凡妮莎·布莱希和弗洛里安·迈耶，苏黎世联邦理工学院

扫描电子显微镜图像显示了土壤中几微米小根(棕色)周围的一群细菌(蓝色)。图像显示了细菌和微生物群落如何通过异养呼吸影响土壤中的CO2释放:土壤包含土壤颗粒，微生物群落粘附在这些颗粒上，并处理来自有机物(om)的溶解氧O2和有机碳DOC。鸣谢:Springer Nature / ETH苏黎世环境工程学院)

当微生物分解土壤中的有机物质时，它们会主动释放二氧化碳进入大气层。这个过程叫做异养呼吸。一个新颖的模型显示，到本世纪末，这些排放可能会激增40%——在极地地区最为显著。

大气中二氧化碳(CO2)浓度的增加是全球变暖的主要催化剂，估计大气中五分之一的CO2来自土壤来源。这部分归因于微生物的活动，包括细菌、真菌和其它利用氧气分解土壤中有机物的微生物，例如死亡的植物材料。在这个过程中，二氧化碳被释放到大气中。科学家称之为异养土壤呼吸。

根据最近发表在科学杂志上的一项研究《自然·通讯》来自苏黎世联邦理工学院、瑞士联邦森林、冰雪和景观研究所、瑞士联邦水产科学和技术研究所以及洛桑大学的一组研究人员得出了一个重要结论。他们的研究表明二氧化碳的排放2到本世纪末，预计进入地球大气层的土壤微生物不仅会增加，而且会在全球范围内加速增加。

通过预测，他们发现到2100年土壤微生物的二氧化碳排放将逐步增加，在最坏的气候情况下，与目前的水平相比，全球可能会增加约40%。因此，预计的微生物二氧化碳的增加排放将进一步加剧全球变暖，强调迫切需要获得更准确的异养呼吸率估计，”该研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院环境工程研究所的博士后Alon Nissan说。

这些发现不仅证实了早期的研究，而且为不同气候带的异养土壤呼吸的机制和大小提供了更精确的见解。与依赖众多参数的其他模型相比，由Alon Nissan开发的新型数学模型通过仅利用两个关键环境因素简化了估算过程:土壤湿度和土壤温度。

该模型代表了一个重大的进步，因为它涵盖了所有生物物理学相关的层面，从微观尺度的土壤结构和土壤水分分布到植物群落，如森林、整个生态系统、气候带，甚至全球尺度。

ETH环境工程研究所教授Peter Molnar强调了这一理论模型的重要性，它补充了大型地球系统模型，他说:“该模型允许根据土壤湿度和土壤温度更直接地估计微生物呼吸速率。此外，它增强了我们对不同气候区域的异养呼吸如何导致全球变暖的理解。”

极地二氧化碳排放量可能增加一倍以上

彼得·莫尔纳尔和阿龙·尼桑领导的研究合作的一个关键发现是，微生物一氧化碳的增加2不同气候区的排放量不同。寒冷中极地地区与热带和温带地区不同，导致气温上升的最主要因素是土壤湿度的下降，而不是气温的显著上升。Alon Nissan强调了寒冷地区的敏感性，他说:“即使是含水量的微小变化也会导致极地地区呼吸率的显著变化。”

根据他们的计算，在最坏的气候情况下，微生物二氧化碳2到2100年，极地地区的排放量预计将每十年增加10%，是世界其他地区的两倍。这种差异可归因于异养呼吸的最佳条件，异养呼吸发生在土壤处于半饱和状态时，即既不太干也不太湿。这些条件在极地土壤解冻时很普遍。

另一方面，其他气候带的土壤，已经相对干燥，并易于进一步干燥，微生物二氧化碳的增加相对较小2排放。然而，不管气候带在哪里，温度的影响都是一致的:随着土壤温度的升高，微生物二氧化碳的排放也会增加2.

每个气候区会增加多少二氧化碳排放量

截至2021年，大多数二氧化碳2土壤微生物的排放主要来自地球的温暖地区。具体来说，67%的排放来自热带，23%来自亚热带，10%来自温带，只有0.1%来自北极或极地。

值得注意的是，研究人员预计微生物一氧化碳的大幅增长2与2021年观察到的水平相比，所有这些地区的排放量。他们的预测显示，到2100年，极地地区将增加119%，热带地区增加38%，亚热带地区增加40%，温带地区增加48%。

土壤会成为大气中的CO2汇还是CO2源？

土壤中的碳平衡，决定了土壤是作为碳源还是碳汇，取决于两个关键过程之间的相互作用:光合作用，即植物吸收二氧化碳2和呼吸，呼吸释放一氧化碳2。因此，研究微生物一氧化碳2排放对于理解土壤是否会储存或释放二氧化碳至关重要2在未来。

“由于气候变化，这些碳通量的大小——通过光合作用流入和通过呼吸作用流出——仍然不确定。然而，这一数量级将影响目前土壤作为碳汇的作用，”Alon Nissan解释道。

在他们正在进行的研究中，研究人员主要关注异养呼吸。然而，他们还没有调查CO2植物通过自养释放的排放物呼吸。对这些因素的进一步探索将提供对内部碳动态的更全面的理解土地生态系统。

更多信息:全球变暖加速了土壤异养呼吸，《自然·通讯》 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38981-w

期刊信息: 《自然·通讯》