气候和生物多样性变化影响碳、水和温室气体动态，从而推动生态系统作为碳汇或碳源的微妙平衡。来自德国弗莱堡大学的Christiane Werner等科研人员利用高度控制和大规模地球科学设施（生物圈2号），通过追踪同位素标记的13CO2和深水2H2O以及与干旱胁迫相关的挥发性有机化合物，探索干旱如何影响碳和水通量以及土壤-植物-大气相互作用。
相关科研成果以“Ecosystem fluxes during drought and recovery in an experimental forest”为题，发表在最新一期的国际顶级期刊《Science》上。在干旱增加和恢复阶段，森林生态系统在物种内部和物种之间表现出高度多样的干旱响应，反映了植物功能特性、干旱适应和小气候条件的差异。
整个实验是在生物圈2号热带雨林实验装置中进行的。生物圈2号（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起，是爱德华·P·巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。历时8年，几乎完全密封，占地12000平方米，容积达141600立方米，由80000根白漆钢梁和6000块玻璃组成，耗资1.5亿美元。用于密闭状态下进行生态与环境研究，帮助人类了解地球是如何运作，并研究在仿真地球生态环境的条件。
生物圈2号热带雨林实验装置示意图
在旱情前期，每周有三次定期降雨。早期干旱持续到表土干燥的初始阶段。严重的干旱一直持续到第一场雨。在第一场雨后等待了一个星期，才回到正常的降雨时间表(每周三场)。在干旱前和严重干旱期间分别进行了生态系统规模的13CO2同位素脉冲标记。在严重干旱后期，在深水中引入了2H2O。
随后对不同时期叶片和根部进行采样分析，对实验装置内整个生态系统进行监测。结果显示，对干旱敏感的冠层树种在总通量中占主导地位，但对表土干燥的响应最强。尽管所有形成树冠的树木都能进入深水区，但这些保护区直到干旱后期才得以幸免。
地下碳运输速度减缓，但新鲜碳对VOCs的分配仍然很高。大气VOC组成反映了胁迫响应的增加和土壤-植物-大气动态相互作用，可能影响大气化学和气候反馈。因此，这些相互作用和不同的功能群策略调节干旱影响和生态系统对气候变化的敏感性。
13CO2脉冲标记时间轴、重要事件和连续测量的示意图概述
土壤挥发性有机化合物动态
主要过程和关键驱动因素的生态系统干旱响应示意图
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