土壤呼吸知多少

梁　宇

沖天巨浪狂涌進(jìn)紐約市，自由女神被淹沒(méi)，萬(wàn)巷瞬間淹沒(méi)在汪洋之中，萬(wàn)噸巨輪竟被沖進(jìn)樓宇之間。轉(zhuǎn)瞬間，氣溫驟降，浩瀚汪洋中的紐約城又變成冰封世界，茫茫冰原上，只留下自由女神的頭像。人類(lèi)和人類(lèi)所創(chuàng)造的世界在大自然面前顯得如此渺小……

電影《后天》將歷史上從未有過(guò)的、驚心動(dòng)魄的曠世災(zāi)難真實(shí)地展現(xiàn)在我們眼前，再次喚起了人們對(duì)日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)及理論上可能引起的新冰河世紀(jì)威脅的關(guān)注。

導(dǎo)致全球氣候變暖的真正原因究竟是什么?科學(xué)家們似乎尚無(wú)定論，但是它對(duì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)的影響無(wú)疑是巨大的。目前，科學(xué)界普遍認(rèn)為導(dǎo)致全球變暖的原因主要有人口劇增導(dǎo)致的大氣中二氧化碳的含量不斷地增加，大氣環(huán)境污染，海洋生態(tài)環(huán)境惡化，土地遭侵蝕、沙化等破壞，森林資源銳減，酸雨危害，物種加速滅絕，水污染，有毒廢料污染，地球周期性公轉(zhuǎn)軌跡的變動(dòng)等等。

在過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，自然系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)一直使全球碳庫(kù)處于動(dòng)態(tài)平衡中，但近代，特別是自工業(yè)革命以來(lái)的人類(lèi)活動(dòng)(像森林毀壞，農(nóng)業(yè)活動(dòng)，化石燃料的燃燒等)導(dǎo)致了碳庫(kù)之間的極大改變。從全球尺度來(lái)看，1861年工業(yè)革命以后，溫室氣體快速增長(zhǎng)，引起了全球氣候變化等一系列嚴(yán)峻的全球性生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能，給人類(lèi)自身的生存和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。目前，全球變暖已經(jīng)成為世界主要的環(huán)境問(wèn)題之一，而由于人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致的大氣溫室氣體濃度的增加被認(rèn)為是全球變暖的主要原因，其中二氧化碳的貢獻(xiàn)率比其它溫室氣體的總和還多。這種由人類(lèi)活動(dòng)引起的碳循環(huán)紊亂導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度的日趨升高，不僅引起了世界各國(guó)對(duì)全球變暖的關(guān)注，更引起我們對(duì)二氧化碳從陸地碳庫(kù)特別是土壤中，進(jìn)一步釋放出來(lái)，與氣候系統(tǒng)之間可能形成的反饋效應(yīng)的擔(dān)憂(yōu)，因此對(duì)土壤呼吸的研究就不僅僅是一個(gè)乏味的科學(xué)問(wèn)題了。

但是，為什么土壤呼吸是解決地球系統(tǒng)之謎的一個(gè)重要部分?土壤呼吸究竟指的是什么?

何為“土壤呼吸”

土壤呼吸是土壤釋放二氧化碳的過(guò)程，嚴(yán)格意義上講是指在未被擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生的二氧化碳的所有代謝作用，包括三個(gè)生物學(xué)過(guò)程(即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸)和一個(gè)含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用即非生物學(xué)過(guò)程。

土壤是巖石圈表面的疏松表層，是所有陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。土壤呼吸近乎是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤與大氣之間二氧化碳交換的唯一途徑，直接決定著土壤中碳素周轉(zhuǎn)的速度。土壤呼吸的微小變化將對(duì)全球碳收支平衡產(chǎn)生明顯的影響，并影響未來(lái)大氣中二氧化碳濃度的變化情形。隨著全球變暖趨勢(shì)的不斷加強(qiáng)、全球土地利用和土地覆被方式的不斷變化，將有可能在一定程度上減弱陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)含碳物質(zhì)的匯聚能力，同時(shí)增加土壤呼吸的強(qiáng)度；相反，如果采用合適的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳管理政策和實(shí)施相應(yīng)的技術(shù)卻有可能相應(yīng)增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的匯聚碳能力。因此，充分認(rèn)識(shí)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤與大氣含碳?xì)怏w(二氧化碳、甲烷、一氧化碳)交換過(guò)程以及生物環(huán)境學(xué)機(jī)制已引起學(xué)術(shù)界的高度重視。

