随着大气二氧化碳浓度的升高，陆地生态系统固存额外碳汇的能力取决于土壤养分的可利用性。前期的研究证据表明，在土壤低磷环境下，大气二氧化碳浓度的升高可以提升成熟森林的光合速率，但是没有产生额外生物量固碳。热带和亚热带森林的生产力普遍受到土壤磷元素可用性的限制，但是生态系统磷循环如何限制森林生产力，进而限制其在大气二氧化碳浓度升高背景下的碳汇潜力，仍存在一定研究不足，而该不确定性是地球系统模式预测未来陆地-大气碳循环反馈的关键瓶颈之一。
2024年6月5日，由浙江大学生命科学学院蒋明凯研究员主导的一项国际合作发表在国际顶级期刊《自然》，题目为“Microbial competition for phosphorus limits CO2 response of a mature forest”。论文的第一作者为浙江大学生命科学学院蒋明凯研究员，通讯作者为澳大利亚西悉尼大学Kristine Crous博士。研究团队包括了中国、澳大利亚、瑞士、挪威、西班牙、荷兰、美国、英国、德国等国的科研人员。
该研究基于国际大科学装置——位于澳大利亚的成熟森林露天二氧化碳倍增实验平台，对位于西悉尼坎贝兰平原的一片超过100年树龄的成熟桉树森林进行实验，来探究生态系统磷循环如何响应大气二氧化碳浓度的升高。
研究团队开展了一项精细的“审计”工作。他们全面测量了冠层植被、林下植被、凋落物、土壤、土壤微生物等成熟森林生态系统中所有主要磷库的大小，并追踪了磷在这些磷库之间移动的速率，构建起一个全面详实的全生态系统磷循环核算。通过6年的田间试验，研究团队全面构建了第一个森林生态系统磷循环核算，并在此基础上，研究揭示了生态系统磷循环限制森林碳汇响应大气二氧化碳浓度升高的关键机制。磷核算的结果显示，土壤中很大一部分的磷都被微生物占据，并且它们对磷元素的竞争非常激烈，而森林中的冠层树木在漫长的生态系统演替中拥有了极高的磷利用效率。在二氧化碳浓度升高的情况下，植物会通过根系释放更多的碳到土壤中，但微生物并没有释放更多的磷元素以支持植物的生长。植物所期待的“用碳换磷”投资遭遇失败，他们没有获得额外的生长量。
图：正常（a）和二氧化碳（b）升高环境下生态系统磷预算
因此，土壤微生物对土壤磷的矿化和固持限制了冠层树木在大气二氧化碳浓度升高下的磷吸收速率，从而限制了森林的额外固碳能力。植物需要更加积极的磷获取策略，如根系分泌物所产生的潜在激发效应，来提升土壤磷元素的植物可利用率，进而更好实现‘固碳’目标。
研究对改进陆地系统模式中的碳磷交互关系的预测机制提供了理论支撑，对气候变化缓解政策提供了数据支撑。
本研究受到了“十四五”国家重点研发计划（2022YFF0801904）、浙江省自然基金重点项目（LZ23C030001）、国家基金委青年项目（32301383）等经费支持。
团队介绍：
蒋明凯，浙江大学生命科学学院生态研究所百人计划研究员，博士生导师。研究领域为全球变化生态学，主要围绕陆地生态系统碳循环、模型开发与应用、生态系统服务等方向开展研究工作。在Nature（2024，2020）、New Phytologist（2021，2019）、Global Change Biology等国际高水平期刊发表研究论文；主持基金委“海外优青”、青年项目，科技部重点研发计划子课题，浙江省“杰青”项目、重点项目，澳大利亚研究理事会“探索青年科学家”等基金项目；获得国家留学基金管理委员会颁发的“国家优秀自费留学生奖金”、澳大利亚农业部颁发的“优秀青年科学家科学与创新奖”等荣誉；Ecological Applications编委，Carbon Research和Ecosystem Health and Sustainability青年编委。
团队计划招聘博士后研究员1人，开展基于科技部重点研发计划项目的冻土生态系统碳氮磷循环过程研究工作。欢迎有较强数据分析能力的科研人员加入课题组。详情请咨询[email protected]
原文链接 ↓
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07491-0
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