科研進(jìn)展
西北研究院揭示增溫條件下旱區(qū)生物結(jié)皮調(diào)節(jié)土壤凈碳交換的地理分布規(guī)律
生物結(jié)皮是干旱地區(qū)關(guān)鍵的生物組成部分,通過多種方式影響土壤CO2交換,在土壤碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。生物結(jié)皮可通過產(chǎn)生光合和呼吸作用直接影響土壤 CO2 交換,還可通過改變土壤微生物棲居環(huán)境間接影響土壤碳釋放。現(xiàn)有研究表明上述影響均受到水熱條件調(diào)控,但生物結(jié)皮在全球干旱區(qū)溫度和濕度梯度下對土壤凈碳交換(NSE=呼吸-光合)的影響尚不清楚,且其對氣候變化的響應(yīng)仍存在高度不確定性。
中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院寧夏沙坡頭沙漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(以下簡稱沙坡頭站)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì),以干旱區(qū)生物土壤結(jié)皮為研究對象,對干旱區(qū)生物結(jié)皮調(diào)節(jié)土壤NSE的地理分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。科研人員采用貝葉斯層次化元分析(Bayesian hierarchical Meta-analysis),分別對47項(xiàng)和23項(xiàng)已發(fā)表研究成果進(jìn)行綜合評估,揭示了生物結(jié)皮對土壤NSE和實(shí)驗(yàn)性增溫對生物結(jié)皮NSE的顯著影響。元回歸進(jìn)一步探索了生物結(jié)皮NSE的溫度和濕度敏感性以及對氣候變化的潛在適應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn),與裸露的土壤相比,生物結(jié)皮的發(fā)育顯著提高了土壤的碳釋放,導(dǎo)致大氣中二氧化碳(CO2)的增加,每年每平方米土壤可釋放約 66.5 克碳。以往研究認(rèn)為,生物結(jié)皮由于其光合自養(yǎng)能力通常被視為干旱區(qū)CO2固定的“碳匯”,該研究綜合考慮了生物結(jié)皮對土壤微生物的影響,揭示了它們在土壤系統(tǒng)中作為“碳源”的角色(圖2)。氣溫升高會進(jìn)一步增加生物結(jié)皮導(dǎo)致的碳釋放,每升高1攝氏度,碳釋放增加約 22.9 克每平方米每年(圖2)。這意味著在氣候變化的背景下,生物結(jié)皮可能加劇大氣與土壤之間的碳循環(huán),形成正反饋,從而進(jìn)一步強(qiáng)化氣候變化的影響。
元回歸結(jié)果進(jìn)一步表明,生物結(jié)皮促進(jìn)的土壤凈碳釋放具有類型、季節(jié)和地理上的差異性。生物結(jié)皮NSE主要受水分影響,在濕潤環(huán)境中碳釋放更多,而溫度的升高可能通過加劇干旱來減弱這種增加作用(圖3)。在全球范圍內(nèi),干旱地區(qū)的溫度升高對生物結(jié)皮的碳釋放影響較小,表明干旱環(huán)境減弱了生物結(jié)皮對溫度的敏感性,同時(shí)在高溫地區(qū)溫度升高對生物結(jié)皮的影響較小(圖4)。研究首次揭示了生物結(jié)皮在熱適應(yīng)(Thermal adaptation)方面的能力。
該研究強(qiáng)調(diào)了在全球碳預(yù)算和模型中納入生物結(jié)皮的必要性,可以全面理解在氣候變化的背景下生物結(jié)皮對碳循環(huán)的影響。研究結(jié)果突顯了生物結(jié)皮是旱區(qū)土壤碳交換的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器,特別是在相對涼爽和濕潤的區(qū)域。該研究提供了一個(gè)新視角來理解旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。
近日,該成果以Biocrusts modulate carbon losses under warming across global drylands: A Bayesian meta-analysis 為題,在線發(fā)表于Soil Biology and Biochemistry上。西北研究院特別科研助理孫靖堯?yàn)檎撐牡谝蛔髡?,李新榮研究員為通訊作者。研究合作者包括普林斯頓大學(xué)于開亮博士、蘭州大學(xué)陳寧博士、美國地質(zhì)調(diào)查局Seth M. Munson博士和西北研究院賈榮亮研究員。該研究獲國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目支持。
圖1 全球干旱區(qū)分布圖和元分析中使用的研究地點(diǎn)
圖2 結(jié)皮對NSE的影響,以及增溫對結(jié)皮NSE的影響
圖3 干旱區(qū)溫度以及濕度梯度下結(jié)皮對NSE影響的元回歸結(jié)果
圖4 干旱區(qū)溫度以及濕度梯度下增溫對結(jié)皮NSE影響的元回歸結(jié)果




