土壤呼吸知多少

梁　宇

沖天巨浪狂涌進紐約市，自由女神被淹沒，萬巷瞬間淹沒在汪洋之中，萬噸巨輪竟被沖進樓宇之間。轉瞬間，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。人類和人類所創造的世界在大自然面前顯得如此渺小……

電影《后天》將歷史上從未有過的、驚心動魄的曠世災難真實地展現在我們眼前，再次喚起了人們對日益嚴重的溫室效應及理論上可能引起的新冰河世紀威脅的關注。

導致全球氣候變暖的真正原因究竟是什么?科學家們似乎尚無定論，但是它對全球經濟發展和人類社會活動的影響無疑是巨大的。目前，科學界普遍認為導致全球變暖的原因主要有人口劇增導致的大氣中二氧化碳的含量不斷地增加，大氣環境污染，海洋生態環境惡化，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，地球周期性公轉軌跡的變動等等。

在過去很長時間內，自然系統和生物地球化學循環一直使全球碳庫處于動態平衡中，但近代，特別是自工業革命以來的人類活動(像森林毀壞，農業活動，化石燃料的燃燒等)導致了碳庫之間的極大改變。從全球尺度來看，1861年工業革命以后，溫室氣體快速增長，引起了全球氣候變化等一系列嚴峻的全球性生態環境問題，嚴重影響到陸地生態系統的組成、結構和功能，給人類自身的生存和可持續發展帶來巨大的挑戰。目前，全球變暖已經成為世界主要的環境問題之一，而由于人類活動所導致的大氣溫室氣體濃度的增加被認為是全球變暖的主要原因，其中二氧化碳的貢獻率比其它溫室氣體的總和還多。這種由人類活動引起的碳循環紊亂導致大氣中二氧化碳濃度的日趨升高，不僅引起了世界各國對全球變暖的關注，更引起我們對二氧化碳從陸地碳庫特別是土壤中，進一步釋放出來，與氣候系統之間可能形成的反饋效應的擔憂，因此對土壤呼吸的研究就不僅僅是一個乏味的科學問題了。

但是，為什么土壤呼吸是解決地球系統之謎的一個重要部分?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程，嚴格意義上講是指在未被擾動的土壤中產生的二氧化碳的所有代謝作用，包括三個生物學過程(即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤動物呼吸)和一個含碳礦物質的化學氧化作用即非生物學過程。

土壤是巖石圈表面的疏松表層，是所有陸地生態系統的基礎。土壤呼吸近乎是陸地生態系統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的速度。土壤呼吸的微小變化將對全球碳收支平衡產生明顯的影響，并影響未來大氣中二氧化碳濃度的變化情形。隨著全球變暖趨勢的不斷加強、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系統對含碳物質的匯聚能力，同時增加土壤呼吸的強度；相反，如果采用合適的陸地生態系統碳管理政策和實施相應的技術卻有可能相應增加陸地生態系統的匯聚碳能力。因此，充分認識不同生態系統土壤與大氣含碳氣體(二氧化碳、甲烷、一氧化碳)交換過程以及生物環境學機制已引起學術界的高度重視。

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系統土壤呼吸的重要部分，其動態變化也將對全球碳平衡產生深遠的影響。全球森林過度采伐和其他土地濫用導致土壤二氧化碳釋放的增加量已占過去兩個世紀因人類活動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期監測碳循環的重要研究對象之一，對生態學、環境科學及地球表層系統科學意義重大。

1997年，《京都議定書》認可世界主要工業化國家可以通過增加森林吸收碳的功能來履行溫室氣體減排任務，而草地、農業等其他植被類型并不在此列，于是發達國家開始紛紛通過改善現有森林生態系統的管理和擴大森林面積來增加本國森林匯聚碳的能力。于是，一個新的森林概念“京都森林”應運而生。

作為全球碳庫重要組成部分的森林土壤碳庫，占了全球碳庫的73％，研究森林土壤呼吸有助于揭示森林土壤碳庫的某些機理。森林土壤碳庫的碳蓄積量及變化過程，是判讀森林土壤碳庫是否是大氣中二氧化碳來源或匯聚地的主要依據。森林土壤碳循環與碳蓄積還是預測大氣二氧化碳含量及全球環境變化的重要基礎，在全球陸地碳循環和氣候變化研究中具有重大意義。有學者對當前全球碳預算的估計表明，大氣中二氧化碳的來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?有證據指出這部分丟失的碳很可能是被北溫帶地區的陸地生態系統接納了。據統計，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系統與大氣之間存在著較大的二氧化碳負通量，是吸收人類排放二氧化碳的一個重要途徑。在我國，長白山闊葉紅松林是我國東北部中溫帶濕潤氣候區最重要的森林植被類型，是世界上已為數不多的大面積原生針闊混交林，也是很典型的生態系統，并對調節氣候以及穩定東北地區生態平衡有著重要的作用。另有研究表明，闊葉紅松林是長白山地區匯聚碳能力很強的地區，研究長白山闊葉紅松林帶土壤呼吸作用對全球氣候變化的貢獻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行自然更新和恢復的過程中，植被類型以及生態環境條件發生動態變化，不僅森林的碳蓄積能力被削弱了，還對土壤呼吸作用產生影響，在一定程度上改變了碳由放出到被吸收的過程，成為陸地生態系統碳源增加的一個重要原因，嚴重影響區域碳收支評估的精確性。

土壤碳庫作為陸地生態系統中最大的碳庫，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于大氣中的2倍，土壤碳庫的微小變化卻可以導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一步的人為釋放，而土壤二氧化碳的釋放則會顯著加劇大氣中二氧化碳濃度的增高。控制了土壤呼吸作用就能夠有效地緩和大氣中二氧化碳濃度的升高和全球變暖。在當今全球氣候變化背景下的土壤呼吸研究，能為探索陸地生態系統的碳循環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。因此，對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。

[責任編輯]趙檸