土壤的呼吸作用与全球气候变化的关系
摘要：通过相关研究进展了解到：土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一,其对温度升高的敏感程度在相当大的程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。相关研究得出：（1）土壤呼吸随温度的升高而增加，将极大地提高土壤碳的释放,气候变暖后土壤是一个相当大的碳源;（2）土壤呼吸对温度升高的具有适应性,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。其原因包括温度及其他因子协同变化的作用。
关键词: 土壤呼吸 气候变化
引言
地球表面温度升高是未来气候变化的主要趋势之一。全球温暖化势必要对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈之间的物质循环产生深远的影响。IPCC根据最新的气候模型预测,到2100年左右,地球表面的温度将平均上升1.4~5.8℃,在高纬度地区的上升幅度甚至可能更大[1]。温度是调节和控制许多生态学过程的关键因素。由于很多生物地球化学过程与气候变化之间存在着反馈关系,它们对温度变化响应的研究就显得尤为重要。碳循环重要环节之一的土壤呼吸对温度变化非常敏感，对于土壤呼吸来说,温度是其主要驱动因子之一，最终产物是主要的温室气体CO2，所以，土壤呼吸与全球温暖化之间的关系不仅会影响到陆地生态系统在碳循环方面的源汇功能，而且，全球温暖化的趋势和时空格局也会因此产生重大变化[2]。所以，探讨土壤呼吸对温度变化的响应强度及其机制,对于了解未来气候变化的趋势和陆地生态系统在碳循环方面的源汇功能具有重大意义。
1.研究进展
关于土壤碳动态对全球气候变化所产生的结果,目前存在两种观点[3]:一种观点认为,温度上升将极大地提高土壤碳的释放,气候变暖后土壤是一个相当大的碳源;另一观点认为,土壤对气候变暖有较强的适应能力,土壤呼吸会随着气温的升高而降低对温度的敏感性从而减少向大气的二氧化碳排放量。这两种观点争论的焦点在于土壤对气候变化反馈能力的大小。由于资料收集和实验方法的有限,这两种观点都有较大的不确定性,而要对全球气候变化下土壤碳变化加以精确的估算和预测就显得相当复杂和艰难。
2．温度升高对土壤呼吸的影响
土壤呼吸是指从土壤排放CO2的过程,主要来自于土壤微生物、植物的根系和土壤动物的呼吸所排放的CO2。土壤呼吸是陆地生态系统碳素循环的主要环节[4]。温度对土壤微生物呼吸的影响一般用Q10函数关系表示,即温度增加10℃,微生物呼吸作用增加的倍数,通常Q10=2,但在不同的生态系统中Q10值不同,在温暖的地区Q10值较低,而在寒冷地区Q10值则较高。尽管Q10不同,但温度和土壤呼吸的相关关系是明显的。土壤CO2通量对地表温度变化很敏感，土壤表面温度较小的变化会对土壤CO2通量产生很大的影响[5]。许多模型研究表明，全球变暖将导致土壤碳的损失。除了一些沙漠地区，土壤呼吸随温度的升高而增加[6]，温度升高明显提高了土壤的呼吸速率，这可能是温度升高提高了微生物或根系的代谢活性造成的[7]。土壤呼吸对温度升高的响应在较冷的高纬度地区比较大[8]。由于未来高纬度地区温度升高比较大，高纬度生态系统土壤有机碳含量又比较高[9].因此，全球升温将导致高纬度生态系统向大气排放大量的碳。随着气温的升高,高纬度地区的土壤在不断升温,从而促进土壤呼吸,增加土壤二氧化碳的排放,造成土壤中二氧化碳的流失。
3．土壤呼吸对温度升高的适应性
有证据表明,土壤呼吸对温度变化的反应并不是一成不变的,在不同的环境条件下,土壤呼吸往往具有不同的温度敏感性。随着温度的升高或增温时间的延长,土壤呼吸速率的增长幅度往往下降甚至停止,其对温度变化的敏感程度降低,表现出所谓的温度适应性[10],齐晔等[11]又将其称为土壤呼吸的温度饱和性。一般,短期的升温往往会强烈促进土壤呼吸,但随着增温时间的延长,土壤呼吸对温度变化响应的敏感程度也会下降,升高温度对土壤呼吸速率的影响不大。
