GCB精选 | 增温和CO2升高对草地碳分配的影响

Original 生态学者生态学者 2022-07-27

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原名：Warming and elevated CO₂ intensify drought and recovery responses of grassland carbon allocation to soil respiration

译名：增温和CO₂升高加剧了草地碳分配对土壤呼吸的干旱和恢复响应

期刊：Global Change Biology

通讯作者：Michael Bahn

通讯作者单位：奥地利因斯布鲁克大学

原文链接: https://doi.org/10.1111/gcb.15628

Introduction

全球变化会影响陆地生态系统与大气之间的两大CO₂通量，即总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(ER)，并可能对气候变化产生反馈。特别重要的是GPP与土壤呼吸(SR;即ER的最大组成部分)，因为植物将大量新近同化的C分配给根呼吸和根微生物呼吸，通常被称为SR的自养组成。然而，CO₂浓度升高(eCO₂)、气候变暖(eT)和干旱等多种相互作用的全球变化因素是否以及如何影响最近同化的碳对SR的分配，目前尚不清楚。

在eCO2条件下，植物吸收更多的C，分配更多的光合C，导致SR增加。由于植物水分利用效率的提高，eCO₂还通过保持土壤水分间接地影响SR。另一方面，气候变暖会增加寒冷气候下的GPP和SR，但也会降低SR，因为气候变暖导致土壤含水量(SWC)临界降低。因此，eCO₂和eT联合可以加速或减少碳通量，取决于eT对SWC的负效应被CO₂升高的正效应抵消的程度。因此，eCO₂和eT对SWC的相对影响也将决定在未来更温暖、CO₂丰富的环境中，干旱对GPP、土壤和生态系统呼吸的影响是减弱还是加剧。

干旱使GPP和SR显著降低，干旱对GPP的影响比呼吸作用更明显。因此，SR的自养组分(强烈依赖光合作用提供C)受干旱的影响比异养组分(来自土壤有机质周转)更大。干旱也增加了C在植物-土壤系统中的平均停留时间。然而，在干旱条件下，最近C的地下呼吸释放减少在多大程度上是由于最近C的供应减少(来自GPP)还是由于地下代谢C需求的减少，这方面的研究较少，而且相互矛盾。

Methods

本研究地位于奥地利Raumberg-Gumpenstein农业研究和教育中心，是多因素控制实验“ClimGrass”的一部分。试验共4个处理:(i)对照(即环境条件)、(ii)干旱、(iii) eT和eCO₂以及(iv) eT_eCO₂+干旱。本研究旨在了解干旱对草地碳动态、GPP与SR耦合的影响，以及气候变暖和二氧化碳浓度升高是如何改变这些干旱影响的。在干旱高峰期和恢复期进行原位13CO₂脉冲标记运动，追踪新同化的C从植物到土壤和SR的分配。并提出了了以下假设:(1)在环境条件下，干旱会降低生态系统C的吸收，分配给SR的C的绝对量和相对量及其平均停留时间;(2) eT和eCO₂将通过增加对地下通量的分配，导致C吸收和SR增加(3) eT和eCO₂可以减少干旱对SWC的影响以及GPP与SR的耦合，从而缓解干旱对C循环的影响，并通过增加植物C供应量来增强干旱后SR的恢复。此外，我们预计(4)干旱将增加植物-土壤系统中近期残留的C的比例，而且在环境条件下比在未来条件下更强。

Results

eT_eCO₂增加了土壤呼吸作用和新近同化的碳在土壤呼吸中的比重。干旱期间，植物在环境和eT_eCO₂条件下对C的吸收均降低了50%。土壤呼吸和13C标记的呼吸减少(分别减少32%、70%和30%)，eT_eCO₂处理的效果更明显(50%、84%、70%)。

在干旱条件下，光合作用和SR的日耦合只在eT_eCO₂情景下持续存在，可能是由于储存和呼吸之间新鲜吸收的C的使用发生了动态变化。干旱不影响环境和eT_eCO₂条件下植物生物量中新近同化的碳残留比例，但降低了eT_eCO₂条件下土壤中新近同化的碳残留比例。再润湿后，eT_eCO₂处理下土壤碳吸收和新近同化的碳在土壤呼吸中所占的的比例恢复较快。