Nature过度活跃的土壤微生物可能会削弱陆地碳汇

　　陆地表面在全球碳循环中起着至关重要的作用，为大气中CO2浓度的变化和相关的气候变化提供反馈。在过去几十年里，全球范围内大气CO2浓度以及土壤和空气温度的增加，与陆地表面生物新陈代谢的增加相一致——这体现在主要由植物通过光合作用吸收CO2的速度加快，以及主要由于呼吸作用而由植物和土壤微生物损失CO2的速度加快。
　　在《自然》杂志的一篇论文中，Ben Bond-Lamberty等人报告说，CO2流失的增长速度超过了植物吸收CO2的速度。作者将这些增长速度的不平衡归因于微生物活性的增强，这些微生物通过分解或矿化土壤中的有机物获得营养。如果观察到的趋势继续下去，那么微生物的呼吸作用可能会从以前储存在土壤中几十年到几千年的有机物中释放出CO2，从而大大加剧全球变暖。
　　图1: Ben Bond-Lamberty等人通过分析全球土壤呼吸数据库，发现土壤异养呼吸不断增强，在1990年至2014年间，其占土壤总呼吸的比率从0.54显著增加到0.63。
　　陆地表面和大气之间的CO2交换是多种过程的基础。Bond-Lamberty等人关注的是土壤呼吸，这可以说是最大的CO2通量之一。作者分析了此前发表的来自世界各地许多地点的土壤呼吸数据，这些地点覆盖了广泛的生态系统，包括农田、温带森林和沙漠。他们利用这些数据估算了不同地点的土壤呼吸年速率，并评估了1990年至2014年之间的趋势。
　　作者随后比较了土壤呼吸(CO2损失)和植物生产力(CO2吸收)的趋势，这两个趋势来自不同的数据来源（包括卫星）。研究发现，在他们的数据集涵盖的期间内，土壤呼吸速率与植物生产力速率的比率总体上有所增加。但这个比率很少超过1，除了在特定年份的某些地点，这表明整体上陆地生态系统保持着碳汇的功能，但在特定的情况会导致从土壤中流失的CO2多于植物吸收的CO2（转变为碳源）。
　　研究结果提出了这样一个问题：未来全球平均比率是否会超过1？如果会，又会在何时？这样的事件将标志着一个转折点，在这个转折点上，陆地表面不再主要作为一个碳汇来帮助清除来自化石燃料排放的大气CO2，而是开始作为CO2的来源——加剧CO2水平的上升，加速气候变化的步伐(图1)。
　　图2: 地球陆地表面碳通量平衡的临界点。 a、陆地生物圈中CO2的主要来源是与微生物分解土壤中有机物有关的呼吸作用，以及植物(地上和地下)的呼吸作用。植物也通过光合作用吸收CO2。目前，植物吸收的CO2总量超过了呼吸作用产生的CO2总量，因此陆地表面扮演着碳汇的角色。箭头宽度大致对应CO2通量的大小。b, Bond-Lamberty 等人报告说，在过去几十年里，土壤微生物产生CO2的速度比植物利用CO2的速度增长得更快。这就增加了呼吸速率达到一个临界点，超过植物吸收CO2的速率的可能性。在这种情况下，陆地表面将成为大气中CO2的来源。何时会达到这样一个临界点还不清楚。
　　接下来，作者将土壤总呼吸分为由微生物分解主导的呼吸和与植物根系有关的呼吸。对微生物主导的呼吸速率的分析使他们得出结论，土壤总呼吸速率的不成比例的快速增长是由于土壤微生物活性的增强。然而，要了解土壤呼吸速率的加快是否会导致陆地表面成为CO2的来源，还必须考虑与地上植物生物量有关的呼吸损失的时间趋势——从陆地生物圈中生物来源的CO2的总损失是土壤和非土壤损失的总和。
　　之前有研究基于涡流通量塔记录——该塔持续监测一系列生态系统中特定地点的CO2浓度和通量——的长期数据，表明植物生产力的增长速度已经快于地上和地下呼吸损失CO2总量的速度。这与Ben Bond-Lamberty等人的研究发现相矛盾，这需要进一步的数据和分析来解释。
　　如果Ben Bond-Lamberty等人的发现是正确的，那么哪些机制可以解释相对于植物生产力和植物呼吸作用，土壤微生物活性的显著增强刺激？过去几年的研究表明，植物在应对长期温度升高时调节呼吸的能力要比短命的土壤微生物强得多。作者认为，在他们的研究中观察到的微生物活性的增加可能反映了与气候变化相关的温度升高的刺激效应。
　　然而，从该研究的数据中得出全球推论时，存在潜在的问题。大多数数据来自于对土壤呼吸速率的现场测量，这些测量是由许多不同的研究人员获得的，他们使用了各种方法来计算土壤微生物的贡献。这种方法的多样性可能导致那些研究人员对土壤微生物在研究中的相对重要性得出了截然不同的结论。此外，他们使用简化假设将每小时或每天的呼吸速率快照转换为每年的CO2通量，但没有考虑到这些计算中的不确定性。土壤呼吸数据集在单个站点的时间覆盖范围上也有限制：只有少数站点可以进行重复观测。但必须进行重复观测，以防止时间趋势被站点之间不同的因素所掩盖。
　　作者承认并解释了他们在统计分析中的一些局限性，但显然还有更严格的调查的进步空间。这将要求研究人员收集土壤呼吸及其组分通量的连续时间序列，并要求使用精确的方法来量化不确定性和推断局部测量结果，以确定更大区域的趋势。尽管存在局限性，这一工作是有价值的，因为它有助于我们了解土壤长期吸收碳的潜力——以及这种吸收可能如何受到土壤微生物有机物分解速度加快的威胁。他们的发现对于开发和测试全球碳预算模型至关重要，土壤碳是其中的核心组成部分。
　　整个生态系统的CO2通量通常使用涡流塔来测量。相比之下，对土壤呼吸和微生物分解的连续测量在全世界范围内并不广泛，也没有覆盖多年的时间。长期观测项目的建立，如美国国家生态观测网（National Ecological Observatory Network, NEON），它监测土壤CO2的通量和其他生态措施，将为系统评估时间趋势和土壤中CO2流失率变化的根本原因创造机会。这些数据对于开发碳循环的区域和全球模型，以及评估气候变化和缓解气候变化的战略来说是至关重要的。