陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)內(nèi)部機(jī)制及關(guān)鍵過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)，是當(dāng)前全球變化研究的核心問題。凋落物分解決定著碳的存儲(chǔ)和周轉(zhuǎn)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然凋落物分解被廣泛認(rèn)為是一個(gè)由溫度和水分驅(qū)動(dòng)的微生物酶過程，但以該理論為基礎(chǔ)的生物地球化學(xué)模型，一直系統(tǒng)性地低估全球碳周轉(zhuǎn)速率，暗示著自然界中還存在著其他非生物驅(qū)動(dòng)因素。太陽光，作為生物地球化學(xué)循環(huán)不可或缺的能量來源，可以通過紫外線（UV）、短波段可見光誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)，直接將高分子化合物（如木質(zhì)素）裂解成可溶性小分子物質(zhì)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解，即光降解作用；形成的小分子物質(zhì)，又能促進(jìn)微生物吸收和利用，間接地加速分解進(jìn)程。近些年的研究積累，證實(shí)光降解是干旱和半干旱地區(qū)碳周轉(zhuǎn)的重要驅(qū)動(dòng)力，很好地解釋了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠摰貐^(qū)低估部分的碳來源。然而，高生產(chǎn)力的濕潤生態(tài)系統(tǒng)，尤其是覆蓋全球陸地面積30%、占據(jù)陸地生物圈碳儲(chǔ)量50%的森林生態(tài)系統(tǒng)，頻繁受到強(qiáng)風(fēng)、滑坡、采伐及病蟲害等干擾，其凋落層長(zhǎng)期暴露于異質(zhì)光環(huán)境。但到目前為止，光降解在森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，一直被全球碳收支評(píng)估所忽略，這嚴(yán)重影響了我們預(yù)測(cè)陸地碳循環(huán)對(duì)氣候變化響應(yīng)的能力。
為解決這個(gè)問題，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所與日本國家森林綜合研究所合作，采用析因設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)性地分析了太陽輻射在溫帶森林林下及相鄰的采伐林窗處葉片凋落物分解的相對(duì)影響。利用自主設(shè)計(jì)的光譜分解盒（約2400個(gè)，占地面積約500 m2），對(duì)地面太陽光譜進(jìn)行衰減過濾處理，從而量化主要光譜分區(qū)（包括UV-B、UV-A、藍(lán)光、綠光和紅光）對(duì)光降解的相對(duì)貢獻(xiàn)（圖1）。通過對(duì)不同功能組（喬木、灌木、草本）的12種常見植物，沿冠層物候梯度采樣，能夠確定光降解在功能組間的差異。同時(shí)測(cè)定凋落物的12種典型功能性狀，尋找能夠預(yù)測(cè)光降解作用的凋落物特性。結(jié)果表明，在林窗全光譜的強(qiáng)太陽光下，損失率增加了近120％，而藍(lán)光貢獻(xiàn)了損失率的75％（圖2），說明光降解主要由藍(lán)光驅(qū)動(dòng)。將這一結(jié)果擴(kuò)展到整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)，在冠層開度為20％的模擬情景下，落葉后1年間的光降解作用會(huì)增加落葉中13％的碳損失。研究還發(fā)現(xiàn)，無論何種光譜下，草本和灌木凋落物的質(zhì)量損失率均高于樹木凋落物；在林窗處更加顯著。最后，凋落物初始的木質(zhì)素和多酚含量分別預(yù)測(cè)了藍(lán)光和UV-B輻射的光降解作用。這些結(jié)果表明，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于森林管理和土地利用變化而造成的采伐、以及自然災(zāi)害形成的林窗，不僅影響凋落物量，更重要的是改變了凋落物在太陽光下的暴露程度，從而極大地加速了碳循環(huán)。這些發(fā)現(xiàn)拓寬了我們對(duì)光降解理解的范疇，即光降解不僅推動(dòng)著干旱生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)力學(xué)，在太陽輻射到達(dá)的其他陸地生態(tài)系統(tǒng)也無處不在。更重要的是，這為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)模型提供了新的參數(shù)，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)未來全球變化的響應(yīng)。
相關(guān)研究成果以“The contribution of photodegradation to litter decomposition in a temperate forest gap and understorey”為題發(fā)表在期刊New Phytologist上。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所王慶偉研究員、日本國家森林綜合研究所Hiroko Kurokawa研究員分別為第一作者和共同通訊作者。此外，芬蘭赫爾辛基大學(xué)Matthew Robson教授也對(duì)本研究做出了重要貢獻(xiàn)，同為共同通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院青年人才計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，日本學(xué)術(shù)振興會(huì)基金、日本環(huán)境修復(fù)與保護(hù)機(jī)構(gòu)的環(huán)境研究與技術(shù)開發(fā)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1. 野外實(shí)驗(yàn)光降解實(shí)驗(yàn)
圖2. 森林冠層開放度和植物功能組改變了太陽輻射對(duì)凋落物分解速率的重要性
