• Energy Research

AbstractThe physical effects of climate warming have been well documented, but the biological responses are far less well known, especially at the ecosystem level and at large (intercontinental) scales. Global warming over the next century is generally predicted to reduce food web complexity, but this is rarely tested empirically due to the dearth of studies isolating the effects of temperature on complex natural food webs. To overcome this obstacle, we used ‘natural experiments’ across 14 streams in Iceland and Russia, with natural warming of up to 20°C above the coldest stream in each high‐latitude region, where anthropogenic warming is predicted to be especially rapid. Using biomass‐weighted stable isotope data, we found that community isotopic divergence (a universal, taxon‐free measure of trophic diversity) was consistently lower in warmer streams. We also found a clear shift towards greater assimilation of autochthonous carbon, which was driven by increasing dominance of herbivores but without a concomitant increase in algal stocks. Overall, our results support the prediction that higher temperatures will simplify high‐latitude freshwater ecosystems and provide the first mechanistic glimpses of how warming alters energy transfer through food webs at intercontinental scales.

Le changement climatique modifie la structure et le fonctionnement des écosystèmes fluviaux dans le monde entier. Dans les rivières de montagne, il a été démontré que le recul des glaciers entraînait des changements systématiques dans la biodiversité des invertébrés aquatiques, mais les effets de la perte de glace sur d'autres taxons biologiques et sur les fonctions de l'ensemble de l'écosystème sont moins bien compris. En utilisant des données provenant de rivières de montagne couvrant six pays sur quatre continents, nous montrons que la diminution de la couverture glaciaire entraîne une augmentation constante du taux de décomposition de la cellulose, le polymère organique le plus abondant au monde. Les taux de décomposition de la cellulose ont été associés à une plus grande abondance de champignons aquatiques et du gène Cellobiohydrolase I (cbhI) dégradant la cellulose fongique, illustrant le potentiel de prédiction des fonctions au niveau de l'écosystème à partir des données au niveau du gène. Des associations claires entre les gènes fongiques, les populations et les communautés et le fonctionnement des écosystèmes dans les rivières de montagne indiquent que l'on peut s'attendre à ce que les diminutions mondiales continues de la couverture glaciaire modifient les fonctions vitales des écosystèmes, y compris les processus du cycle du carbone. L'impact du recul des glaciers sur la décomposition provoquée par les champignons dans les rivières est étudié à l'aide d'un test standardisé dans six pays. Moins de couverture glaciaire est liée à une décomposition accrue, qui est à son tour associée à une plus grande abondance de champignons et d'un gène de dégradation de la cellulose fongique, cbhI. El cambio climático está alterando la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas fluviales en todo el mundo. En los ríos de montaña, se ha demostrado que el retroceso de los glaciares produce cambios sistemáticos en la biodiversidad de invertebrados acuáticos, pero los efectos de la pérdida de hielo en otros taxones biológicos y en las funciones de todo el ecosistema son menos conocidos. Utilizando datos de ríos de montaña que abarcan seis países en cuatro continentes, mostramos que la disminución de la cobertura de los glaciares conduce a aumentos constantes impulsados por hongos en la tasa de descomposición de la celulosa, el polímero orgánico más abundante del mundo. Las tasas de descomposición de la celulosa se asociaron con una mayor abundancia de hongos acuáticos y el gen de la celobiohidrolasa I (cbhI) que degrada la celulosa fúngica, lo que ilustra el potencial para predecir las funciones a nivel del ecosistema a partir de datos a nivel de genes. Las asociaciones claras entre los genes, las poblaciones y las comunidades de hongos y el funcionamiento de los ecosistemas en los ríos de montaña indican que se puede esperar que las disminuciones globales en curso en la cobertura de los glaciares cambien las funciones vitales de los ecosistemas, incluidos los procesos del ciclo del carbono. El impacto del retroceso de los glaciares en la descomposición causada por hongos en los ríos se investiga mediante una prueba estandarizada en seis países. Una menor cobertura de glaciares está relacionada con una mayor descomposición, que a su vez se asocia con una mayor abundancia de hongos y un gen fúngico que degrada la celulosa, cbhI. Climate change is altering the structure and functioning of river ecosystems worldwide. In mountain rivers, glacier retreat has been shown to result in systematic changes in aquatic invertebrate biodiversity, but the effects of ice loss on other biological taxa and on whole-ecosystem functions are less well understood. Using data from mountain rivers spanning six countries on four continents, we show that decreasing glacier cover leads to consistent fungal-driven increases in the decomposition rate of cellulose, the world's most abundant organic polymer. Cellulose decomposition rates were associated with greater abundance of aquatic fungi and the fungal cellulose-degrading Cellobiohydrolase I (cbhI) gene, illustrating the potential for predicting ecosystem-level functions from gene-level data. Clear associations between fungal genes, populations and communities and ecosystem functioning in mountain rivers indicate that ongoing global decreases in glacier cover can be expected to change vital ecosystem functions, including carbon cycle processes. The impact of glacier retreat on fungal-driven decomposition in rivers is investigated using a standardized test across six countries. Less glacier cover is linked to increased decomposition, which is in turn associated with a greater abundance of fungi and a fungal cellulose-degrading gene, cbhI. يؤدي تغير المناخ إلى تغيير هيكل وأداء النظم الإيكولوجية النهرية في جميع أنحاء العالم. في الأنهار الجبلية، ثبت أن تراجع الأنهار الجليدية يؤدي إلى تغيرات منهجية في التنوع البيولوجي للافقاريات المائية، ولكن آثار فقدان الجليد على الأصناف البيولوجية الأخرى وعلى وظائف النظام البيئي بأكمله غير مفهومة جيدًا. باستخدام البيانات من الأنهار الجبلية التي تمتد عبر ست دول في أربع قارات، نظهر أن تناقص الغطاء الجليدي يؤدي إلى زيادات ثابتة مدفوعة بالفطريات في معدل تحلل السليلوز، وهو البوليمر العضوي الأكثر وفرة في العالم. ارتبطت معدلات تحلل السليلوز بوفرة أكبر من الفطريات المائية وجين السليلوز المحلل للسليلوز I (cbhI)، مما يوضح إمكانية التنبؤ بوظائف مستوى النظام الإيكولوجي من البيانات على مستوى الجينات. تشير الارتباطات الواضحة بين الجينات الفطرية والسكان والمجتمعات ووظائف النظام الإيكولوجي في الأنهار الجبلية إلى أنه من المتوقع أن تؤدي الانخفاضات العالمية المستمرة في الغطاء الجليدي إلى تغيير وظائف النظام الإيكولوجي الحيوية، بما في ذلك عمليات دورة الكربون. يتم التحقيق في تأثير تراجع الأنهار الجليدية على التحلل الناجم عن الفطريات في الأنهار باستخدام اختبار موحد في ستة بلدان. يرتبط الغطاء الجليدي الأقل بزيادة التحلل، والذي يرتبط بدوره بوفرة أكبر من الفطريات وجين السليلوز الفطري المتحلل، cbhI.

