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凍土層Q10觀測資料匱乏是影響碳—氣候反饋關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)

2021-08-09 13:32:21 來源：中國科學(xué)報

凍土區(qū)儲存著大量的碳，其碳庫約占全球土壤碳庫的50%，凍土生態(tài)系統(tǒng)也在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。

快速氣候變暖使得凍土中長期封存的大量有機碳被微生物分解釋放，可能進一步加劇氣候變暖。

然而，目前學(xué)術(shù)界對凍土區(qū)碳動態(tài)的認識仍存在很大不確定性，不同模型預(yù)測的氣候變暖背景下的凍土碳損失相差近9倍。目前對于凍土碳—氣候反饋效應(yīng)的認識仍需拓展。

在8月7日發(fā)表于《科學(xué)進展》的一項研究中，中科院植物研究所（以下簡稱植物所）研究員楊元合團隊基于凍土樣帶調(diào)查和室內(nèi)培養(yǎng)相結(jié)合的方法，解析了青藏高原凍土融化后碳釋放溫度敏感性（Q10）的空間格局和驅(qū)動因素。

凍土層Q10觀測資料匱乏

凍土碳釋放的Q10，是影響碳—氣候反饋關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，也是導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果存在不確定性的潛在原因之一。

楊元合在接受記者采訪時表示，“凍土融化會對凍土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、全球氣候以及凍土區(qū)居民的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生深遠影響。不同模型對凍土碳動態(tài)預(yù)測的較大差異性意味著目前學(xué)術(shù)界對凍土碳—氣候反饋效應(yīng)的認識仍存在偏差，對凍土融化風(fēng)險的預(yù)測仍存在較大不確定性。”

他認為，作為氣候變化的敏感區(qū)和潛在的碳排放源，凍土區(qū)碳動態(tài)的預(yù)測對我國制定減排政策，以及如期實現(xiàn)碳中和的目標至關(guān)重要。

要實現(xiàn)模型校準、提升模擬能力，需要基于統(tǒng)一方法獲取Q10的大尺度數(shù)據(jù)集。然而，以往的研究大多集中在凍土區(qū)的活動層土壤（夏季融化，冬季凍結(jié)），真正源自凍土層（連續(xù)兩年或兩年以上凍結(jié)不融化）的Q10觀測資料十分匱乏。特別是，尚不清楚礦物保護、微生物屬性以及底物質(zhì)量調(diào)控凍土碳動態(tài)的相對重要性。

在楊元合看來，造成凍土層Q10數(shù)據(jù)匱乏有諸多原因。一方面，氣候變暖通常先影響的是表層土壤溫度，所以早期的研究多關(guān)注凍土區(qū)活動層土壤，對凍土層關(guān)注較少；另一方面，凍土區(qū)自然環(huán)境惡劣，寒冷、缺氧、難到達、活動層厚度深等都使青藏高原凍土樣品的采集工作非常困難。

從“固定”走向“非固定”

青藏高原是北半球中低緯度面積最大的高海拔多年凍土區(qū)，為研究高海拔凍土碳循環(huán)提供了理想平臺。

2012年，楊元合回國后進入了植物所，并成立了高寒生態(tài)格局與過程研究組。針對當時學(xué)術(shù)界對于凍土碳循環(huán)特征的認識主要來自北極凍土區(qū)的這一不足，他開始帶領(lǐng)團隊以青藏高原為研究對象深耕凍土碳循環(huán)研究。

在這項研究中，楊元合團隊利用凍土樣帶調(diào)查和室內(nèi)培養(yǎng)相結(jié)合的方法，分析了青藏高原典型凍土區(qū)凍土融化后Q10的空間格局和驅(qū)動因素。

該論文第一作者、植物所博士生秦書琪告訴記者，樣帶調(diào)查主要基于統(tǒng)一方法開展大范圍調(diào)查以獲取植物與土壤樣品，從而認識陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)參數(shù)沿環(huán)境梯度的變化規(guī)律。而室內(nèi)培養(yǎng)是將野外采集的土壤樣品帶回實驗室，在特定溫度與水分條件下進行培養(yǎng)，測定培養(yǎng)過程中二氧化碳的釋放速率和釋放量。

