Nature子刊 | 植物根际激发效应会增加冻土的碳排放

随着全球温度继续升高，气候预测的主要不确定性是融化的多年冻土中大量有机碳的微生物分解。在植物根部存在的情况下，分解速率可加速至四倍，这种机制（称为根际激发效应，RPE）可能与融化的多年冻土相关，因为温度升高还会刺激北极地区的植物生产力。来自INRAE和Umeå University的Frida Keuper和来自斯德哥尔摩大学的Birgit Wild共同领导的一个国际研究小组表明，到2100年，仅根际激发效应就会导致多年冻土排放400亿吨碳。这项研究在2020年7月20日发表在Nature Geoscience上，题目为“Carbon loss from northern circumpolar permafrost soils amplified by rhizosphere priming”。

冻土是多年冻结的地面，它储存的碳与地球上所有植物和大气中的碳加在一起的数量一样多。冻土的表面在夏季会解冻，使植物和土壤生命得以繁衍。微生物呼吸时，会释放出温室气体。科学家们此前预计，迅速上升的气温将促使在2100年前排放500-1000亿吨冻土碳。除此之外，植物根部会向土壤中的微生物提供糖分，微生物可以利用糖分来分解更多的土壤有机物，这就是激发效应，从而导致排放更多的温室气体。

目前对冻土地区未来碳排放的任何模型预测中都没有明确包含根际激发效应。本研究将植物和冻土特性数据集与植物对微生物呼吸的激发效应相结合。结果显示，根际激发可以将受多年冻土影响的生态系统的整体土壤呼吸作用提高约12％，这意味着到2100年，这种激发效应引发的北极多年冻土的土壤碳绝对排放将达到40 Pg。研究结果突出表明，为了准确预测大规模的温室气体排放，必须要考虑细微的生态相互作用，并建议对预估的200 Pg人为碳排放预算进行更严格的限制，以将全球变暖控制在1.5 ℃以下。这些新发现表明，在全球温室气体排放模型中考虑小规模的生态相互作用是非常重要的。

从20世纪50年代就有研究报道了这种激发效应，但并不知道这种小规模的生态互动是否对全球碳循环产生重大影响。本研究将植物活动地图，北极土壤碳数据库中的土壤碳含量数据与大量关于激发效应和植物根系特性的研究相结合，估算出多年冻土生态系统中的激发效应及其对温室气体排放的影响。

图1 RPE。a, 不含RPE的冻土层SOC呼吸作用。b, 目前条件下包括RPE的SOC呼吸作用。c, 考虑到气候变暖的未来情景，植物生长速度更快，活性层更深，根系更深。d, RPE比值(受植物影响的SOC呼吸作用比不受植物影响的土壤的SOC呼吸作用)与根系呼吸作用的比值，这是植物根系活力的指标。

图2 土壤和根系特性的深度分布以及RPE。a-e，北极冻土地区的SOC之和(a和e)或平均数 (b-d)：(a) 2010年和2100年高于ALT的SOC总量和SOC存量(RCP 8.5)；(b) 2010年和2100年的植物根系百分比和累计根系数量；(c) 不含RPE的土壤呼吸作用；(d) 2010年和2100年的RPE比率(受植物影响的SOC呼吸作用与不受植物影响的土壤的SOC呼吸作用)；(e) 2010年和2100年RPE引起的SOC的绝对排放。

图3 2010年和2100年北极冻土区RPE的空间分布(RCPs 4.5和8.5)。a-i，RPE比率的分布(a-c)和RPE引起的SOC绝对年排放(d-i)。

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