The fate of future food productivity depends primarily upon the health of soil used for cultivation. For Atlantic Europe, increased precipitation is predicted during both winter and summer months. Interactions between climate change and the fertilization of land used for agriculture are therefore vital to understand. This is particularly relevant for inorganic phosphorus (P) fertilization, which already suffers from resource and sustainability issues. The soil microbiota are a key indicator of soil health and their functioning is critical to plant productivity, playing an important role in nutrient acquisition, particularly when plant available nutrients are limited. A multifactorial, mesocosm study was established to assess the effects of increased soil water availability and inorganic P fertilization, on spring wheat biomass, soil enzymatic activity (dehydrogenase and acid phosphomonoesterase) and soil bacterial community assemblages. Our results highlight the significance of the spring wheat rhizosphere in shaping soil bacterial community assemblages and specific taxa under a moderate soil water content (60%), which was diminished under a higher level of soil water availability (80%). In addition, an interaction between soil water availability and plant presence overrode a long-term bacterial sensitivity to inorganic P fertilization. Together this may have implications for developing sustainable P mobilization through the use of the soil microbiota in future. Spring wheat biomass grown under the higher soil water regime (80%) was reduced compared to the constant water regime (60%) and a reduction in yield could be exacerbated in the future when grown in cultivated soil that have been fertilized with inorganic P. The potential feedback mechanisms for this need now need exploration to understand how future management of crop productivity may be impacted.