【知识分享】土壤呼吸与碳中和|生态系统_新浪财经

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导言

碳是地球上生命的基础，它以多种形式广泛存在于大气、地壳和生物之中。地球系统各个部分所存储的碳叫做碳库，主要分为地质碳库，海洋碳库，土壤碳库，植被碳库等。通过衡量各碳库对大气二氧化碳的贡献，又将碳库分为碳源（向大气中排放CO2）和碳汇（吸收大气CO2）。

现阶段包括土地利用和土地覆被的改变在内的人类活动，很大程度上改变了土壤呼吸，导致土壤CO2释放急剧增加。目前土壤呼吸已经成为陆地生态系统向大气释放二氧化碳最大的源。作为土壤碳库的唯一输出途径和大气CO2重要的源，土壤呼吸对于人类实现碳中和十分关键。

土壤呼吸是什么

图1：土壤呼吸组成的概念模型（Ryan & Law，2005）

土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，其主要由土壤微生物、无脊椎动物与植物根系产生。植物从大气中获取CO2，并通过光合作用将碳转化为有机化合物，这其中有35%~80%分配到了地下（Ryan et al.，2004）。大气中的CO2通过光合作用这唯一的途径进入陆地生态系统（固碳），而这些CO2通过生态系统的各种呼吸功能返回大气。土壤呼吸作为碳循环中碳从陆地回到大气的主要方式，占生态系统呼吸的60%~90%（Schimel et al., 2001）。

影响土壤呼吸的因素

为了估算土壤呼吸量的大小，必须首先了解土壤碳库中CO2释放量与环境因素的关系。如下图：

图2：影响土壤呼吸的因素

土壤呼吸与土壤温湿度呈正相关，其中Q10值用来衡量土壤呼吸对温度的敏感性，即温度每变化10℃,土壤呼吸速率的相对变化。

图3：土壤呼吸与年平均气温（Raich et al., 1991）

土地利用方式对于土壤呼吸的影响相当显著，不同的利用方式不仅对地表植被有所改变，还改变了土壤透气性，使得土壤有机质含量、微生物组成与活性、根系生物量等发生改变。人类活动使土壤碳库逐渐成为碳源，导致生态系统的碳汇功能减弱。

土壤呼吸与碳中和

土壤呼吸对碳中和至关重要。全球陆地植被固碳约达120 Pg C/yr。全球土壤呼吸所释放的CO2可达75 Pg C/yr（Schlesinger et al., 1999），这个数值甚至要高于人类活动所排放的CO2水平，2021年人类活动产生的CO2排放约为39.3 Pg CO2即10.7 Pg C，在全球变暖与碳中和目标的大背景下，土壤呼吸对气候变化的反应变得格外重要。

由于土壤呼吸与温湿度正相关，温室效应将使土壤碳库向大气释放更多CO2，Raich et al.（2002）等估算1980至1994年间温度约每升高一度，土壤呼吸量增加3.3 Pg C/yr。而大气中更多的CO2则意味着更棘手的温室效应与全球变暖，这强大的正反馈作用无疑将使碳中和任务变得更加困难。

在未来，土壤会是碳源还是碳汇？想回答这个问题就需要准确评估土壤呼吸量，帮助决策者制定气候政策，预测未来的气候变化，为人类平衡全球“碳收支”、实现碳中和做出科学的贡献。

如何估算土壤呼吸

传统的土壤呼吸估算采用实地测量的微气象法、气室法和13C自然丰度法。微气象法分为涡度相关法、能量平衡法、空气动力学法和质量平衡法等。这些方法因技术不完全成熟或者仪器设备造价过高而导致推广使用十分困难。气室法按其测定原理又可以分为封闭型气室与开放型气室，静态气室法与动态气室法。13C自然丰度法中将C3光合作用的植物种在C4植物的土壤上（反之亦然），这些测量方法虽然具有较高的精度，但是无法通过实测方式获取大尺度上的土壤呼吸量。受到测定方法、时间成本、经费等因素的限制，土壤呼吸的实测研究往往局限于样点、群落尺度，长时间、大范围的土壤呼吸测定是不可行的。基于这些实测数据，大量的模型被发展用于研究不同尺度的土壤呼吸。

大区域尺度土壤呼吸的估算通常采用陆地生态系统过程模型，以空间插值的气象数据（如气温、降水量）和土壤质地等数据作为输入参数进行估算。随着对全球尺度土壤呼吸研究的深入，土壤呼吸模型也日趋完善。

例如, 在陆地生态系统模型CEVSA2和AVIM2中，将土壤有机碳分为8个概念库：土壤表面结构库、地下结构库、活性库、土壤表面微生物、土壤表面代谢库、地下微生物、慢分解库和惰性库等。模型主要模拟碳在各个库之间的周转。土壤呼吸则是土壤微生物分解过程中所有气态碳（如CO2, CO, CH4）损失的总和。AVIM2中的物理模块和植物生理生长模块与土壤模块的耦合如图所示，虚线框内为土壤模块，主要用于计算土壤呼吸。

图4：AVIM2耦合图

(生态修复网)

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