全剖面土壤增温对高寒草地土壤碳排放的影响

　　

当前地球正在经历着以气候变暖为主要特征的全球变化。青藏高原由于面积巨大和碳储量较高，被认为对气候变化较为敏感，在全球碳循环中扮演着关键角色，是研究土壤碳动态对气候变暖响应的关键地区之一。研究青藏高原高寒草地土壤碳排放对气候变暖的响应，是当前生态学领域的研究热点。然而，目前已有的野外增温实验大多是对植物和/或表层土壤进行增温，对深层土壤（>30cm）的增温效果有限。因此，全剖面土壤增温对土壤碳排放的影响以及背后的机制仍不清楚。

北京大学城市与环境学院朱彪课题组基于在青海海北站高寒草地生态系统建立的全土壤增温实验，通过四年的土壤呼吸通量（包括土壤总呼吸、异养呼吸、自养呼吸三个组分，2018—2021年，四年生长季野外原位观测）数据研究了土壤碳排放对全剖面土壤增温（0—100cm，~4°C）的响应。同时通过整合分析方法，基于已经发表的72篇文献（非全土壤增温），共计234条数据，研究（表层土壤）增温对全球草地或者高寒草地土壤呼吸通量的影响。

研究发现，全土壤增温会显著影响土壤总呼吸和异养呼吸，但是对土壤自养呼吸没有显著影响。分年来看，在2018—2021这四年，均呈现类似现象：全土壤增温显著增加土壤总呼吸（2018年增加24%，2019年增加32%，2020年增加23%，2021年增加27%），也显著增加土壤异养呼吸（2018年增加27%，2019年增加36%，2020年增加45%，2021年增加50%）。然而，在这四年中任何一年，全土壤增温都没有显著改变土壤自养呼吸。四年平均来看，全土壤增温显著提高土壤总呼吸26%、土壤异养呼吸37%，而土壤自养呼吸没有显著改变（图1）。此外，全土壤增温对CO₂通量的促进效果随着年份变化并没有发生显著改变。全土壤增温显著提高土壤碳排放的原因可能是：1）温度增加有利于植物生长，提高植物生物量，导致更多的凋落物进入土壤，促进土壤呼吸；2）增温加速土壤微生物的生理活性和周转，促进土壤呼吸；3）增温会延长高寒草地土壤的融化时间，有利于土壤微生物生长，从而增加土壤碳排放。全球草地和高寒草地的整合分析发现，增温（非全土壤增温）只显著促进土壤呼吸（7—8%），远低于全土壤增温对高寒草地土壤呼吸的促进效果。总体而言，在青藏高原高寒草地生态系统，全土壤增温显著促进土壤总呼吸（26%），远高于全球草地或者高寒草地（非全土壤增温）整合分析中实验增温的平均促进效应（7—8%）。此外，全土壤增温只显著提高土壤异养呼吸，不改变土壤自养呼吸。四年平均来看，增温对CO₂通量的促进效果并没有发生显著改变，土壤碳库的大小暂时也没有发生显著改变。这些结果表明，未来的全土壤增温情景对土壤碳排放的影响可能比以往的增温实验所估计的要大的多，因为以往的增温实验没有区分土壤有机碳和根系的响应，或者是只能对土壤表层进行增温。

该研究于2024年5月27日以“Whole-soil warming leads to substantial soil carbon emission in an alpine grassland”为题在线发表在Nature Communications期刊上。朱彪为论文通讯作者，朱彪研究组博士后陈迎为论文第一作者，秦文宽、张秋芳（福建师范大学）、王旭东、冯继广、韩孟光、侯彦会、赵红阳、张振华（中科院西北高原生物研究所）、贺金生（北京大学、兰州大学）、Margaret S. Torn（劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校）为合作作者并有重要贡献。本研究受到国家重点研发计划（2022YFF0801902）和国家自然科学基金（31988102和42141006）的资助，并得到青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站的各位老师和工作人员的支持和帮助。

图1 全土壤增温（0—100cm，~4°C）对高寒草地土壤CO₂通量的影响（2018—2021，四年平均）