大氣中二氧化碳濃度的上升是全球變暖的主要催化劑，據估計，大氣中五分之一的二氧化碳來自土壤。這部分歸因於微生物的活性，包括細菌、真菌和其他利用氧氣分解土壤中有機物的微生物，如死亡的植物材料。在這個過程中，二氧化碳被釋放到大氣中。科學家稱之為異養土壤呼吸。

根據最近發表在科學期刊《自然通訊》上的一項研究，蘇黎世聯邦理工學院、瑞士聯邦森林、雪和景觀研究所、瑞士聯邦水產科學與技術研究所和洛桑大學的一個研究小組得出了一個重要結論。他們的研究表明，到本世紀末，土壤微生物向地球大氣排放的二氧化碳預計不僅會增加，而且會在全球範圍內加速。

通過預測，他們發現，到2100年，土壤微生物的二氧化碳排放量將上升，在最糟糕的情況下，與目前的水平相比，全球範圍內的排放量可能會增加約40%。該研究的主要作者、蘇黎世聯邦理工學院環境工程研究所博士後研究員Alon Nissan表示：「因此，預計微生物二氧化碳排放量的增加將進一步加劇全球變暖，強調迫切需要更準確地估計異養呼吸率。」

土壤濕度和溫度是關鍵因素

這些發現不僅證實了早期的研究，而且為不同氣候區異養土壤呼吸的機制和程度提供了更精確的見解。與其他依賴大量參數的模型不同，Alon Nissan開發的新數學模型只利用了兩個關鍵的環境因素：土壤濕度和土壤溫度，簡化了估計過程。

該模型代表了一項重大進步，因為它涵蓋了所有生物物理相關層面，從土壤結構和土壤水分布的微觀尺度到森林等植物群落、整個生態系統、氣候帶，甚至全球尺度。蘇黎世聯邦理工學院環境工程學院教授Peter Molnar強調了這一理論模型的重要性，該模型補充了大型地球系統模型，他表示：「該模型可以根據土壤濕度和土壤溫度更直接地估計微生物呼吸速率。此外，它增強了我們對不同氣候區域的異養呼吸如何導致全球變暖的理解。」

極地二氧化碳排放量可能增加一倍以上

Peter Molnar和Alon Nissan領導的研究合作的一個關鍵發現是，微生物二氧化碳排放量的增加因氣候區而異。與熱帶和溫帶不同，在寒冷的極地地區，土壤濕度增加的主要原因是土壤濕度的下降，而不是溫度的顯著上升。Alon Nissan強調了寒冷地區的敏感性，他說：「即使是含水量的微小變化，也會導致極地呼吸速率的顯著變化。」

根據他們的計算，在最壞的氣候情景下，到2100年，極地地區的微生物二氧化碳排放量預計每十年增加10%，是世界其他地區預期增長率的兩倍。這種差異可歸因於異養呼吸的最佳條件，這種條件發生在土壤處於半飽和狀態時，即既不太干也不太濕的情況下。這些條件在極地地區土壤融化期間普遍存在。

另一方面，其他氣候帶的土壤已經相對乾燥並且容易進一步乾燥，微生物二氧化碳排放量的增加相對較小。然而，無論在哪個氣候區，溫度的影響都是一致的：隨著土壤溫度升高，微生物二氧化碳的排放量也會增加。

每個氣候帶將增加多少二氧化碳排放量

截至2021年，土壤微生物排放的大部分二氧化碳主要來自地球溫暖地區。具體來說，其中67%來自熱帶，23%來自亞熱帶，10%來自溫帶，僅0.1%來自北極或極地地區。

值得注意的是，研究人員預計，與2021年觀察到的水平相比，所有這些地區的微生物二氧化碳排放量都會大幅增長。他們的預測顯示，到2100年，極地將增長119%，熱帶將增長38%，亞熱帶將增長40%，溫帶將增長48%。

土壤會成為大氣中的碳匯還是碳源？

土壤中的碳平衡決定了土壤是碳源還是碳匯，取決於兩個關鍵過程之間的相互作用：光合作用，植物吸收二氧化碳，呼吸釋放二氧化碳。因此，研究微生物二氧化碳排放對於了解土壤未來是否會儲存或釋放二氧化碳至關重要。

Alon Nissan解釋道：「由於氣候變化，這些碳通量的大小（包括通過光合作用流入的碳通量和通過呼吸作用流出的碳通量）仍然不確定。然而，這種大小將影響土壤目前作為碳匯的作用。」

在他們正在進行的研究中，研究人員主要關注異養呼吸。然而，他們還沒有調查植物通過自養呼吸釋放的二氧化碳排放量。對這些因素的進一步探索將使人們更全面地了解土壤生態系統中的碳動力學。

這項研究於6月10日發表在《自然通訊》雜誌上。

DOI：10.1038/s41467-023-38981-w