản ứng chung của các hệ sinh thái đất liền đối với thay đổi nhiệt độ và lượng mưa, và đặc biệt là ảnh hưởng kết hợp của chúng, vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đã sử dụng phân tích tổng hợp để tổng hợp các phản ứng mức hệ sinh thái đối với sự ấm lên, lượng mưa thay đổi, và sự kết hợp của chúng. Chúng tôi tập trung vào sự phát triển của thực vật và cân bằng carbon (C) của hệ sinh thái, bao gồm sinh khối, sản xuất sơ cấp ròng (NPP), hô hấp, trao đổi hệ sinh thái ròng (NEE), và quang hợp của hệ sinh thái, tổng hợp kết quả từ 85 nghiên cứu. Chúng tôi nhận thấy rằng việc tăng nhiệt độ và lượng mưa thường kích thích sự phát triển của thực vật và dòng carbon của hệ sinh thái, trong khi việc giảm lượng mưa có tác động ngược lại. Ví dụ, sự ấm lên kích thích đáng kể tổng NPP, tăng cường quang hợp của hệ sinh thái, và hô hấp của hệ sinh thái. Việc giảm lượng mưa trong thí nghiệm đã ức chế NPP trên mặt đất (ANPP) và NEE, trong khi lượng mưa bổ sung đã tăng cường ANPP và NEE. Năng suất thực vật và dòng C của hệ sinh thái thường cho thấy độ nhạy cao hơn trước sự gia tăng lượng mưa hơn là trước sự giảm lượng mưa. Các tác động tương tác của sự ấm lên và lượng mưa thay đổi có xu hướng nhỏ hơn mong đợi từ các tác động đơn lẻ, mặc dù sức mạnh thống kê thấp giới hạn độ mạnh của các kết luận này. Các thí nghiệm mới với các can thiệp về nhiệt độ và mưa kết hợp là cần thiết để xác định một cách quyết đoán tầm quan trọng của các tương tác giữa nhiệt độ và lượng mưa đối với cân bằng C của các hệ sinh thái trên cạn dưới các điều kiện khí hậu trong tương lai.

Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy sự thay đổi trong phân bố của các loài trong bối cảnh gia tăng nhiệt độ khí hậu gần đây. Tuy nhiên, phần lớn thông tin này chủ yếu đến từ các nghiên cứu về một lựa chọn tương đối nhỏ các taxa (tức là thực vật, chim và bướm), mà có thể không đại diện cho sự đa dạng sinh học nói chung. Sử dụng dữ liệu từ các nhóm ít được nghiên cứu hơn, chúng tôi cho thấy rằng một loạt các loài động vật có xương sống và không xương sống đã di chuyển về phía bắc và lên cao ở Anh trong khoảng 25 năm qua, phản ánh và trong một số trường hợp vượt qua, phản ứng của những nhóm đã được biết đến rõ hơn.

