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。”
作為一種主要的溫室氣體，co2對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、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。
存在爭議的預(yù)測
其中，土壤有機(jī)碳的分解與氣候因子的關(guān)系，尤其對溫度、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，這些問題對于認(rèn)識(shí)和預(yù)測氣候變化(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，氣溫的升高可能會(huì)加快土壤有機(jī)碳的分解，但由于一些觀測研究的結(jié)果并不支持這一預(yù)測從而引起激烈爭議。”
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。”
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)。
