Science Advances | 增温导致下层土壤碳储量减少和CO2通量增加

点击蓝字｜关注我们

Info 

原名：Five years of whole-soil warming led to loss of subsoil carbon stocks and increased CO2 efflux

译名：五年的全土层增温导致底土碳储量减少和CO2通量增加

期刊：Science Advances

通讯作者：Jennifer L.Soong / Margaret S.Torn

通讯作者单位：美国劳伦斯伯克利国家实验室

原文链接:   https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabd1343.full

 Introduction 

21世纪气候变化的主要不确定性来自于缺乏证据来证明变暖引起的土壤呼吸的增加是否会持续下去，并导致土壤碳的净损失，从而创造一个积极的碳-气候反馈。例如，森林目前是碳的净汇，它们在未来几十年吸收大气中二氧化碳的潜力被吹捧为一种强大的碳固定方法。然而，这些预测忽略了未来气候变化对森林土壤碳储量的影响，特别是对底土(>20cm)碳的影响。底土约占全球土壤有机碳(SOC)的一半，与表层土壤在植物输入、微生物群落、有机质稳定过程和气候等方面存在差异，但这一大型土壤有机碳库的动态尚未得到原位研究。模型预测到21世纪末，全球土壤温度将升高4.5±1.1℃(1m)，但我们缺乏深层土壤升温野外实验的数据来检验深层土壤将如何响应。这种理解的缺乏导致了土壤碳对气候变暖反应的模型预测的巨大不确定性。一项全土层增温试验的初步结果显示增温刺激了土壤呼吸。然而，异养活性的增加并不一定会导致土壤净碳损失。有证据表明，由于气候变暖，底土碳储量可能会减少，这意味着气候-碳循环的正反馈比目前估计的要大。因此，需要对底土碳动态进行更深入的了解和量化，才能准确预测和规划长期变化。

 Methods 

本研究在加州大学Blodgett实验森林开展。增温实验始于2013年10月，由3个重复的增温+对照配对小区组成，每个小区直径为3m。整个地块的增温范围一直保持在1米深，22根2.4米长的电阻加热电缆垂直安装在金属导管中，导管间隔50厘米，位于地块边缘0.25米外。在小区内安装了两个直径为1米和2米、深度为5厘米的加热电缆同心环，以补偿表面热量损失。同样，我们在控制区安装了垂直导管和两个未加热电缆的同心环。在此，作者以期研究5年的全土层增温如何改变底土碳储量、组成和呼吸速率。

 Results 

1.持续的全土层增温导致底土SOC储量减少，以及土壤氮的损失。

经过4.5年的增温处理，与对照样地相比，增温样地的底土损失了3.2±1.0kg C m-2, 20~90 cm土层的SOC减少了33±11%(图1A)。相比之下，表层20cm土壤有机碳和土壤氮储量的增加不显著，尽管在0 ~ 10 cm，增温样地平均有机碳储量比对照样地高(图1A)。由于土壤有机碳储量随深度的下降，20 ~ 40 cm土壤有机碳储量的绝对差异最大，60 ~ 70 cm土壤有机碳储量的相对差异最大(图1A)。因此，增温对底土(净损失)和表土(无统计上显著增加)的有机碳储量有不同的影响。

2.升温还导致有机碳化学和物理组成的变化。

SOC的13C是有机物降解程度的指标，因为微生物在分解过程中优先利用12C。在对照样地，13C随着深度的增加而增加，直到50cm左右，在50cm以下保持相对稳定(图1B)。在增温样地，13C剖面在60cm以上与对照样地相似，但比60cm以下的对照样地更多。13C在土壤有机碳中随土壤深度的富集是土壤剖面的典型特征，但相对于60cm以下的对照土壤，增温土壤13C的富集程度更大，表明土壤有机碳向更退化的方向转移。

3.变暖对剖面上不同类型有机质的分解有不同的影响

土壤有机物分为游离颗粒有机质(fPOM)，这类主要来源于植物物质，通常可以被微生物酶分解;团聚体-颗粒有机物质(oPOM)，在土壤团聚体中得到保护;和矿物结合有机质(MAOM)。不受保护的植物源性土壤有机质(fPOM)对增温最敏感。在对照样地，土壤整体碳在3种有机质组分中的分布不随深度变化(图2)。相比之下，经过3.5年的增温，表层土壤中fPOM较多，而深层fPOM损失较大(图2A)，因此fPOM中全碳的比例在表层略高，而在深层更低，这是由于增温样地的浅层fPOM碳比对照样地多。因此，变暖对剖面上不同类型有机质的分解有不同的影响。

4.土壤呼吸在不同深度对增温均有响应

5年增温处理引起的SOC储量损失伴随着增加了30±4%的CO2通量，但随着时间的推移没有显著的减少(图3)。此外，增温对年均土壤碳通量有一致的影响(图3)，尽管绝对CO2通量在深层比浅层土壤低得多比 (图4)，但土壤呼吸在不同深度对增温均有响应(图1c)。增温对整个剖面和所有采样数据(n = 536)CO2通量的平均效应为42.6±4.5%，高于地面通量。

为了量化每个采样深度的增温效应，利用每个深度的配对样地之间的观测温差计算了Q10。平均Q10为3.47±0.23，高于大多数分解模型的参数，随着深度的变化，在70cm以下最高(4.5±0.67)(图1C)。因此，升温2年后，各深度的响应度均为Q10>2，持续到第5年 (图1C)。土壤剖面CO2产量和地表外排量的Q10均未随时间发生显著变化(图3)，表明增温对土壤呼吸的影响在整个土壤剖面上持续了5年。

 Conclusion 

综上所述，针叶林增温(4℃)4.5年后，增温样地的底土碳损失显著(33±11%)。由于整个土壤剖面的CO2产量增加，气候变暖也刺激了土壤CO2排放量持续增加30±4%。本研究发现的土壤底土碳储量随气候变暖而就地下降是土壤碳-气候正反馈的确切证据，不能仅根据二氧化碳排放的增加而得出结论。土壤底层碳的高敏感性和土壤有机质库的不同响应表明，模型必须反映这些异质性土壤动力学，才能准确预测未来对气候变暖的反馈。

相关热门文章

扫描二维码｜关注我们

[e-mail]

喜欢就转发、收藏、点赞、在看，侵权告删！