Vi nhựa (nhựa <5 mm, bao gồm cả nanoplastics <0.1 μm) xuất phát từ quá trình phân mảnh của rác thải nhựa lớn hoặc từ việc phát thải trực tiếp vào môi trường. Những tác động tiềm tàng của chúng đối với hệ sinh thái trên cạn vẫn còn chưa được khám phá nhiều, mặc dù đã có nhiều báo cáo về các tác động đối với các sinh vật biển. Hầu hết rác thải nhựa được đưa vào đại dương được sản xuất, sử dụng và thường là thải bỏ trên đất liền. Do đó, chính trong các hệ thống trên cạn mà vi nhựa có thể tương tác với sinh vật, gây ra các tác động liên quan đến sinh thái. Bài báo này giới thiệu ô nhiễm vi nhựa rộng rãi như một tác nhân tiềm tàng gây biến đổi toàn cầu trong các hệ thống trên cạn, làm nổi bật bản chất vật lý và hóa học của các tác động quan sát được tương ứng, và thảo luận về độc tính rộng lớn của nanoplastics phát sinh từ sự phân hủy nhựa. Bằng cách liên kết các thông tin liên quan đến số phận của vi nhựa trong các hệ thống nước lục địa, chúng tôi sẽ trình bày những hiểu biết mới về các cơ chế tác động đến địa hóa học trên cạn, môi trường sinh học - vật lý, và sinh thái độc học. Những biến đổi rộng lớn trong các môi trường lục địa là khả thi ngay cả trong những môi trường giàu hạt như đất. Hơn nữa, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy vi nhựa tương tác với các sinh vật trên cạn có vai trò trung gian quan trọng trong các dịch vụ và chức năng hệ sinh thái, chẳng hạn như các loài không xương sống sống trong đất, nấm đất, và thực vật - thụ phấn. Do đó, cần có nghiên cứu để làm rõ số phận và tác động của vi nhựa trên cạn. Chúng tôi đề xuất rằng, do sự hiện diện rộng rãi, tính bền vững trong môi trường và các tương tác đa dạng với sinh vật lục địa, ô nhiễm vi nhựa có thể đại diện cho một mối đe dọa biến đổi toàn cầu mới nổi đối với các hệ sinh thái trên cạn.

Sự biến thiên của nhiệt độ đất có thể giải thích hầu hết sự biến đổi theo mùa và theo chu kỳ ngày đêm trong dòng thoát CO₂ từ đất, nhưng tác động của nhiệt độ không phải lúc nào cũng nhất quán và các yếu tố khác như hàm lượng nước trong đất được biết đến là có ảnh hưởng đến hô hấp đất. Mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu sự biến thiên không gian và thời gian trong hô hấp đất trong một cảnh quan rừng ôn đới và đánh giá chức năng nhiệt độ và nước trong đất như những chỉ số dự đoán hô hấp đất. Dòng thoát CO₂ từ đất được đo bằng các buồng trong suốt một chu kỳ hàng năm tại sáu khu vực nghiên cứu ở khu rừng Harvard, miền trung Massachusetts, bao gồm các loại đất từ thoát nước tốt đến rất kém. Ước lượng trung bình hàng năm của dòng thoát CO₂ từ đất là 7.2 Mg ha^–1, nhưng dao động từ 5.3 tại khu vực đất ngập nước đến 8.5 tại khu vực thoát nước tốt, cho thấy rằng sự không đồng nhất của cảnh quan liên quan đến loại thoát nước của đất. Một hàm mũ liên quan đến dòng thoát CO₂ với nhiệt độ đất giải thích 80% sự biến đổi theo mùa trong dòng thoát giữa tất cả các địa điểm (Q₁₀ = 3.9), nhưng Q₁₀ dao động từ 3.4 đến 5.6 cho các khu vực nghiên cứu riêng lẻ. Một đợt hạn hán nghiêm trọng vào năm 1995 đã gây ra sự giảm nhanh chóng trong tỷ lệ hô hấp đất vào tháng Tám và tháng Chín tại năm trong sáu điểm nghiên cứu (một điểm ngập nước là ngoại lệ). Sự giảm dòng thoát CO₂ này tương quan theo hàm mũ với sự giảm của tiềm năng ma trận đất, cho thấy một tác động cơ chế của căng thẳng do hạn hán. Tuy nhiên, ở mức độ nước vừa phải đến cao, hàm lượng nước trong đất lại tương quan nghịch với nhiệt độ đất, điều này khiến cho việc phân biệt giữa tác động của hai yếu tố bị rối này trên dòng thoát CO₂ trở nên khó khăn. Sự hiện diện của các giá trị Q₁₀ cao và sự biến đổi trong các giá trị Q₁₀ giữa các địa điểm có thể liên quan đến: (i) các tác động bị rối của hàm lượng nước trong đất cao; (ii) các mẫu theo mùa và theo chu kỳ ngày đêm trong hô hấp rễ và sự luân chuyển của các rễ nhỏ liên quan đến hiện tượng sinh trưởng và trao đổi chất của thực vật trên mặt đất; và (iii) sự biến đổi trong độ sâu nơi CO₂ được sản xuất. Hàm Q₁₀ có thể đưa ra dự đoán khá tốt về dòng thoát CO₂ hàng năm, nhưng đó là một sự đơn giản hóa che lấp các phản ứng của các quá trình rễ và vi sinh vật đối với sự biến đổi của nhiệt độ và hàm lượng nước trong suốt chiều sâu của đất.

