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水保所在全球土壤呼吸研究中取得新進(jìn)展

2022-07-11 13:50:40
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近日,水土保持研究所焦菊英研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PacificNorthwestNationalLaboratory)、斯坦福大學(xué)等單位,在國(guó)際著名綜合性期刊NatureCommunications上發(fā)表題為“Historicallyinconsistentproductivityandrespirationfluxesintheglobalterrestrialcarboncycle”的研究論文。水保所簡(jiǎn)金世教授為論文第一作者和通訊作者,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。該研究得到了第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究(2019QZKK0603),中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目(XDA20040202)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

陸地植被生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用固定二氧化碳,稱為總初級(jí)生產(chǎn)力或(GPP),其中的大部分以植被地表呼吸、根系呼吸和微生物異養(yǎng)呼吸等形式返回大氣(還有小部分以火燒、生物揮發(fā)性有機(jī)化合物排放、可溶性有機(jī)碳進(jìn)入河流系統(tǒng)等形式參與碳循環(huán))。然而,以往在估算全球光合作用GPP和呼吸作用CO2排放時(shí)通常是獨(dú)立進(jìn)行的,其中全球陸地植被GPP通?;谶b感方式進(jìn)行估算(自上而下的方法),而全球呼吸作用估算通常通過(guò)集成全球不同站點(diǎn)的土壤呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和升尺度實(shí)現(xiàn)(自下而上的方法),本研究率先嘗試了在全球尺度上基于土壤呼吸數(shù)據(jù)反推GPP以及基于GPP數(shù)據(jù)反推土壤呼吸。

基于文獻(xiàn)搜索得到的全球土壤呼吸估算量、GPP、根系呼吸與土壤呼吸的比值、根系呼吸與總自養(yǎng)呼吸比值以及總自養(yǎng)呼吸與GPP的比值等數(shù)據(jù),采用重采樣方法反推得到全球GPP為〖149〗_(-23)^(+29)PgCyr-1,顯著高于基于遙感方法估算得到的結(jié)果(〖113〗_(-18)^(+18)PgCyr-1);同時(shí),基于文獻(xiàn)搜索結(jié)果并進(jìn)行重采樣得到的全球土壤呼吸量為〖87〗_(-8)^(+9)PgCyr-1,顯著高于基于遙感方式反推得到的全球土壤呼吸量(〖68〗_(-8)^(+10)PgCyr-1)(圖1)。兩種方法得到的全球GPP之間一致的可能性小于3%(圖1a中兩個(gè)分布重合的面積小于3%),而兩種方法得到的全球土壤呼吸之間一致的可能性小于2%(圖1c中兩個(gè)分布重合的面積小于2%),說(shuō)明目前對(duì)全球GPP和土壤呼吸量的估算至少有一個(gè)與實(shí)際量存在較大的偏差。

基于月時(shí)間尺度的全球土壤呼吸數(shù)據(jù),以月降雨量、月平均溫度、氮沉降、土壤理化性狀、地表生物量以及葉面積指數(shù)等環(huán)境指標(biāo)為預(yù)測(cè)變量,采用隨機(jī)森林建模估算得到全球土壤呼吸為93PgCyr-1,與基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)得到的結(jié)果(〖87〗_(-8)^(+9)PgCyr-1)更為接近(圖2)。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn)基于同位素方法以及日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF)技術(shù)得到的全球GPP估算量和基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)反推得到的結(jié)果更為接近,說(shuō)明目前對(duì)全球GPP的估算可能偏低,然而這一結(jié)論有待今后更多的證據(jù)給予證明。

本研究探索了基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)反推全球GPP,以及基于全球GPP結(jié)果反推全球土壤呼吸量,發(fā)現(xiàn)不同的方法在估算全球GPP或者土壤呼吸時(shí)存在很大差異,強(qiáng)調(diào)了交叉比較不同來(lái)源的數(shù)據(jù)對(duì)了解陸地碳循環(huán)的重要性。

圖1.(a)基于遙感影像(紅色)和基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)(淡藍(lán)色)估算得到的全球陸地植被初級(jí)生產(chǎn)力(GPP);(b)全球初級(jí)生產(chǎn)力和土壤呼吸之間的關(guān)系散點(diǎn)圖;(c)基于遙感影像(紅色)和基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)(淡藍(lán)色)估算得到的全球土壤呼吸量(RS)。

圖2.基于月時(shí)間尺度的全球土壤呼吸數(shù)據(jù),采用隨機(jī)森林建模估算得到的全球土壤呼吸。(a)隨機(jī)森林模型中使用的土壤呼吸站點(diǎn)空間分布;(b)隨機(jī)森林模型預(yù)測(cè)得到的土壤呼吸全球空間分布。

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