【Global Change Biology：土壤中速周轉碳庫的溫度敏感性要高於快速周轉碳庫】

Decadally cycling soil carbon is more sensitive to warming than faster‐cycling soil carbon?

doi.org

研究背景

土壤是陸地生態系統最大的碳庫, 分別是陸地植被和大氣碳庫的2倍和3倍，因此土壤碳庫微小的變化也會顯著影響大氣二氧化碳（CO2）濃度。如果溫度升高加速土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）分解，其釋放的CO2將有可能正反饋於氣候變暖，加劇地球溫室效應。而事實上，這種正反饋強度很大程度上依賴於SOC分解的溫度敏感性。儘管已經進行了大量研究，但是SOC分解的溫度敏感性問題仍然存在爭議。這一爭議的根源部分在於，SOC是具有各種分子結構的複雜聚合物，而其中很多碳組分具有完全不同的物理化學性質、穩定性和周轉時間，但是我們對不同土壤碳庫的溫度敏感性缺乏理解。根據周轉時間，土壤碳庫可以簡單地分為3個組分：快速周轉碳庫（annually cycling，周轉時間以1年為單位，約佔整個土壤碳儲量的0-5％），中速周轉碳庫（decadally cycling，周轉時間以10年為單位，約佔60-85％），和慢速周轉碳庫（millennially cycling，周轉時間以1000年為單位，約佔10-40％）。而中速周轉碳庫佔比最高（60-85%），對全球變暖的響應將顯著影響全球碳循環及其對氣候的反饋關係。因此，對中速周轉碳庫溫度敏感性的理解是至關重要的。

目前，主要有4種評估SOC分解的溫度敏感性的方法。第一種方法是在不同溫度下對土壤進行一段時間（幾個月到一年）的室內培養，監測土壤呼吸變化，然後計算溫度敏感性（Q10），這種方法假設不穩定的土壤碳庫優先被微生物利用，培養後期土壤微生物才對難分解的有機碳進行分解。第二種方法類似於第一種，不過它是先假設不同土壤碳庫的周轉時間和分解速率，然後通過模型擬合來獲得溫度敏感性。第三種則是選擇具有不同碳質量的兩種土壤（比如表層土壤vs底層土壤，裸土 vs 植被土壤，不同物理化學性質的土壤），然後在不同的溫度下進行培養，這種方法假設對照組（表層土壤或裸土）是不穩定碳庫，容易被微生物利用，而另一組土壤則是難分解的土壤碳庫。事實上這種方法無法確定土壤碳庫的具體周轉時間。第四種方法則是在一定時間點對培養土壤進行碳同位素（13C或14C）示蹤，相比其它3種方法，這種方法可以比較和計算不同碳庫的周轉時間，然而，這種方法無法測定相對微弱的同位素信號（尤其在培養後期，信號可能非常弱），以及可能存在比較高的測量誤差。綜上所述，為了相對準確地理解SOC分解的溫度敏感性，有必要對研究方法進行一定的改進。

研究方法

對此，研究人員採集了兩種13C標記的土壤（0–20 cm）。其中一種採集自黑龍江省農業科學院實驗站23年連作玉米（C4作物）田，記為HA；另一種則來自廣西貴港市55年連作玉米（C4作物）田，記為GG。這兩種C4土壤之前都種植著C3作物（分別為玉米和水稻），這樣就可以根據土壤δ13C值的差異來區分釋放的CO2是來自aSOC（快速周轉碳庫，C3信號），還是來自dSOC（中速周轉碳庫，C4信號）分解。研究人員將300g過篩的均質土壤放入聚丙烯柱（直徑5cm，高25cm）中，分別在20°C和 30 °C溫度下進行室內培養，共培養了360天。

為了克服以往SOC分解的溫度敏感性研究方法的缺點，研究人員對連續氣流測量系統（continuous airflow measuring system，Cheng＆Virginia, SBB, 1993）進行了改量（Figure 1），然後用改進後的系統測量土壤呼吸和δ13C‐CO2。經驗證，改進的測量系統大大減少了實驗誤差。然後，研究人員使用三種方法來分別計算dSOC和aSOC分解的溫度敏感性（Q10）：①通過相同培養時間內的土壤呼吸進行計算（「等時法」）；②通過釋放等量土壤呼吸所需的時間長度估算（「等C法」）；③通過將一級動力學模型擬合土壤呼吸，進而求出衰減常數（kj）來估算（『一級動力學擬合法」）。該研究的主要目的是（i）研究在整個培養期內dSOC和aSOC之間的分解溫度敏感性是否不同；（ii）確定dSOC和aSOC在培養過程中對土壤呼吸的相對貢獻。

研究結果

土壤呼吸和δ13C-CO2。溫度顯著提高了HA和GG的土壤呼吸速率（Figure 2）。相比20°C處理，30°C處理下的土壤呼吸速率更高。而且土壤累積C釋放隨培養時間和溫度的增加而顯著增加（Figure 3）。δ13C-CO2值隨著溫度的升高而下降（Figure 4），表明隨著溫度的升高，aSOC與dSOC對土壤呼吸的相對貢獻發生了變化，30°C處理下dSOC對土壤呼吸的相對貢獻更高。

難分解碳庫（中速dSOC）和不穩定碳庫（快速aSOC）的Q10。通過「等時法」計算的碳分解溫度敏感性顯示，在整個培養過程中，dSOC分解的Q10要顯著大於aSOC和總SOC分解的Q10（Figure 5）。「等C法」可以一定程度上反映一定溫度下的底物消耗信息，「等C法」計算的Q10也顯示在整個培養過程中，兩者土壤dSOC的Q10始終高於aSOC和總SOC的Q10（Figure 6）。而且，通過「一級動力學擬合法」計算的Q10也顯示，兩種土壤dSOC的Q10明顯高於aSOC。

研究意義與展望

該研究採用天然13C同位素示蹤技術，通過將土壤置於不同溫度下進行培養，應用三種碳分解溫度敏感性模型，證實了，相對快速周轉碳庫（不穩定碳庫），土壤中速周轉碳庫（難分解碳庫）對全球氣溫升高的響應更加敏感，而且對總C釋放的貢獻更大。結合先前的研究，該研究表明，由於其高溫度敏感性和對土壤呼吸的貢獻，dSOC在決定碳氣候反饋強度方面發揮著重要作用。為了更加準確地預測未來氣候變暖對土壤有機碳的影響，有必要進行進一步的控制和模型研究，以釐清土壤有機質的周轉時間和溫度敏感性之間的機理關係，特別是微生物過程的溫度敏感性是如何控制基質供應的。

一作：林俊傑，通訊：程維信（中國科學院瀋陽應用生態研究所），2015-8-24。