Việc phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ thực vật trên và dưới mặt đất (rác thực vật) là quá trình chính tạo ra chất hữu cơ trong đất (SOM). Tuy nhiên, các nghiên cứu về sự phân hủy rác thực vật và sự hình thành SOM đã phần lớn bị tách biệt, không cung cấp một liên kết hiệu quả giữa hai quá trình cơ bản này đối với sự chu chuyển và tích trữ carbon (C) và nitơ (N). Chúng tôi trình bày sự hiểu biết hiện tại về tầm quan trọng của hiệu quả sử dụng cơ chất của vi sinh vật và phân bổ C và N trong việc kiểm soát tỷ lệ C và N có nguồn gốc từ thực vật được đưa vào SOM, và các tương tác trong ma trận đất trong việc kiểm soát sự ổn định của SOM. Chúng tôi tổng hợp sự hiểu biết này vào khung Hiệu suất vi sinh vật - Ổn định ma trận (MEMS). Khung này dẫn đến giả thuyết rằng các thành phần thực vật dễ phân hủy là nguồn sản phẩm vi sinh vật chính, so với các tỷ lệ đầu vào, vì chúng được vi sinh vật sử dụng hiệu quả hơn. Các sản phẩm vi sinh vật từ quá trình phân hủy này do đó sẽ trở thành các tiền chất chính của SOM ổn định bằng cách thúc đẩy sự kết tụ và thông qua liên kết hóa học mạnh mẽ với ma trận khoáng trong đất.

Các đặc tính của thực vật – các đặc điểm hình thái, cấu trúc, sinh lý, hóa sinh và hiện tượng sinh trưởng của thực vật và các cơ quan của chúng – quyết định cách mà các nhà sản xuất sơ cấp phản ứng với các yếu tố môi trường, ảnh hưởng đến các cấp độ dinh dưỡng khác, tác động đến các quá trình và dịch vụ hệ sinh thái và cung cấp một liên kết từ đa dạng loài đến đa dạng chức năng hệ sinh thái. Dữ liệu về các đặc tính do đó đại diện cho nguyên liệu thô cho một loạt các nghiên cứu từ sinh học tiến hóa, sinh thái cộng đồng và chức năng đến địa sinh học. Ở đây chúng tôi trình bày sáng kiến cơ sở dữ liệu toàn cầu mang tên TRY, đã kết nối một loạt các thành viên nghiên cứu đặc tính thực vật trên toàn thế giới và thu hút được sự tham gia chưa từng có đối với dữ liệu đặc tính: đến nay đã có 93 cơ sở dữ liệu đặc tính được đóng góp. Kho dữ liệu hiện tại chứa gần ba triệu mục đặc tính cho 69.000 trong số 300.000 loài thực vật trên thế giới, tập trung vào 52 nhóm đặc tính mô tả các giai đoạn sinh trưởng và tái sinh của chu kỳ sống của thực vật, bao gồm sự phát triển, phát tán, thiết lập và tồn tại. Phân tích dữ liệu đầu tiên cho thấy hầu hết các đặc tính thực vật phân bố gần như theo phân phối log-normally, với khoảng thay đổi khác nhau rộng rãi giữa các đặc tính. Hầu hết độ thay đổi đặc tính diễn ra giữa các loài (giữa các loài), nhưng cũng ghi nhận độ thay đổi quan trọng trong cùng một loài, lên đến 40% tổng độ thay đổi. Các loại chức năng thực vật (PFTs), như thường được sử dụng trong các mô hình thảm thực vật, thu hút một phần đáng kể của sự thay đổi quan sát được – nhưng đối với một số đặc tính, hầu hết sự thay đổi xảy ra trong các PFT, lên đến 75% tổng độ thay đổi. Trong bối cảnh các mô hình thảm thực vật, các đặc tính này sẽ được đại diện tốt hơn dưới dạng biến trạng thái hơn là các giá trị tham số cố định. Việc cải thiện khả năng truy cập dữ liệu đặc tính thực vật trong cơ sở dữ liệu toàn cầu thống nhất dự kiến ​​sẽ hỗ trợ một cuộc cách mạng trong chuyển từ nghiên cứu dựa trên loài sang nghiên cứu dựa trên đặc tính, cung cấp cơ hội mới cho nghiên cứu tổng hợp các đặc tính thực vật và cho phép đại diện thực tế và có căn cứ hơn về thảm thực vật trên cạn trong các mô hình hệ thống Trái đất.

Tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đã có thể được theo dõi trong nhiều hệ thống vật lý và sinh học; đặc biệt, các hệ sinh thái trên cạn cung cấp một bức tranh nhất quán về những thay đổi quan sát được. Một trong những chỉ báo được ưa chuộng là hiện tượng học, khoa học nghiên cứu các sự kiện tự nhiên lặp lại, vì ngày tháng ghi lại của chúng cung cấp độ phân giải tạm thời cao về những thay đổi đang diễn ra. Do đó, nhiều phân tích đã chỉ ra rằng các sự kiện xuân bắt đầu sớm hơn ở các vĩ độ giữa và cao, và thời gian sinh trưởng đã kéo dài. Tuy nhiên, các nghiên cứu tại một địa điểm hoặc một loài đơn lẻ được công bố đặc biệt dễ bị nghi ngờ về khả năng thiên lệch đối với việc báo cáo chủ yếu các tác động do biến đổi khí hậu gây ra. Chưa có nghiên cứu tổng thể hoặc phân tích tổng hợp nào xem xét khả năng thiếu bằng chứng cho các thay đổi hoặc sự chuyển dịch tại các địa điểm không quan sát thấy sự thay đổi nhiệt độ. Chúng tôi đã sử dụng một bộ dữ liệu mạng hiện tượng học có hệ thống khổng lồ gồm hơn 125.000 chuỗi quan sát của 542 loài thực vật và 19 loài động vật tại 21 quốc gia châu Âu (1971–2000). Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng 78% tất cả các ghi chép về nảy lá, nở hoa và ra quả đã tiến lên (30% một cách đáng kể) và chỉ 3% bị chậm lại một cách đáng kể, trong khi tín hiệu về màu sắc / rụng lá là không rõ ràng. Chúng tôi kết luận rằng các kết quả trước đó về sự thay đổi hiện tượng học không bị thiên lệch bởi báo cáo hay khuynh hướng công bố: sự tiến lên trung bình của mùa xuân/mùa hè là 2,5 ngày/ thập kỷ⁻¹ ở châu Âu. Phân tích của chúng tôi về 254 chuỗi thời gian quốc gia trung bình chắc chắn cho thấy rằng hiện tượng học của các loài phản ứng với nhiệt độ của các tháng trước đó (sự tiến lên trung bình của mùa xuân/mùa hè là 2,5 ngày°C⁻¹, sự chậm lại của việc đổi màu và rụng lá là 1,0 ngày°C⁻¹). Mô hình thay đổi quan sát được trong mùa xuân hoàn toàn phù hợp với sự tăng nhiệt độ quốc gia được đo lường ở 19 quốc gia châu Âu (hệ số tương quan r=−0.69, P<0.001).