气候变暖时，土壤呼吸对温度升高产生适应的原因可能是:除了温度之外,对土壤呼吸能够产生影响的因子有多种,其中包括水分、土壤养分、光照、生物条件等,这些因子在一定条件下可以调控土壤呼吸对温度变化反应的敏感程度[12]。在温度较低的情况下,对于植物根系和土壤微生物的活动来说,温度是限制因子。随着温度的升高,温度的限制逐渐得到解除,植物根系和微生物的活性随温度上升到一定程度后,其他因子则有可能转而成为主导因子或限制性因子,植物根系和微生物需要作出必要的生理调整,从而对温度的效应产生限制、修饰或掩盖作用[13],使土壤呼吸的温度敏感程度降低,导致土壤呼吸温度适应现象的产生。
4．结论与问题
本文通过阅读相关文献得出一些结论并提出一些问题：
（1）土壤呼吸随温度的升高而增加，将极大地提高土壤碳的释放,气候变暖后土壤是一个相当大的碳源。
（2）土壤呼吸对温度升高的具有适应性,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。其原因包括温度及其他因子的协同变化共同的作用。
（3）土壤呼吸对温度升高的适应性可以部分减少因全球变暖的激发而增加的碳排放量,使气候变化与碳循环的耦合作用在一定程度上有所减弱,今后全球变暖的程度也许会出现一定程度的缓和[12]。
（4）土壤呼吸作用随温度升高增强后对其他陆面过程有什么影响。土壤呼吸对温度的敏感性可以达到多高。我们是否可将温度敏感性作为预测未来气候变化的一个因子呢。
人们对土壤呼吸对温度的敏感性机理也进行了大量研究,但仍没有可靠的结论。因此深入研究土壤呼吸对温度的敏感性仍是未来的一个重要的研究方向。
参考文献：
[1] Houghton JT, Ding Y, Griggs DJ,et al., editors.ClimateChange2001:The Scientific Basis. Cambridge: Cambridge University Press,2001.
[2] 陈全胜,李凌浩,韩兴国等.土壤呼吸对全球温暖化的响应.地学前缘,2003,10:10（4）.
[3] 张 君,宫渊波,王巧红.土壤碳现状及其对全球气候变化的响应.四川林业科技，2005,10：26（5）.
[4] 张金屯. 全球气候变化对自然土壤碳、氮循环的影响.地理科学，1988,10：18（5）
[5] 同小娟,陶波,曹明奎. 陆地生态系统土壤呼吸、氮矿化对气候变暖的响应.地理科学进展，2005,7：24（4）.
[6] 周涛，史培军，孙睿，王绍强.气候变化对净生态系统生产力的影响.地理学报，2004，59(3):357一365.
[7]曹明奎，于贵瑞，刘纪远，李克让.陆地生态系统碳循环的多尺度试验观测和跨尺度机理模拟.中国科学D辑(地球科学)，2004，34(增刊11):1一34.
[8]王其兵，李凌浩，白永飞，邢雪荣.气候变化对草甸草原土壤氮素矿化作用影响的实验研究.植物生态学报，2004，24(6):687一692.
[9] 唐燕飞,王国兵,阮宏华. 土壤呼吸对温度的敏感性研究综述. 南京林业大学学报(自然科学版),2008，32(1).
[10]Oechel WC, Vourlitis GL, Hastings SJ,et al. Acclimation of ecosystem CO2exchange in the Alaskan Arctic in response to decadal cli-mate warming.Nature, 2000,406:978~981.
[11]齐晔,唐剑武,徐明.全球变化研究中的生物圈模型(II):呼吸与分解.北京:中国科学技术出版社, 2002. 205~212.
[12]陈全胜，李凌浩，韩兴国等.土壤呼吸对温度升高的适应.生态学报，2004，24 (11).
[13]Chen QS, Li LH, Han XG,et al. Responses of soil respiration to temperature in eleven communities in Xilingol Grassland, Inner Mongo-lia.Acta Phytoecologica Sinica, 2003.27(4):441~447.