土壤呼吸的重中之重——森林土壤呼吸

森林土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的重要部分，其動(dòng)態(tài)變化也將對(duì)全球碳平衡產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。全球森林過(guò)度采伐和其他土地濫用導(dǎo)致土壤二氧化碳釋放的增加量已占過(guò)去兩個(gè)世紀(jì)因人類(lèi)活動(dòng)釋放的二氧化碳總量的一半，是除化石燃燒外的另一重要因素。森林土壤呼吸也是目前已建立的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)碳循環(huán)的重要研究對(duì)象之一，對(duì)生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及地球表層系統(tǒng)科學(xué)意義重大。

1997年，《京都議定書(shū)》認(rèn)可世界主要工業(yè)化國(guó)家可以通過(guò)增加森林吸收碳的功能來(lái)履行溫室氣體減排任務(wù)，而草地、農(nóng)業(yè)等其他植被類(lèi)型并不在此列，于是發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始紛紛通過(guò)改善現(xiàn)有森林生態(tài)系統(tǒng)的管理和擴(kuò)大森林面積來(lái)增加本國(guó)森林匯聚碳的能力。于是，一個(gè)新的森林概念“京都森林”應(yīng)運(yùn)而生。

作為全球碳庫(kù)重要組成部分的森林土壤碳庫(kù)，占了全球碳庫(kù)的73％，研究森林土壤呼吸有助于揭示森林土壤碳庫(kù)的某些機(jī)理。森林土壤碳庫(kù)的碳蓄積量及變化過(guò)程，是判讀森林土壤碳庫(kù)是否是大氣中二氧化碳來(lái)源或匯聚地的主要依據(jù)。森林土壤碳循環(huán)與碳蓄積還是預(yù)測(cè)大氣二氧化碳含量及全球環(huán)境變化的重要基礎(chǔ)，在全球陸地碳循環(huán)和氣候變化研究中具有重大意義。有學(xué)者對(duì)當(dāng)前全球碳預(yù)算的估計(jì)表明，大氣中二氧化碳的來(lái)源包括化石燃料燃燒釋放的碳量、森林破壞和其他土地利用所引起的釋放碳量。但這些釋放到大氣中的二氧化碳，只有約47％滯留在大氣中，29％被海洋吸收，其余24％則去向不明。究竟這些“失蹤碳”去了哪里呢?有證據(jù)指出這部分丟失的碳很可能是被北溫帶地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)接納了。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫帶森林約占全球森林總面積的24％。研究表明，北半球溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間存在著較大的二氧化碳負(fù)通量，是吸收人類(lèi)排放二氧化碳的一個(gè)重要途徑。在我國(guó)，長(zhǎng)白山闊葉紅松林是我國(guó)東北部中溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)最重要的森林植被類(lèi)型，是世界上已為數(shù)不多的大面積原生針闊混交林，也是很典型的生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)調(diào)節(jié)氣候以及穩(wěn)定東北地區(qū)生態(tài)平衡有著重要的作用。另有研究表明，闊葉紅松林是長(zhǎng)白山地區(qū)匯聚碳能力很強(qiáng)的地區(qū)，研究長(zhǎng)白山闊葉紅松林帶土壤呼吸作用對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)具有十分重要的意義。然而在原始的闊葉紅松林遭受干擾后進(jìn)行自然更新和恢復(fù)的過(guò)程中，植被類(lèi)型以及生態(tài)環(huán)境條件發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，不僅森林的碳蓄積能力被削弱了，還對(duì)土壤呼吸作用產(chǎn)生影響，在一定程度上改變了碳由放出到被吸收的過(guò)程，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源增加的一個(gè)重要原因，嚴(yán)重影響區(qū)域碳收支評(píng)估的精確性。

土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，在全球碳平衡中具有重要的作用，全球土壤僅表層的含碳量就相當(dāng)于大氣中的2倍，土壤碳庫(kù)的微小變化卻可以導(dǎo)致大氣二氧化碳濃度的顯著變化。全世界土壤中碳貯存量的增加將有助于緩和二氧化碳進(jìn)一步的人為釋放，而土壤二氧化碳的釋放則會(huì)顯著加劇大氣中二氧化碳濃度的增高?？刂屏送寥篮粑饔镁湍軌蛴行У鼐徍痛髿庵卸趸紳舛鹊纳吆腿蜃兣Ｔ诋?dāng)今全球氣候變化背景下的土壤呼吸研究，能為探索陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和揭示自然界遺漏的具有潛在匯聚碳能力的資源之謎提供有力的證據(jù)。因此，對(duì)土壤呼吸的精確研究是目前全球變化研究中最重要和最迫切需要研究的課題。

[責(zé)任編輯]趙檸