Chúng tôi chỉ ra rằng độ nhạy nhiệt độ của R_eco, được suy ra từ các bộ dữ liệu dài hạn (hàng năm), không phản ánh độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn có hiệu lực khi ngoại suy từ ban đêm sang ban ngày. Cụ thể, trong các hệ sinh thái hoạt động vào mùa hè, độ nhạy nhiệt độ dài hạn vượt quá độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn. Do đó, trong những hệ sinh thái này, việc áp dụng một độ nhạy nhiệt độ dài hạn cho việc ngoại suy hô hấp từ ban đêm sang ban ngày dẫn đến việc đánh giá quá cao hô hấp của hệ sinh thái từ quy mô thời gian nửa giờ đến hàng năm, có thể đạt hơn 25% cho ngân sách hàng năm và do đó ảnh hưởng đến ước tính của GEP. Ngược lại, trong các hệ sinh thái thụ động vào mùa hè (Địa Trung Hải), độ nhạy nhiệt độ dài hạn thấp hơn độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn dẫn đến việc đánh giá thấp tổng hô hấp hàng năm.

Chúng tôi giới thiệu một thuật toán tổng quát mới cho phép suy ra độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn của R_eco từ dữ liệu đo đạc covarian rối, áp dụng cho việc ngoại suy từ ban đêm sang ban ngày, và thêm vào đó thực hiện việc điền các khoảng trống dữ liệu dựa trên cả sự tương quan giữa các dòng chảy và các yếu tố khí tượng, cũng như cấu trúc tạm thời của các dòng chảy. Mặc dù thuật toán này nên cung cấp các ước tính ít thiên lệch hơn về GEP và R_eco, chúng tôi thảo luận về những thiên lệch còn lại và khuyến nghị rằng các phép đo covarian rối vẫn cần được hỗ trợ bởi các phép đo dòng chảy phụ trợ nhằm giảm thiểu sự không chắc chắn vốn có trong dữ liệu covarian rối.

Các tác động của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến kho dự trữ carbon trong đất đang được quan tâm trong bối cảnh các chương trình chính sách quốc tế về giảm thiểu khí thải nhà kính. Bài báo này tổng hợp tài liệu nghiên cứu về ảnh hưởng của các thay đổi mục đích sử dụng đất đến kho C trong đất và báo cáo kết quả của một phân tích tổng hợp từ 74 công trình công bố. Phân tích tổng hợp cho thấy rằng kho C trong đất giảm sau khi thay đổi từ đồng cỏ sang trồng cây (−10%), từ rừng tự nhiên sang trồng cây (−13%), từ rừng tự nhiên sang cây trồng (−42%), và từ đồng cỏ sang cây trồng (−59%). Ngược lại, kho C trong đất tăng sau những thay đổi từ rừng tự nhiên sang đồng cỏ (+ 8%), từ cây trồng sang đồng cỏ (+ 19%), từ cây trồng sang rừng trồng (+ 18%), và từ cây trồng sang rừng thứ cấp (+ 53%). Ở bất kỳ sự thay đổi mục đích sử dụng đất nào làm giảm kho C trong đất, quá trình ngược lại thường làm tăng carbon trong đất và ngược lại. Do số lượng dữ liệu có sẵn không lớn và các phương pháp được sử dụng đa dạng, các kết luận rút ra phải được coi là các giả thuyết công việc từ đó thiết kế các nghiên cứu có mục tiêu trong tương lai nhằm mở rộng cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, trong một số sự thay đổi mục đích sử dụng đất, đã có đủ ví dụ để khám phá vai trò của các yếu tố khác góp phần vào các kết luận trên. Một kết quả của phân tích tổng hợp, đặc biệt đáng được nghiên cứu thêm trong bối cảnh các chiến lược bẫy carbon để giảm thiểu khí thải nhà kính, là các rừng cây lá rộng được trồng trên các khu rừng tự nhiên hoặc đồng cỏ trước đó không làm ảnh hưởng đến kho C trong đất, trong khi các rừng thông làm giảm kho C trong đất từ 12–15%.