近日，水土保持研究所焦菊英研究員團隊聯(lián)合美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）、斯坦福大學等單位，在國際著名綜合性期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Historically inconsistent productivity and respiration fluxes in the global terrestrial carbon cycle”的研究論文。水保所簡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業(yè)國家重點實驗室為第一單位。該研究得到了第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK0603），中國科學院先導專項項目（XDA20040202）等項目的聯(lián)合資助。
陸地植被生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用固定二氧化碳，稱為總初級生產力或（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)性有機化合物排放、可溶性有機碳進入河流系統(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排放時通常是獨立進行的，其中全球陸地植被GPP通常基于遙感方式進行估算（自上而下的方法），而全球呼吸作用估算通常通過集成全球不同站點的土壤呼吸數(shù)據進行數(shù)學建模和升尺度實現(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)據反推GPP以及基于GPP數(shù)據反推土壤呼吸。
基于文獻搜索得到的全球土壤呼吸估算量、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，反推得到全球GPP為149+29-23 PgCyr-1，顯著高于基于遙感方法估算得到的結果（113+18-18PgCyr-1）；同時，基于土壤呼吸數(shù)據估算得到的全球土壤呼吸量為87+9-8PgCyr-1，顯著高于基于遙感方式反推得到的全球土壤呼吸量（68+10-8PgCyr-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中兩個分布重合的面積小于2%），說明目前對全球GPP和土壤呼吸量的估算至少有一個與實際量存在較大的偏差。
基于月時間尺度的全球土壤呼吸數(shù)據，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)境指標為預測變量，采用隨機森林建模估算得到全球土壤呼吸為93PgCyr-1（圖2）,與基于土壤呼吸數(shù)據庫得到的結果（87+9-8PgCyr-1）更為接近。同時，研究還發(fā)現(xiàn)基于同位素方法以及日光誘導葉綠素熒光（SIF）技術得到的全球GPP估算量和基于土壤呼吸數(shù)據庫反推得到的結果更為接近，說明目前對全球GPP的估算可能偏低，然而這一結論有待今后更多的證據給予證明。
本研究探索了基于土壤呼吸數(shù)據庫反推全球GPP，以及基于全球GPP結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或者土壤呼吸時存在很大差異，強調了交叉比較不同來源的數(shù)據對了解陸地碳循環(huán)的重要性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29391-5
圖1.（a）基于遙感影像（紅色）和基于土壤呼吸數(shù)據庫（淡藍色）估算得到的全球陸地植被初級生產力（GPP）；（b）全球初級生產力和土壤呼吸之間的關系散點圖；（c）基于遙感影像（紅色）和基于土壤呼吸數(shù)據庫（淡藍色）估算得到的全球土壤呼吸量（RS）。
圖2.基于月時間尺度的全球土壤呼吸數(shù)據，采用隨機森林建模估算得到的全球土壤呼吸。(a)隨機森林模型中使用的土壤呼吸站點空間分布；(b)隨機森林模型預測得到的土壤呼吸全球空間分布。
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