20年的土壤增温并没有促进北方森林的生物量累积

来源： 张研 生态学家 2019-03-02

翻译丨张研

编辑丨JinTao.Li

 摘要 

过去有假设认为，温度升高除了会促进土壤有机质的分解，另一方面也会使得被保护的氮被释放，进而提高土壤氮的有效性，促进森林生长，而其生物量增加所带来的碳汇将抵消由土壤有机碳分解引起的土壤碳释放。但是，这个假设是基于短期研究（小于10年）得来的。而森林生态系统碳汇的一个关键问题是：在长期演替更新中，增温对森林生物量生长的这种促进作用究竟是短暂的，还是长期的？本研究基于一个典型氮限制的北方云冷杉林，进行了18年土壤增温（+5°C）试验。该研究表明20年的土壤增温只在短期内促进了森林生长，但并没有显著增加地上生物量积累。此外，结合这片森林已发表的工作，研究发现，增温对土壤碳分解的促进作用是轻微且短暂的，而且深层土壤的细根生产和周转的增加可能要大于分解作用，从而导致生物量非常小的净增加，这种机制甚至可能保护了土壤碳储量。因此，这项长期研究既不支持土壤增温会导致释放出更多碳的观点，也不支持增温会促进土壤氮矿化，从而导致生物量的补偿性生长的观点。

原文信息

标题：Boreal forest biomass accumulation is not increased by two decades of soil warming

期刊：Nature Climate Changevolume

作者：一作：Hyungwoo Lim，通讯：Hyungwoo Lim【Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences（瑞典农业大学森林生态与管理系） 】 & Ram Oren【Nicholas School of the Environment, Duke University（杜克大学尼古拉斯环境学院）】

时间：2018-12-17

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研究背景

人为温室气体排放引起的全球增温会刺激土壤有机质分解，产生强烈的正反馈，影响未来气候。拥有全球最大有机碳库的北方土壤被认为是增温响应的巨大碳源。但是，土壤有机碳分解增加的同时也促进了土壤氮矿化，潜在导致受氮限制的北方森林生物量增加。因此，这可以部分甚至完全抵消土壤碳分解增强引起的碳丢失。事实上，在土壤增温实验的10年内，温带硬阔叶林和北方森林的生产力能提高到1倍，并且这种补偿效应已被应用在地球系统模型当中。预测未来气候变化下森林生态系统碳平衡的关键是由于土壤微生物的热适应和不稳定土壤有机碳的消耗，增温对生产力的促进作用是否能够长期存在。

研究方法

研究样地位于瑞典北部的1986年建立的挪威云杉林（Picea abies L.Karst.）固定监测样地，自1995年起，在每年生长季（4-11月）对寡营养（nutrient-limited，unfertilized）和富营养（nutrient-rich，fertilized）各4个样方土壤使用加热电缆进行增温处理（+5°C）。由于土壤变暖可能导致蒸发增加，所有试验地块都进行了灌溉，保持土壤水势在-0.01MPa以上，以消除与土壤水分之间的交互作用。采用标准地调查法和异速生长方程法测定地上木材生物量，根据叶片氮含量和天然稳定同位素丰度（δ15N）检测树木N吸收及其来源。

研究结果

Fig 1. a-ANPPW：地上木材净初级生产力（Abovegroundnet primary production of wood biomass）；b-AWB：地上木材生物量累积（Accumulation of aboveground wood biomass）；c、d分别是根据增温处理前的值进行校正的ANPPW和AWB。W/R：增温/非增温。▲富营养样方；●寡营养样方；蓝色：对照，非增温；红色：增温

在富营养样方（▲）中，增温似乎影响了ANPPW（但是仅在两年内显著;Fig.1a），但对AWB无显著影响（Fig.1b）。但是对ANPPW和AWB进行校正后，增温的任何促进作用就检测不到了（Fig.1c, d）。在寡营养样方（●），增温对校正的ANPPW的促进效应持续了十年（Fig.1c），但是在观察的二十年中，还不足以导致显著的AWB（Fig.1b, d）。因此，无论是通过直接观测还是校正数据，研究的发现都不支持下面这个观点：土壤增温背景下，北方森林生产力的增加将抵消土壤碳流失。

Fig. 2 每个变量对应的上条形表示富营养样方，下条形表示寡营养样方，红色表示显著差异。

Fig.3 叶片N含量和δ15N。▲富营养样方；●寡营养样方；蓝色：对照，非增温；红色：增温

结合早期关于同一实验的公开数据，研究进一步发现，增温对土壤N矿化的促进作用只是短暂的（Fig.2）。 在处理的第二个十年，施肥增加了树木N的吸收（Fig.3）、叶面积指数、针叶凋落物量和O层土壤C、N储量。 但是另一方面，土壤增温对这些值没有显著影响（Fig.2b），因此不支持增温增加N可利用性的观点。此外，随着时间的推移，增温样地明显更高的分解速率应该会使O层土壤的稳定C库更小，因此即使分解速率保持较高也会导致N供应下降。然而，与对木材生物量积累影响不大相反，增温可能导致矿质土壤中C储量略微增加~10 gC m-2 yr-1，因为增温使得细根生物量在18年间增加了72gCm−2（虽然也使得细根周转率增加了一倍），而没有通过分解作用或淋溶来增加C的损失（Fig.2b）。

研究结论

一些≤10年的土壤增温实验发现森林生物量生产力得到提高，与此一致，本研究在增温的第五年和第六年也观测到了2倍的生长。但是纵观整个增温期（20年），增温并没有促进AWB（Fig.1b）或总生物量（包括叶子，粗根和细根生物量），ANPPW的增加也可以忽略不计。本研究强调，在森林漫长的演替过程中，有必要通过长期的实验来检测全球变化对生态系统功能和结构的影响，因为从短期实验中可能会得出不一样甚至相关的结论。传统观点认为，增温不仅能促进有机碳分解，也能促进土壤N矿化，使得森林生物量生长加快，从而抵销释放因增温导致的碳损失，这一补偿机制也被应用于地球系统模型中。然而本研究并不支持这种补偿性响应，甚至发现增温有可能会增加矿质土壤中的碳储量。

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