地球环境研究所在全球变化下土壤呼吸及其温度敏感性研究取得新进展

  工业革命以来,化石燃料燃烧和农业化肥的施用导致大气氮沉降增加,对陆地生态系统碳循环产生了深刻影响。土壤呼吸(Rs)是陆地生态系统排放到大气二氧化碳(CO2)的最大通量,在全球碳循环中起着重要作用。土壤呼吸一般由两部分组成,一部分是异养呼吸(Rh),由土壤微生物分解有机物时所释放的CO2,另一部分是自养呼吸(Ra),主要包括活体根系呼吸所释放的CO2。在全球范围内,土壤呼吸通常随温度增加而增加,其响应强度用土壤呼吸温度敏感性(Q10)表示,即温度每增加10℃土壤呼吸所增加的倍数,能够反映出碳-气候反馈机制。因此,了解全球尺度下土壤呼吸及其温度敏感性对氮添加的响应将提高预测土壤碳动态及其对气候变化反馈能力。

  中国科学院地球环境研究所王云强团队杨阳副研究员联合加拿大阿尔伯塔大学、中国科学院西北生态环境资源研究院、西北农林科技大学等多家高校和科研单位,首先建立了氮添加和环境气候因子之间的复杂作用机制框架1)。在此基础上,从全球261篇文章中收集了1413对数据进行了整合分析(2),研究了氮添加对不同陆地生态系统类型土壤呼吸及其温度敏感性的影响。

  结果发现:(1)氮添加增加了农田、沙漠和灌丛的Ra,但降低了草地、森林(包括针叶林和落叶林)和湿地的Ra。与此相反,氮添加增加了草地、湿地和沙漠的Rh,但降低了除沙漠外其他生态系统类型的Q103);(2)全球范围内的氮添加降低了Rs(降低19.5%)和Q10(降低32.1%),Rs的降低主要与Rh的降低有关;(3)同时,施添加量在100-150 kg ha–1 yr–1范围,土壤呼吸及其温度敏感性呈下降趋势,而土壤有机碳含量呈上升趋势,这意味着100-150 kg ha–1 yr–1氮添加量可能是维持土壤碳库的最佳范围;(4)土壤pH、碳氮比和微生物呼吸熵是土壤呼吸及其温度敏感性的主要影响因子(4)。上述研究表明,应将土壤有机碳对氮添加的依赖效应纳入全球碳模型中,以改进全球变化背景下土壤碳循环的评估。

   

  1 全球氮添加背景下土壤呼吸与环境气候因子之间的复杂作用机制框架

   

  2 全球氮添加实验样点分布图

   

  3 全球氮添加对不同生态系统土壤呼吸及其温度敏感性的影响

   

  4 土壤呼吸及其温度敏感性的环境气候影响因子分析

  相关成果近期发表在国际土壤学期刊Soil Biology &Biochemistry上。该研究工作得到了国家自然科学青年基金(42107282),陕西省面上科学基金(2021JM-213),中科院西部之光(XAB2019B11),黄土与第四纪国家重点实验室重点培育基金(SKLLQGPY2004)和开放基金(SKLLQG1915)的联合资助。

  Yang Yang, Ting Li, Prem Pokharel, Liangxu Liu, Jiangbo Qiao, Yunqiang Wang, Shaoshan An, Scott X. Chang. (2022). Global effects on soil respiration and its temperature sensitivity depend on nitrogen addition rate.Soil Biology &Biochemistry, 108814.

  文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722002711


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