基于土壤呼吸和遙感數(shù)據(jù)估算的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量存在巨大差距
陸地植被生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用固定二氧化碳（即總初級(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。
“人類(lèi)活動(dòng)與生存環(huán)境安全”任務(wù)“土地利用變化及其環(huán)境效應(yīng)”專(zhuān)題西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所簡(jiǎn)金世教授團(tuán)隊(duì)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)（圖1），采用重采樣方法反推得到全球GPP為149±2329PgC yr-1，顯著高于基于遙感方法估算得到的結(jié)果（113±1818PgC yr-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±89PgC yr-1，顯著高于基于遙感方式反推得到的全球土壤呼吸量（68±810Pg C yr-1）（圖2）。兩種方法得到的全球GPP之間一致的可能性小于3%（圖2a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2b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)際量具有較大的偏差。
圖1.數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布圖
圖2.（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）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）。內(nèi)插的圖為從文獻(xiàn)中搜集得到的全球GPP和RS估算量及其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。
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93PgC yr-1（圖3）,與基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)得到的結(jié)果（ 87±89PgC yr-1）更為接近。進(jìn)一步對(duì)來(lái)自文獻(xiàn)的GPP估算量按照不同估算方法進(jìn)行分組，并且按照分組后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到的結(jié)果與基于土壤呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果更為接近（圖4b）。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（圖4a）。結(jié)果說(shuō)明以往基于遙感方法估算得到的全球GPP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。
該研究用到的站點(diǎn)數(shù)據(jù)在空間上的分布具有明顯的不均勻性，大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自于北半球中緯度的北美、歐洲和中國(guó)東部，而來(lái)自其它地區(qū)的數(shù)據(jù)較少（圖1和圖3）。該研究特別強(qiáng)調(diào)了來(lái)自于青藏高原和沿北極地區(qū)等寒冷區(qū)域的數(shù)據(jù)較少，以后的研究應(yīng)增加在青藏高原的野外實(shí)驗(yàn)工作并獲得實(shí)測(cè)土壤呼吸、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)，對(duì)于降低全球碳循環(huán)估算的不確定性具有重要作用。同時(shí)，研究也強(qiáng)調(diào)今后的研究應(yīng)當(dāng)注重如何克服青藏高原地區(qū)由于冬季氣候寒冷而無(wú)法開(kāi)展全年土壤呼吸測(cè)量的問(wèn)題，指出依據(jù)站點(diǎn)達(dá)到年平均溫度時(shí)的瞬時(shí)土壤呼吸速率來(lái)估算年土壤呼吸通量是一個(gè)容易開(kāi)展，又省時(shí)省力的方法，應(yīng)當(dāng)在以后的研究中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，該方法的可行性和準(zhǔn)確性加以驗(yàn)證。
圖3.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。
圖4.文獻(xiàn)中搜集得到的全球初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）以及不同估算方法對(duì)全球GPP估算的影響
研究成果以“Historically inconsistent productivity and respiration fluxes in the global terrestrial carbon cycle”為題發(fā)表于國(guó)際著名綜合性期刊《Nature Communications》。西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所簡(jiǎn)金世教授為論文第一作者和通訊作者。該研究得到了第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究（2019QZKK0603）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。