全土壤增温对高寒草地生态系统碳通量的影响：机制解析与全球模式验证

这篇研究通过高寒草地全土壤增温实验和全球元分析，首次揭示了全土壤增温显著提升生态系统总生产力（GEP）14%和呼吸作用（ER）11%，但对净生态系统碳交换（NEE）影响微弱。研究创新性地整合了深层土壤增温效应，为预测气候变暖下陆地碳汇功能变化提供了关键实验证据，对完善全球碳-气候反馈模型具有重要科学意义。

　　

背景

全球变暖正以空前速度改变陆地生态系统碳循环过程。作为"地球第三极"的青藏高原储存着7.4 Pg的土壤有机碳（SOC），其升温速率（0.3-0.4°C/十年）远超全球平均水平。传统研究多聚焦表层土壤（0-20 cm）增温效应，而忽略深层土壤在碳循环中的作用。本研究通过建立全球首个深达1米的全土壤增温系统（+4°C），结合48项全球增温实验的元分析，系统解析了全土壤增温对高寒草地碳通量的影响机制。

研究方法

实验选址于青海海北高寒草甸（海拔3200米），采用埋设加热电缆环的创新设计，实现0-100 cm土壤剖面均匀增温。通过红外气体分析仪（LI-6400）连续3年监测净生态系统碳交换（NEE）、总初级生产力（GEP）和生态系统呼吸（ER）。同步采集植物群落结构和土壤微生物生物量碳（MBC）等16项指标。全球元分析纳入208组观测数据，采用随机效应模型量化不同生态系统对增温的响应。

关键发现

1. 碳通量响应：全土壤增温使GEP和ER分别提升14%和11%，但NEE保持稳定。这与元分析结果（GEP+10%、ER+13%）高度吻合，表明深层土壤增温未改变碳通量响应方向。

2. 驱动机制：

   • 植物群落重构：增温促进光合效率高的杂类草生物量，抑制禾草生长

   • 生长季延长：土壤温度升高使植物物候期提前

   • 微生物激活：深层SOC分解加速，土壤异养呼吸贡献率增加37%

3. 环境调控：土壤温度与GEP（R²=0.68）、ER（R²=0.71）呈显著正相关，但增温未显著改变土壤含水量（p>0.05）。

讨论启示

1. 碳汇稳定性：GEP与ER的同步增长使NEE保持稳定，暗示高寒草地在变暖背景下仍能维持碳汇功能。这与北极苔原的研究形成对比，后者在增温下常转为碳源。

2. 方法学突破：传统表层增温实验可能低估21%的土壤碳释放，全土壤增温更真实模拟实际气候情景。

3. 未解之谜：非生长季碳通量（占全年53%）的响应仍待探究，且南半球生态系统数据严重缺乏。

未来方向

建议建立"全生态系统增温"平台，整合大气-植物-土壤多界面过程观测。开发包含深层土壤模块的生态系统模型，重点关注冻土区碳释放阈值。这项研究为《巴黎协定》温控目标下的碳收支评估提供了关键科学依据。