光合碳循環(huán) 圖片來源：維基百科
　　土壤有機(jī)碳庫很小的變動(dòng)，有可能會(huì)對(duì)大氣CO2濃度及碳平衡產(chǎn)生重要影響。因此，土壤有機(jī)碳對(duì)氣候變化的響應(yīng)是科學(xué)界目前關(guān)注的焦點(diǎn)問題。
　　日前，中國(guó)科學(xué)院武漢植物園系統(tǒng)生態(tài)學(xué)課題組的研究人員通過穩(wěn)定同位素分析，首次揭示了土地利用變化后，土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)與氣候因子關(guān)聯(lián)性的新證據(jù)。
　　關(guān)注土壤碳庫
　　地球上的碳元素分布于海洋、地質(zhì)化石、土壤、植被、大氣等各庫中。其中，土壤有機(jī)碳庫是全球陸地表層系統(tǒng)中最大的碳庫，約是大氣碳庫的2倍、陸地植被碳庫的2～3倍。
　　武漢植物園副研究員、生態(tài)學(xué)課題組成員張克榮介紹，土壤有機(jī)碳通過分解作用產(chǎn)生的CO2排放是土壤碳與大氣CO2交換的主要形式。土壤既可以通過土壤呼吸充當(dāng)大氣CO2的“源”，也可以通過有機(jī)碳的凈積累成為CO2的“匯”，“源”或“匯”狀態(tài)取決于碳輸入與輸出之間的比例。
　　土壤與大氣之間每年的碳交換量達(dá)到60～80Pg（1Pg=1×1015克），是每年石油和煤等燃料燃燒釋放的7～10倍。張克榮說：“土壤碳庫的變化，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存和碳釋放起著至關(guān)重要的作用?！?br/>　　作為一種主要的溫室氣體，CO2對(duì)地球熱量平衡有重要作用。自工業(yè)革命以來，由于人類活動(dòng)，如人口過快增長(zhǎng)、土地利用變化、化石燃料燃燒等，導(dǎo)致大氣中的CO2濃度明顯升高。
　　CO2濃度的升高，可能會(huì)對(duì)全球氣候、生態(tài)系統(tǒng)以及其他各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，比如溫度和降水的改變，從而影響人類的可持續(xù)發(fā)展。因此，越來越多的科研人員把目光轉(zhuǎn)移到土壤有機(jī)碳的研究上。
　　存在爭(zhēng)議的預(yù)測(cè)
　　其中，土壤有機(jī)碳的分解與氣候因子的關(guān)系，尤其對(duì)溫度、降水的敏感性是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。張克榮指出，這些問題對(duì)于認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)氣候變化（如溫度和降水的改變）的影響、理解氣候因子與生態(tài)系統(tǒng)之間反饋機(jī)制十分關(guān)鍵。
　　“雖然科學(xué)界已有理論和模型預(yù)測(cè)，氣溫的升高可能會(huì)加快土壤有機(jī)碳的分解，但由于一些觀測(cè)研究的結(jié)果并不支持這一預(yù)測(cè)從而引起激烈爭(zhēng)議?！?br/>　　兩位科學(xué)家Giardina和Ryan曾通過分析全球當(dāng)時(shí)已發(fā)表的研究數(shù)據(jù)，提出礦質(zhì)土壤有機(jī)碳的分解速率不隨溫度的變化而變化，認(rèn)為土壤有機(jī)碳的分解對(duì)氣候因子并不敏感。
　　他們于2000年將研究成果發(fā)表在Nature上，被當(dāng)成土壤有機(jī)碳分解對(duì)溫度并不敏感的經(jīng)典證據(jù)而被廣泛引用。
　　他們這個(gè)證據(jù)被認(rèn)為非常重要。根據(jù)這一結(jié)果，許多涉及土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的理論、模型需要改寫，一些重要認(rèn)識(shí)也需要重新構(gòu)建，比如可以推斷氣候變暖不會(huì)加快土壤有機(jī)碳的分解。
　　張克榮告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者：“根據(jù)Google學(xué)術(shù)搜索統(tǒng)計(jì)，目前該文章已被引用750余次。特別是發(fā)表于多家國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上的一些非常重要的綜述文章，也把這項(xiàng)研究當(dāng)成土壤有機(jī)碳分解對(duì)溫度并不敏感的經(jīng)典證據(jù)。”
　　碳同位素標(biāo)記
　　張克榮說：“研究土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)與氣候因子的關(guān)系主要通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)、野外控制實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)定同位素自然豐度法等方法?！?br/>　　自然界中碳的同位素有7種（10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C），其中12C、13C為穩(wěn)定性同位素。土壤有機(jī)碳主要來源于陸地植物，植物產(chǎn)生的枯枝落葉、死根、分泌物等是土壤有機(jī)碳的主要來源，植物則是通過光合作用固定大氣中的CO2。
　　根據(jù)光合作用途徑的不同，陸地植物可分為C3、C4、CAM植物。由于固定CO2途徑的差異，植物體在光合作用過程中對(duì)13C選擇吸收的比例不同，從而使植物體的穩(wěn)定性碳同位素比率（δ13C）值存在差異。
　　張克榮表示，毀林或森林恢復(fù)引起C3植被和C4植被之間的轉(zhuǎn)換，這會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳穩(wěn)定同位素信號(hào)的改變，因而這類生態(tài)系統(tǒng)為探討土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)沿氣候梯度的變化提供了獨(dú)特的材料。
　　為此，生態(tài)學(xué)課題組利用秦嶺地區(qū)由C4植被轉(zhuǎn)為C3植被的棄耕地以及全球其他地區(qū)發(fā)生了C3和C4植被轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)，展開研究并發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的分解速率隨年均溫、年均降水量的升高而上升，土壤有機(jī)碳的分解速率與年均溫存在指數(shù)關(guān)系。
　　這一結(jié)果推翻了Giardina和Ryan的研究結(jié)論，提示全球變暖會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳分解的加快。生態(tài)學(xué)課題組研究人員指出Giardina和Ryan的研究產(chǎn)生偏差的主要原因是未考慮土壤采樣深度和土地利用變化類型。
　　此外，研究人員還建立了土地利用變化后“新碳”（來源于新植被）與“舊碳”（土地利用變化前原有碳）比例變化的經(jīng)驗(yàn)方程，并基于經(jīng)驗(yàn)方程，估算出毀林和森林恢復(fù)后土壤有機(jī)碳來源發(fā)生轉(zhuǎn)換的時(shí)間分別為43.4年和45.4年。
　　張克榮對(duì)此作了補(bǔ)充說明，當(dāng)土地利用發(fā)生改變后，大概是40多年后“新碳”的比例會(huì)超過“舊碳”。
　　如果一片長(zhǎng)期種植玉米這種C4植物的耕地，通過種樹或者是自然恢復(fù)，形成了C3植被，那么大概是40多年后，土壤中來源于新植被（C3植被）的碳會(huì)超過“舊碳”（土地利用變化前的碳）。
　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2015-02-16 第6版 進(jìn)展)