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气候变暖对森林土壤碳循环的影响
来源:生态中心 作者:卫云燕 时间:2010-05-26

气候变化问题已经成为全球必须重视的环境问题。森林土壤碳作为全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。据统计,其生态系统中土壤碳含量约占全球土壤碳总量的73 %,是陆地生态系统中最大的碳库,也是全球碳循环中重要的碳库。已有的研究表明气候变暖将提高有机质的分解速率,降低土壤碳储量,并可能有效缓解气候变暖的速率。随着全球变暖趋势的加剧,森林土壤碳循环的研究成为全球变化研究中主要方向之一,并对未来变暖背景下森林生态系统碳库的预测有着尤为重要的作用。因此,本文着重从以下几方面阐述气候变暖对土壤碳循环的影响。

土壤呼吸。土壤呼吸对温度敏感性的影响机制主要归纳为四种假说:(1) 底物不足理论;(2) 水分限制理论;(3) 氮素过量理论;(4) 生物适应性理论。气候变暖情况下,根系自养呼吸对温度的响应较异养呼吸更加敏感,约10 %~90 %都来自于自养呼吸,是构成土壤呼吸的主体。而短期增温通过影响水分供应、土壤微生物活性,导致土壤异养呼吸速率降低。冬季由于温度较低导致植物的根系活动受到抑制,土壤由于雪被覆盖,土壤微生物处于休眠状态,从而保持了微生物较高的活性,最终使得冬季异养呼吸增大。众多研究表明,气候变暖在短时间内可刺激土壤呼吸产生大量CO2,但增温并不能使土壤呼吸持续增加,即随增温时间的延长土壤呼吸对温度变化表现出一定的适应(Acclimation)和驯化(Adaptation)现象,从而降低或缓和陆地生态系统对全球变暖的正反馈效应。

土壤微生物。土壤微生物是土壤中最活跃的组分之一。目前气候变暖对土壤微生物量的影响还没有统一定论,绝大多数研究认为气候变暖可以增加土壤微生物量,而另一些研究则认为气候变暖对土壤微生物量没有影响,少数研究认为气候变暖可以降低土壤微生物量。另外,气候变暖可以通过影响凋落物产量和质量,为真菌提供了一个较好的生长环境,从而增加真菌的丰富度,进而改变微生物群落结构,从而提高土壤微生物活性和呼吸速率。但由于植物-土壤-微生物之间复杂的关联性,气候变暖对土壤微生物的影响研究还存在一些不足,有待于进一步加强。

土壤酶活性。土壤酶作为土壤物质循环和能量流动的参与者,是土壤微生态系统中活跃的组分之一。一般而言,气候变暖对土壤酶活性的影响常表现为促进作用,温度升高通过影响微生物群落结构、微生物呼吸和土壤的一些理化状况(土壤有机质、土壤养分等)间接影响土壤酶活性。另外,由于土壤酶活性还受到除温度以外的其他因子限制(如水分、养分状况),这种因子正好缓和了温度对土壤酶活性的影响,因此也可能对土壤酶活性的影响很小甚至不明显;另一方面,土壤酶活性与研究环境、土壤物理状况和养分差异也可能有一定关系。

凋落物。凋落物又称为枯落物或有机碎屑,它们是碳循环的重要组成部分,在维持生态系统的结构和功能方面起着非常重要的作用,也是陆地生态系统物质循环和能量转换的主要途径,特别是氮循环的一个关键环节。气候变暖对凋落物分解的影响表现在两个方面:1)影响凋落物的分解速率。温度升高可以明显提高凋落物的分解速率,但是在CO2浓度同时增加的情况下,其分解速率显著下降,而地下凋落物的分解对变暖的响应如何?目前还是一个未知碳源。2)影响凋落物的产量和质量。气候变暖通过延长植物生长季和改变植物物候条件间接影响着凋落物产量,一般随纬度的增高凋落物产量逐渐下降,但气候变暖对凋落物的质量是否有明显影响,目前还是不可预知的。

土壤碳库。森林土壤有机层的生化特性控制着土壤有机碳固定、碳汇/碳源动态及通量,在全球碳循环中具有十分重要的作用,被认为是土壤与植被之间进行物质转换和能量交换的最为活跃的生态界面之一。气候变暖对土壤碳库的影响分为两方面:1)温度升高改变了植物的生长速率,提高了植被的净第一生产力和碳固定能力,植物向土壤输入更多的碳,从而有利于土壤碳库的增加;2)温度升高后,土壤微生物及土壤酶活性受到影响,改变了土壤原有理化性质,控制着土壤碳矿化速率,导致土壤有机碳分解、凋落物分解、土壤呼吸发生改变,这些变化都将使土壤碳库减少。研究认为,气候变暖导致土壤碳库的减少这种现象只发生在增温早期,后期则表现出一定的适应性,这是因为土壤有机碳库储量是有限的,其积累和分解的过程又非常缓慢,因此有机碳的分解对气候变暖就具有适应性。

全球气候变暖对森林土壤碳循环的影响是一个极为复杂和长期的生态学过程,尽管目前关于土壤碳循环对气候变暖的响应及反馈机制已经取得大量的研究成果,但由于地上和地下生态学过程的复杂性,以及受研究技术手段和实验方法的限制,该领域研究仍然存在一些问题和不足,在未来数年间需要在以下几个方面进一步加强研究:(1) 加强全球变暖背景下根际微生态系统碳循环研究。(2) 加强全球变暖背景下森林地上-地下碳循环过程耦合研究。(3) 加强全球变暖背景下高寒地区森林生态系统土壤冬季呼吸研究。(4) 加强多种气候因子联合效应研究,完善研究方法与手段。以进一步深入认识全球气候变化对森林土壤碳循环的影响及其作用机制。

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