全球变暖加速土壤微生物的二氧化碳排放

大气中二氧化碳(CO 2 )浓度的上升是全球变暖的主要催化剂，估计大气中CO 2的五分之一来自土壤。这部分归因于微生物的活动，包括细菌、真菌和其他微生物，它们利用氧气分解土壤中的有机物，例如死去的植物材料。在此过程中，CO 2被释放到大气中。科学家将其称为异养土壤呼吸。

根据最近发表在科学杂志《自然通讯》上的一项研究，来自苏黎世联邦理工学院、瑞士联邦森林、雪和景观研究所 WSL、瑞士联邦水生科学与技术研究所 Eawag 和洛桑大学的研究小组得出了重要的结论。他们的研究表明，到本世纪末，土壤微生物向地球大气中排放的CO 2预计不仅会增加，而且还会在全球范围内加速。

他们通过预测发现，到 2100 年，土壤微生物产生的CO 2排放量将会增加，在最坏的气候情景下，与目前的水平相比，全球范围内的排放量可能会增加约 40%。“因此，预计微生物 CO 2排放量的增加将进一步加剧全球变暖，强调迫切需要对异养呼吸速率进行更准确的估计，”该研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院的阿隆·尼桑(Alon Nissan)说。苏黎世联邦理工学院环境工程学院博士后研究员。

土壤湿度和温度是关键因素

这些发现不仅证实了早期的研究，而且还为不同气候带异养土壤呼吸的机制和程度提供了更精确的见解。与依赖大量参数的其他模型相比，阿隆·尼桑开发的新颖数学模型仅利用两个关键环境因素：土壤湿度和土壤温度，简化了估计过程。

该模型代表了一项重大进步，因为它涵盖了所有生物物理相关层面，从土壤结构和土壤水分布的微观尺度到森林等植物群落、整个生态系统、气候带，甚至全球尺度。ETH 环境工程学院教授 Peter Molnar 强调了这一理论模型的重要性，该模型补充了大型地球系统模型，他表示：“该模型可以根据土壤湿度和土壤温度更直接地估计微生物呼吸速率。此外，它增强了我们对不同气候区域的异养呼吸如何导致全球变暖的理解。”

极地 CO 2排放量可能增加一倍以上

Peter Molnar 和 Alon Nissan 领导的研究合作的一个重要发现是，微生物 CO 2排放量的增加因气候带而异。在寒冷的极地地区，与炎热和温带地区不同，导致温度增加的最主要因素是土壤湿度的下降，而不是温度的显着上升。阿隆·尼桑强调了寒冷地区的敏感性，他表示：“即使是水分含量的微小变化也可能导致极地地区呼吸速率的大幅变化。”

根据他们的计算，在最坏的气候情景下，到 2100 年，极地地区的微生物 CO 2排放量预计每十年增加 10%，是世界其他地区预期增长率的两倍。这种差异可归因于异养呼吸的最佳条件，这种条件发生在土壤处于半饱和状态时，即既不太干也不太湿的情况下。这些条件在极地地区土壤融化期间普遍存在。

另一方面，其他气候带的土壤已经相对干燥并且容易进一步干燥，微生物CO 2排放量的增加相对较小。然而，无论在哪个气候区，温度的影响都是一致的：随着土壤温度升高，微生物CO 2的排放量也会增加。

每个气候带将增加多少CO 2排放量

截至 2021 年，土壤微生物排放的大部分 CO 2主要来自地球温暖地区。具体来说，其中 67% 来自热带，23% 来自亚热带，10% 来自温带，仅 0.1% 来自北极或极地地区。

值得注意的是，研究人员预计，与 2021 年观察到的水平相比，所有这些地区的微生物 CO 2排放量将大幅增长。他们的预测表明，到 2100 年，极地地区将增加 119%，热带地区将增加 38%，热带地区将增加 40%。 48% 位于亚热带，48% 位于温带。

土壤会成为大气中的CO 2汇还是CO 2源?

土壤中的碳平衡决定了土壤是作为碳源还是碳汇，取决于两个关键过程之间的相互作用：光合作用(植物吸收 CO 2 )和呼吸(释放 CO 2)。因此，研究微生物CO 2排放对于了解土壤未来是否会储存或释放CO 2至关重要。

“由于气候变化，这些碳通量的大小(包括通过光合作用流入的碳通量和通过呼吸作用流出的碳通量)仍然不确定。然而，这种大小将影响土壤目前作为碳汇的作用，”阿隆·尼桑解释道。

在他们正在进行的研究中，研究人员主要关注异养呼吸。然而，他们尚未调查植物通过自养呼吸释放的CO 2排放量。对这些因素的进一步探索将为土壤生态系统内的碳动态提供更全面的了解。