浙大學(xué)者《自然》發(fā)文,揭示誰(shuí)是森林碳匯增長(cháng)的“攔路虎”

發(fā)布時(shí)間:2024-06-12來(lái)源:浙江大學(xué)融媒體中心作者:12

森林是大氣二氧化碳的吸收器、貯存庫。那么當未來(lái)大氣中的二氧化碳濃度升高時(shí),陸地森林生態(tài)系統是否會(huì )產(chǎn)生額外碳匯?人類(lèi)能否通過(guò)植樹(shù)造林持續增加碳匯?以往的主流答案是“YES”。但基于6年的田間監測,科學(xué)家們用強有力的數據分析反駁了這一主流觀(guān)點(diǎn)。

在全面構建第一個(gè)森林生態(tài)系統磷循環(huán)核算的基礎上,研究揭示了生態(tài)系統磷循環(huán)限制森林碳匯響應大氣二氧化碳濃度升高的關(guān)鍵機制。并指出,應對未來(lái)氣候變化,植物需要更加積極的磷獲取策略,來(lái)提升土壤中磷元素的植物可利用率。

這項研究成果于北京時(shí)間6月5日發(fā)表在國際頂級期刊《自然》,題目為“Microbial competition for phosphorus limits CO2 response of a mature forest”。研究團隊包括了中國、澳大利亞、瑞士、挪威、西班牙、荷蘭、美國、英國、德國等國的科研人員。論文的第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蔣明凱研究員,第一單位為浙江大學(xué)。


磷在哪兒,磷去哪兒了?

眾所周知,綠色植物可以通過(guò)光合作用,把二氧化碳和水轉化成儲存著(zhù)能量的有機物,并且釋放出氧氣。森林碳匯作用指的就是,森林植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中,從而減緩溫室效應的作用。

隨著(zhù)全球氣候變化,森林的碳匯功能愈加重要,但這一功能的發(fā)揮受到土壤養分的限制?!盁釒Ш蛠啛釒值纳a(chǎn)力普遍受到土壤磷元素可用性的限制,但是生態(tài)系統磷循環(huán)如何限制森林生產(chǎn)力,進(jìn)而限制其在大氣二氧化碳濃度升高背景下的碳匯潛力,仍存在一定研究不足,而該不確定性是地球系統模式預測未來(lái)陸地-大氣碳循環(huán)反饋的關(guān)鍵瓶頸之一?!笔Y明凱說(shuō)。

為更清晰地了解森林的碳匯功能以及磷元素在其中的作用,科學(xué)家們進(jìn)行了一項長(cháng)達六年的探索。他們基于國際大科學(xué)裝置 ——位于澳大利亞的成熟森林露天二氧化碳倍增實(shí)驗平臺,對位于西悉尼坎貝蘭平原的一片超過(guò)100年樹(shù)齡的成熟桉樹(shù)森林進(jìn)行實(shí)驗,來(lái)探究生態(tài)系統磷循環(huán)如何響應大氣二氧化碳濃度的升高。

科學(xué)家們開(kāi)展了一項精細的“審計”工作。他們全面測量了冠層植被、林下植被、凋落物、土壤、土壤微生物等成熟森林生態(tài)系統中所有主要磷庫的大小,并追蹤了磷在這些磷庫之間移動(dòng)的速率,構建起一個(gè)全面詳實(shí)的全生態(tài)系統磷循環(huán)核算?!熬拖褡粉欍y行賬戶(hù)的資金流動(dòng)一樣,我們追蹤了磷在森林中的循環(huán)方式,并評估磷有效性對植物生長(cháng)響應的限制?!笔Y明凱介紹。


有去無(wú)回,投資失??!

在陸地森林這個(gè)巨大的生態(tài)系統中,植物、微生物和土壤共同構成了一個(gè)復雜的循環(huán)系統。植物通過(guò)光合作用吸收二氧化碳,并將其轉化為自身的養分,同時(shí)也從土壤中吸收磷元素,以維持自身的生長(cháng)。微生物可以將土壤中的有機物分解成無(wú)機物,釋放出磷元素,供植物吸收。然而,當土壤中磷元素不足時(shí),微生物就會(huì )與植物展開(kāi)爭奪。


磷核算顯示,土壤中很大一部分的磷都被微生物占據,并且它們對磷元素的競爭非常激烈。在二氧化碳濃度升高的情況下,植物會(huì )通過(guò)根系釋放更多的碳到土壤中,但微生物并沒(méi)有釋放更多的磷元素以支持植物的生長(cháng)。植物所期待的“用碳換磷”投資遭遇失敗,他們沒(méi)有獲得額外的生長(cháng)量。

科學(xué)家們分析了植物對磷的吸收、分配和利用效率,并比較了二氧化碳濃度升高組和對照組之間的差異。結果表明,土壤微生物是限制成熟森林生態(tài)系統磷循環(huán)和植物磷吸收的關(guān)鍵因素。森林中的冠層樹(shù)木在漫長(cháng)的生態(tài)系統演替中擁有了極高的磷利用效率。當二氧化碳濃度升高時(shí),植物對磷的利用效率也有所提高,但土壤中磷元素的有效性并沒(méi)有明顯變化。

“土壤微生物對土壤磷的礦化和固持限制了冠層樹(shù)木在大氣二氧化碳濃度升高下的磷吸收速率,從而限制了森林的額外固碳能力。植物需要更加積極的磷獲取策略,如根系分泌物所產(chǎn)生的潛在激發(fā)效應,來(lái)提升土壤磷元素的植物可利用率,進(jìn)而更好實(shí)現‘固碳’目標?!笔Y明凱說(shuō)。

研究對改進(jìn)陸地系統模式中的碳磷交互關(guān)系的預測機制提供了理論支撐,對氣候變化緩解政策提供了重要數據支撐?!敖酉聛?lái),我們將針對土壤微生物的群落和功能開(kāi)展研究,探究土壤微生物是如何限制森林碳磷交互關(guān)系及其在大氣二氧化碳濃度升高背景下的碳匯潛力?!笔Y明凱說(shuō)。

該研究受到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2022YFF0801904)、浙江省自然基金重點(diǎn)項目(LZ23C030001)、基金委青年項目(32301383)等經(jīng)費支持。