研究團隊通過在青藏高原開展的大范圍凍土樣帶調(diào)查獲取了大量凍土樣品，他們將樣品帶回實驗室并在不同溫度條件下進行長期培養(yǎng)，從而計算了凍土碳釋放的Q10，最終揭示了凍土融化后Q10的空間分布特征。

研究人員發(fā)現(xiàn)，凍土融化后Q10呈現(xiàn)較大的空間變異，這表明模型中需要考慮該參數(shù)的空間異質(zhì)性而非使用固定常數(shù)。

秦書琪表示，此前大部分模型中使用的是固定常數(shù)Q10，而根據(jù)早期一項全球尺度模型研究的結(jié)果，當考慮Q10的空間異質(zhì)性時，模型預(yù)測的碳—氣候反饋強度比使用固定常數(shù)高25%，“這意味著考慮Q10的空間異質(zhì)性能提高模型對區(qū)域尺度凍土碳動態(tài)的預(yù)測。”

因此，她認為，提高模型預(yù)測能力需要更多的研究來揭示Q10的空間變異和調(diào)控因素，進而為模型Q10參數(shù)化提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)集。

揪出關(guān)鍵“推手”

凍土區(qū)活動層與凍土層在底物質(zhì)量、環(huán)境、微生物屬性等方面均存在較大差異，哪些是影響凍土融化后Q10的關(guān)鍵因素？

基于大量的凍土層觀測資料，研究人員發(fā)現(xiàn)，Q10主要受礦物保護和微生物屬性調(diào)控。其中，礦物保護會減弱凍土碳釋放的溫度敏感性，而微生物屬性則扮演著雙重角色，高微生物豐度與活性促進碳釋放及其對增溫的響應(yīng)，而高微生物多樣性會導(dǎo)致較低的Q10。

秦書琪表示，土壤碳釋放是微生物介導(dǎo)的過程，微生物分泌胞外酶將大分子有機質(zhì)降解為小分子，進而吸收到體內(nèi)，通過呼吸作用釋放二氧化碳。因此，微生物的活性（胞外酶產(chǎn)生）與豐度（數(shù)量）在一定程度上決定了微生物能“吃進去”與“利用”多少碳，從而決定碳釋放量。

“微生物豐度與活性越高，碳釋放量越大。高的多樣性意味著微生物家族中存在的類群多，當遇到溫度升高等外界干擾時，類群的多樣化有助于整個微生物群落抵抗干擾，使其碳釋放的變化更小。”秦書琪說。

這意味著，生物與非生物因素對于凍土碳釋放的調(diào)節(jié)會使凍土碳—氣候反饋關(guān)系比此前預(yù)想的更為復(fù)雜。該項工作拓展了學(xué)術(shù)界對凍土碳動態(tài)調(diào)控機制的認識，為提高模型對凍土碳—氣候反饋的預(yù)測能力提供了實驗依據(jù)。

楊元合表示，在前期研究中，團隊基于野外開頂箱增溫、室內(nèi)培養(yǎng)等方法探究了氣候變暖背景下青藏高原凍土區(qū)土壤碳動態(tài)，但是以往的凍土生態(tài)系統(tǒng)增溫實驗只能加熱表層土壤，對深層土壤特別是凍土層土壤幾乎沒有加熱作用。

鑒于氣候變暖背景下凍土層溫度也會持續(xù)增加，楊元合團隊正在青藏高原凍土區(qū)開展“全生態(tài)系統(tǒng)增溫”實驗，將通過對生態(tài)系統(tǒng)地上、地下部分的同步加熱，試圖全面解析凍土碳循環(huán)關(guān)鍵過程對氣候變暖的響應(yīng)及其生物與非生物機制。

標簽：凍土層Q10 生態(tài)系統(tǒng) 全球碳循環(huán) 凍土融化