當(dāng)前地球正在經(jīng)歷著以氣候變暖為主要特征的全球變化。青藏高原由于面積巨大和碳儲量較高，被認(rèn)為對氣候變化較為敏感，在全球碳循環(huán)中扮演著關(guān)鍵角色，是研究土壤碳動態(tài)對氣候變暖響應(yīng)的關(guān)鍵地區(qū)之一。研究青藏高原高寒草地土壤碳排放對氣候變暖的響應(yīng)，是當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，目前已有的野外增溫實(shí)驗(yàn)大多是對植物和/或表層土壤進(jìn)行增溫，對深層土壤（>30 cm）的增溫效果有限。因此，全剖面土壤增溫對土壤碳排放的影響以及背后的機(jī)制仍不清楚。

北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院朱彪課題組基于在青海海北站高寒草地生態(tài)系統(tǒng)建立的全土壤增溫實(shí)驗(yàn)，通過四年的土壤呼吸通量（包括土壤總呼吸、異養(yǎng)呼吸、自養(yǎng)呼吸三個組分，2018-2021年，四年生長季野外原位觀測）數(shù)據(jù)研究了土壤碳排放對全剖面土壤增溫（0-100 cm，~4°C）的響應(yīng)。同時通過整合分析方法，基于已經(jīng)發(fā)表的72篇文獻(xiàn)（非全土壤增溫），共計(jì)234條數(shù)據(jù)，研究（表層土壤）增溫對全球草地或者高寒草地土壤呼吸通量的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，全土壤增溫會顯著影響土壤總呼吸和異養(yǎng)呼吸，但是對土壤自養(yǎng)呼吸沒有顯著影響。分年來看，在2018-2021這四年，均呈現(xiàn)類似現(xiàn)象：全土壤增溫顯著增加土壤總呼吸（2018年增加24%，2019年增加32%，2020年增加23%，2021年增加27%），也顯著增加土壤異養(yǎng)呼吸（2018年增加27%，2019年增加36%，2020年增加45%，2021年增加50%）。然而，在這四年中任何一年，全土壤增溫都沒有顯著改變土壤自養(yǎng)呼吸。四年平均來看，全土壤增溫顯著提高土壤總呼吸26%、土壤異養(yǎng)呼吸37%，而土壤自養(yǎng)呼吸沒有顯著改變（圖1）。此外，全土壤增溫對CO₂通量的促進(jìn)效果隨著年份變化并沒有發(fā)生顯著改變。全土壤增溫顯著提高土壤碳排放的原因可能是：1）溫度增加有利于植物生長，提高植物生物量，導(dǎo)致更多的凋落物進(jìn)入土壤，促進(jìn)土壤呼吸；2）增溫加速土壤微生物的生理活性和周轉(zhuǎn)，促進(jìn)土壤呼吸；3）增溫會延長高寒草地土壤的融化時間，有利于土壤微生物生長，從而增加土壤碳排放。全球草地和高寒草地的整合分析發(fā)現(xiàn)，增溫（非全土壤增溫）只顯著促進(jìn)土壤呼吸（7-8%），遠(yuǎn)低于全土壤增溫對高寒草地土壤呼吸的促進(jìn)效果。總體而言，在青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)，全土壤增溫顯著促進(jìn)土壤總呼吸（26%），遠(yuǎn)高于全球草地或者高寒草地（非全土壤增溫）整合分析中實(shí)驗(yàn)增溫的平均促進(jìn)效應(yīng)（7-8%）。此外，全土壤增溫只顯著提高土壤異養(yǎng)呼吸，不改變土壤自養(yǎng)呼吸。四年平均來看，增溫對CO₂通量的促進(jìn)效果并沒有發(fā)生顯著改變，土壤碳庫的大小暫時也沒有發(fā)生顯著改變。這些結(jié)果表明，未來的全土壤增溫情景對土壤碳排放的影響可能比以往的增溫實(shí)驗(yàn)所估計(jì)的要大的多，因?yàn)橐酝脑鰷貙?shí)驗(yàn)沒有區(qū)分土壤有機(jī)碳和根系的響應(yīng)，或者是只能對土壤表層進(jìn)行增溫。

該研究于2024年5月27日以“Whole-soil warming leads to substantial soil carbon emission in an alpine grassland”為題在線發(fā)表在Nature Communications期刊上。北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院朱彪研究員為論文通訊作者，朱彪研究組博士后陳迎為論文第一作者，秦文寬、張秋芳（福建師范大學(xué)）、王旭東、馮繼廣、韓孟光、侯彥會、趙紅陽、張振華(中科院西北高原生物研究所)、賀金生（北京大學(xué)、蘭州大學(xué)）、Margaret S. Torn（勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校）為合作作者并有重要貢獻(xiàn)。本研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF0801902)和國家自然科學(xué)基金(31988102和42141006)的資助。感謝青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的各位老師和工作人員對本研究的支持和幫助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48736-w

圖1  全土壤增溫（0-100 cm，~4°C）對高寒草地土壤CO₂通量的影響(2018-2021，4年平均)