实测!温度、水分,谁影响青藏高原冻土碳排放?

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实测!温度、水分,谁影响青藏高原冻土碳排放?

什么是生态系统呼吸?

在自然界中,动物吸入氧气(O2)、呼出二氧化碳(CO2),同时伴随能量消耗,这样的过程被称为呼吸;植物吸收CO2、释放O2,同时伴随能量固定,这样的过程被称为光合作用。除了光合作用,植物也会呼吸,消耗O2、释放CO2。自然界中还存在大量肉眼不可见的微生物,这些微生物大多通过分解土壤里的小颗粒有机质释放CO2。在一定空间范围内,生物与环境构成的统一整体叫做生态系统。这个特定系统里所有生物排放CO2总和被称为生态系统呼吸。

生态系统呼吸示意图(图片来自网络)

已有科学研究表明,全球变暖的主要原因是地球大气中CO2浓度迅速上升,导致“温室效应”。只有先了解清楚生态系统呼吸过程,才有可能控制CO2排放,减缓全球变暖速度。

全球变暖如何影响生态系统呼吸?

高海拔的青藏高原地区、高纬度的北极地区对气候变化反应敏感。多项研究发现,气温升高会导致冻土融化,进而可能通过生态系统呼吸(特别是土壤呼吸)向大气释放更多的CO2。土壤由固体、液体、气体三相物质组成,当冬季气温低于0℃时,土壤会开始冻结。俗话说“热胀冷缩”,但水分子偏偏是个例外,低温下,水变成冰时体积反而会膨胀。

在青藏高原,由于常年低温,土壤里储存着不容易被微生物分解的植物枯枝落叶。经过上千年积累,土壤包含了大量有机质团聚体。土壤中的水分子在冻结后膨胀,加速土壤团聚体破裂,释放出更多易分解有机质,为微生物呼吸作用提供基质。打个比方,如果冰柜里的冻肉反复解冻,便会破坏肉的组织结构,使其韧性和口感被破坏,这个反复解冻的过程,反映在土壤中就是所谓的“冻融交替现象”。

青藏高原腹地那曲多年冻土(中科院青藏高原所汪涛供图)

由于气候变暖,全球多年冻土退化,变为发生冻融交替现象的季节冻土。20世纪初,国外陆续在潮湿、多冰的环北极地区启动了土壤冻融交替研究。这些地区冬季降水较多,形成的雪盖像棉被一样可以给土壤保温。科学家预测,未来气温持续上升会使这些雪盖融化、冻土退化。

增温背景下,环北极地区生态系统会释放更多CO2吗?国外学者通过移除雪盖来模拟气温上升,来研究增温及其诱导的冻融交替变化对生态系统的影响。结果发现,增温使土壤经历了更加频繁的冻融交替。还有学者把采集自野外的土柱样品放在实验室里,设定温度进行培养,来模拟冻融交替过程。结果表明,培养温度越高,土壤释放的CO2越多。因此,得出的结论是冻融交替越频繁、强度越大,对土壤里团聚体破坏越彻底,释放CO2越多。

按照这个结论,冻融交替会加速土壤里储存的有机质分解、促进CO2排放、提高大气中CO2浓度,进一步加剧温室效应,对气候变化形成正反馈。北半球约75%的不连续高山冻土分布于青藏高原,环北极地区的实验结论适用于青藏高原吗?

西藏那曲不同增温幅度和增减水试验平台(汪诗平供图)

半干旱区冻土消融会增加碳排放吗?

中科院青藏高原研究所生态系统功能与全球变化团队汪诗平研究员等利用设置在青藏高原腹地那曲的增温降水平台,首次在以半干旱草甸为下垫面的不连续高山多年冻土区开展野外实地监测,获得连续两年的观测数据。结合多年气象资料和观测数据,研究人员发现,高纬度和高海拔地区环境条件不完全一致,比如青藏高原与环北极地区相比,全年降水集中在6至9月份,冬季降水不到全年的20%。

温度和水分是影响生态系统呼吸的重要因素,然而在半干旱高寒地区,水分对生态系统呼吸的重要性超过温度,因此增温导致的土壤水分下降反而抑制了碳排放;而且该地区冬季碳排放对全年的贡献不到10%,所以尽管增温强烈改变了土壤冻融交替模式,但是并未对全年生态系统碳排放总量产生影响。

因此,为了更精准预测气候变化对高山冻土生态系统碳排放的影响,科研人员建议评估增温及其诱导的冻融交替变化对高寒生态系统的影响时,应结合降雨情况进行分析。

青藏高原那曲试验平台(汪诗平供图)

该成果近日在线发表于 Global Change Biology。

来源:中国科学院青藏高原研究所

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