作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2015/2/16 10:56:33
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研究人员发现土壤有机碳影响气候新证据

光合碳循环 图片来源:维基百科

■本报记者 沈春蕾

土壤有机碳库很小的变动,有可能会对大气CO2浓度及碳平衡产生重要影响。因此,土壤有机碳对气候变化的响应是科学界目前关注的焦点问题。

日前,中国科学院武汉植物园系统生态学课题组的研究人员通过稳定同位素分析,首次揭示了土地利用变化后,土壤有机碳动态与气候因子关联性的新证据。

关注土壤碳库

地球上的碳元素分布于海洋、地质化石、土壤、植被、大气等各库中。其中,土壤有机碳库是全球陆地表层系统中最大的碳库,约是大气碳库的2倍、陆地植被碳库的2~3倍。

武汉植物园副研究员、生态学课题组成员张克荣介绍,土壤有机碳通过分解作用产生的CO2排放是土壤碳与大气CO2交换的主要形式。土壤既可以通过土壤呼吸充当大气CO2的“源”,也可以通过有机碳的净积累成为CO2的“汇”,“源”或“汇”状态取决于碳输入与输出之间的比例。

土壤与大气之间每年的碳交换量达到60~80Pg(1Pg=1×1015克),是每年石油和煤等燃料燃烧释放的7~10倍。张克荣说:“土壤碳库的变化,对陆地生态系统的碳储存和碳释放起着至关重要的作用。”

作为一种主要的温室气体,CO2对地球热量平衡有重要作用。自工业革命以来,由于人类活动,如人口过快增长、土地利用变化、化石燃料燃烧等,导致大气中的CO2浓度明显升高。

CO2浓度的升高,可能会对全球气候、生态系统以及其他各方面产生深远影响,比如温度和降水的改变,从而影响人类的可持续发展。因此,越来越多的科研人员把目光转移到土壤有机碳的研究上。

存在争议的预测

其中,土壤有机碳的分解与气候因子的关系,尤其对温度、降水的敏感性是学术界关注的焦点问题。张克荣指出,这些问题对于认识和预测气候变化(如温度和降水的改变)的影响、理解气候因子与生态系统之间反馈机制十分关键。

“虽然科学界已有理论和模型预测,气温的升高可能会加快土壤有机碳的分解,但由于一些观测研究的结果并不支持这一预测从而引起激烈争议。”

两位科学家Giardina和Ryan曾通过分析全球当时已发表的研究数据,提出矿质土壤有机碳的分解速率不随温度的变化而变化,认为土壤有机碳的分解对气候因子并不敏感。

他们于2000年将研究成果发表在Nature上,被当成土壤有机碳分解对温度并不敏感的经典证据而被广泛引用。

他们这个证据被认为非常重要。根据这一结果,许多涉及土壤有机碳动态的理论、模型需要改写,一些重要认识也需要重新构建,比如可以推断气候变暖不会加快土壤有机碳的分解。

张克荣告诉《中国科学报》记者:“根据Google学术搜索统计,目前该文章已被引用750余次。特别是发表于多家国际权威学术期刊上的一些非常重要的综述文章,也把这项研究当成土壤有机碳分解对温度并不敏感的经典证据。”

碳同位素标记

张克荣说:“研究土壤有机碳的动态与气候因子的关系主要通过实验室培养、野外控制实验、稳定同位素自然丰度法等方法。”

自然界中碳的同位素有7种(10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C),其中12C、13C为稳定性同位素。土壤有机碳主要来源于陆地植物,植物产生的枯枝落叶、死根、分泌物等是土壤有机碳的主要来源,植物则是通过光合作用固定大气中的CO2。

根据光合作用途径的不同,陆地植物可分为C3、C4、CAM植物。由于固定CO2途径的差异,植物体在光合作用过程中对13C选择吸收的比例不同,从而使植物体的稳定性碳同位素比率(δ13C)值存在差异。

张克荣表示,毁林或森林恢复引起C3植被和C4植被之间的转换,这会导致土壤有机碳稳定同位素信号的改变,因而这类生态系统为探讨土壤有机碳动态沿气候梯度的变化提供了独特的材料。

为此,生态学课题组利用秦岭地区由C4植被转为C3植被的弃耕地以及全球其他地区发生了C3和C4植被转换的生态系统,展开研究并发现土壤有机碳的分解速率随年均温、年均降水量的升高而上升,土壤有机碳的分解速率与年均温存在指数关系。

这一结果推翻了Giardina和Ryan的研究结论,提示全球变暖会导致土壤有机碳分解的加快。生态学课题组研究人员指出Giardina和Ryan的研究产生偏差的主要原因是未考虑土壤采样深度和土地利用变化类型。

此外,研究人员还建立了土地利用变化后“新碳”(来源于新植被)与“旧碳”(土地利用变化前原有碳)比例变化的经验方程,并基于经验方程,估算出毁林和森林恢复后土壤有机碳来源发生转换的时间分别为43.4年和45.4年。

张克荣对此作了补充说明,当土地利用发生改变后,大概是40多年后“新碳”的比例会超过“旧碳”。

如果一片长期种植玉米这种C4植物的耕地,通过种树或者是自然恢复,形成了C3植被,那么大概是40多年后,土壤中来源于新植被(C3植被)的碳会超过“旧碳”(土地利用变化前的碳)。

 

《中国科学报》 (2015-02-16 第6版 进展)
 
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