森林土壤释放的二氧化碳多于雨季的预期

宾夕法尼亚州立大学的研究人员说,当前的碳循环模型可能低估了雨季在温带森林(如在美国东北部发现的森林)中从土壤释放的二氧化碳量。

树木的根和微生物利用氧气将土壤中的有机碳转化为二氧化碳(CO2),通过有氧呼吸这一过程获得能量。从土壤到大气的二氧化碳释放是陆地生态系统中最大的碳通量,使其成为全球碳预算的重要组成部分。有氧呼吸是促成通量的主要过程,但研究人员发现,在潮湿条件下,无氧呼吸(或无氧呼吸)也对通量有很大贡献。

“在目前的模型中,二氧化碳和氧气的量由氧气的消耗和有氧呼吸产生的二氧化碳控制,”生态系统科学与管理系的博士生凯特琳·霍奇斯(Caitlin Hodges)说。 “这通常是消费和生产的一对一关系。但是我们发现,尤其是在夏天,由于根部对氧气的需求更高并且与微生物竞争而引起了明显的厌氧呼吸信号。微生物然后必须转换为使用无氧呼吸。”

解释受土壤二氧化碳和氧气影响的土壤过程的一个基准是计算表观呼吸商(ARQ),它将二氧化碳和氧气浓度合并为一个值。

霍奇斯说:“如果ARQ等于1,则意味着有氧呼吸是控制过程。” “如果两者之间存在显着偏差,那么这说明我们正在控制土壤气体浓度。”

科学家在国家科学基金会资助的萨斯奎哈纳页岩山关键区天文台研究了页岩流域和砂岩流域的土壤呼吸。他们测量了土壤二氧化碳含量和氧气含量,它们位于地下约8英寸和16英寸处,而在土壤结束的基岩层正上方。

宾州州立大学地球科学与环境系统学院杰出教授,地球科学与环境系统研究所所长苏珊·布兰特利(Susan Brantley)说:“凯特琳解释从土壤中取样的气体有点像警察解释了一位醉酒驾驶员的呼气测醉器测试。” “滞留在土壤中的气体的化学性质产生了细菌在做什么的照片。”

研究小组发现,ARQ有时暗示微生物进行了明显的厌氧呼吸。在无氧呼吸过程中,微生物从使用氧气转变成氧化的金属(如铁和锰)进行生长。

“当我们在ARQ中看到大量气体时,这意味着我们的二氧化碳含量超过了氧气含量所能提供的水平,”土壤生物地球化学教授Jason Kaye说。 “这怎么可能发生呢?这是可能发生的,因为产生的二氧化碳没有氧气消耗,而这正是无氧过程。这就是这些大量数字的意思。您看到的二氧化碳比有氧呼吸所期望的多。”

宾州州立大学的研究小组在《美国土壤科学学会杂志》上进行了报道,这是第一个使用ARQ来发现温带森林中厌氧呼吸的季节性模式的证据。

研究人员还计算了每年由于无氧呼吸而离开土壤系统的二氧化碳总量(每平方米平方米36克)。他们说,保守的估计占研究地点土壤微生物完成的所有呼吸的10%,这是一个很大的数字,因为科学家认为这些潮湿的温带森林没有太多的厌氧呼吸。

霍奇斯说:“预计随着气候变化,美国东北部的降雨量将增加。” “我们希望这种无氧呼吸将成为这些森林系统中一个更主要的过程,而我们的土壤碳模型还没有考虑到这一点。”

布兰特利说,需要采用诸如土壤气体采样之类的新颖方法来了解土壤对气候变化的反应。