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全球变暖:底层土壤碳库的响应出乎意料
2019年09月29日 08:37 新浪科技综合
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  来源:中科院之声

  土壤是陆地生态系统储量最大的活跃碳库,植物将光合作用产物以凋落物(包括地上凋落物和地下根系)和根系分泌物的形式输入土壤,土壤有机质又在微生物调控下向大气释放CO2。

  全球气候变暖背景下,土壤碳库输入和输出的微小改变都可能较大程度地影响大气CO2浓度,进而加速或减缓全球变暖进程。因此,土壤碳周转过程对气候变暖的响应是全球变化生态学的焦点问题。然而,以往的研究主要集中在表层土壤(0-20 cm),底层(20 cm以下)土壤碳库对增温的响应机制尚不明确。

 图1 陆地碳循环过程(基于网络图片修改) 图1 陆地碳循环过程(基于网络图片修改)

  提到底层土,大家首先想到的可能是:低肥少碳、反应迟钝(对环境变化的响应不灵敏)。但你可别小看它!虽然底层土长期不见天日,默默无闻,但由于体量巨大,其碳储量占全球土壤碳库的50%以上。一旦这部分碳库受到干扰而加速降解,必将加快全球变暖的进程;另一方面,底层土壤的有机碳含量较低而活性矿物含量相对较高,因此具有较大的固碳潜力。

  基于此,全球气候变化下的底层土壤碳库可能是一把双刃剑,它既可能发挥碳汇功能、造福人类,也可能给现在已经冒汗的地球“火上浇油”。

 图2 全球气候变暖(图片来自网络) 图2 全球气候变暖(图片来自网络)

  无论在表底还是底层,土壤有机碳库都是由结构和特性不同的含碳化合物组成的复杂混合体。在土壤有机碳库这个大家庭中,根据有机碳的分子结构,可分为蛋白质、氨基酸、糖类、脂类、木质素等;按照物理分组方法,又可分为与大团聚体、微团聚体和粘粉粒相结合的有机碳。其中,与大团聚体结合的有机碳周转较快,而与粘粉粒结合的有机碳周转较慢,也被视为稳定碳库。与表层土不同,底层土壤常处于“碳饥饿”状态,即大部分土壤微生物由于受到能量限制而处于休眠状态。

  目前,越来越多的研究发现,气候变暖可促进植物根系向底层土壤的生长,以此帮助植物获取更多的水分或养分。这种现象将促进根系来源的新鲜有机碳向底层土壤的输送;新碳的输入可能“唤醒”原来处于休眠状态的微生物,加快底层土壤有机质的降解,同时也可能促进新碳在底层土壤中(特别是活性粘粉粒矿物表面)的固持,从而加快底层稳定碳库的积累。

图3 气候变暖使根系向深层生长以获取更多养分或水分(基于网络图片修改)3 气候变暖使根系向深层生长以获取更多养分或水分(基于网络图片修改)

  青藏高原是全球变暖的敏感区,高寒草地是青藏高原的主要植被类型之一。已有研究发现,青藏高原地区持续升温显著降低了高寒草地表层土壤的含水量,促进了深根植物(禾草)的生长。那么,增温引起的植物群落组成变化和根系分布改变会如何影响土壤(特别是底层土壤)有机碳的组成与周转呢?

  为了回答这个问题,中国科学院植物研究所冯晓娟研究组联合国内外合作者,依托青藏高原海北站的长期增温实验平台,以生物标志物、超高分辨率质谱和14C等新颖的分析手段和视角解析了高寒草地表底层土壤有机碳对气候变暖的响应机制。

图4 青藏高原海北站野外增温实验平台(图片由贺金生老师提供)4 青藏高原海北站野外增温实验平台(图片由贺金生老师提供)

  研究发现,增温引起的植物向深层生长增加了新碳向底层土壤中的输入,提高了底层土壤中脂类、糖类的含量,同时激活了底层土壤微生物对大团聚体中木质素的降解。同时,研究人员通过测定土壤不同物理组分的碳-14同位素含量,发现与对照相比,增温促进了新碳在底层粘粉粒组分中的积累,并补偿了木质素加速降解所引起的碳损失。因此,增温促进了快速周转碳库的降解,有利于稳定碳库中新碳的积累。

  也就是说,高寒草地底层土壤对增温的响应比表层土壤更加强烈,而且由植物根系驱动的新碳积累可能增加底层土壤稳定碳库的长期固持。照着这个趋势,底层土可能在默默地帮人类承担一部分“减排”任务,是潜在的大气碳汇。

图5 气候变暖对青藏高原高寒草甸不同土层土壤有机碳周转的影响5 气候变暖对青藏高原高寒草甸不同土层土壤有机碳周转的影响

  上述研究于9月3日在国际期刊Global Change Biology上在线发表(DOI: 10.1111/gcb.14823)。

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