森林是大氣二氧化碳的吸收器、貯存庫。那么當(dāng)未來大氣中的二氧化碳濃度升高時(shí)，陸地森林生態(tài)系統(tǒng)是否會產(chǎn)生額外碳匯？人類能否通過植樹造林持續(xù)增加碳匯？以往的主流答案是“YES”。但基于6年的田間監(jiān)測，科學(xué)家們用強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)分析反駁了這一主流觀點(diǎn)。

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

這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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)。

眾所周知，綠色植物可以通過光合作用，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機(jī)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(yīng)的作用。

隨著全球氣候變化，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(yǎng)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(tǒng)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(tǒng)模式預(yù)測未來陸地-大氣碳循環(huán)反饋的關(guān)鍵瓶頸之一?！笔Y明凱說。

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(xiàng)長達(dá)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(yàn)平臺，對位于西悉尼坎貝蘭平原的一片超過100年樹齡的成熟桉樹森林進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來探究生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)如何響應(yīng)大氣二氧化碳濃度的升高。

科學(xué)家們開展了一項(xiàng)精細(xì)的“審計(jì)”工作。他們?nèi)鏈y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(tǒng)中所有主要磷庫的大小，并追蹤了磷在這些磷庫之間移動的速率，構(gòu)建起一個(gè)全面詳實(shí)的全生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)核算?！熬拖褡粉欍y行賬戶的資金流動一樣，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響應(yīng)的限制?！笔Y明凱介紹。

在陸地森林這個(gè)巨大的生態(tài)系統(tǒng)中，植物、微生物和土壤共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為自身的養(yǎng)分，同時(shí)也從土壤中吸收磷元素，以維持自身的生長。微生物可以將土壤中的有機(jī)物分解成無機(jī)物，釋放出磷元素，供植物吸收。然而，當(dāng)土壤中磷元素不足時(shí)，微生物就會與植物展開爭奪。

磷核算顯示，土壤中很大一部分的磷都被微生物占據(jù)，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，植物會通過根系釋放更多的碳到土壤中，但微生物并沒有釋放更多的磷元素以支持植物的生長。植物所期待的“用碳換磷”投資遭遇失敗，他們沒有獲得額外的生長量。

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(jié)果表明，土壤微生物是限制成熟森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)和植物磷吸收的關(guān)鍵因素。森林中的冠層樹木在漫長的生態(tài)系統(tǒng)演替中擁有了極高的磷利用效率。當(dāng)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(yīng)，來提升土壤磷元素的植物可利用率，進(jìn)而更好實(shí)現(xiàn)‘固碳’目標(biāo)?！笔Y明凱說。

研究對改進(jìn)陸地系統(tǒng)模式中的碳磷交互關(guān)系的預(yù)測機(jī)制提供了理論支撐，對氣候變化緩解政策提供了重要數(shù)據(jù)支撐?！敖酉聛?，我們將針對土壤微生物的群落和功能開展研究，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。

該研究受到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0801904）、浙江省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（LZ23C030001）、基金委青年項(xiàng)目（32301383）等經(jīng)費(fèi)支持。