GCB：木材性状调控干旱对木材碳通量的影响

来源：拇指科研

导读

木材分解产生的二氧化碳（CO2）通量是从森林生态系统到大气中的重要碳源之一，它取决于木材的性状和影响分解者代谢速率的气候。先前的研究已经量化了水分和温度对木材分解的影响，但这些影响并未与木材性状的潜在影响区分开。目前，人们还不太了解性状和气候如何相互作用来影响木材的二氧化碳通量。

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枯死木含有10％–20％世界森林生物量中所存储的碳，它的分解将释放7％–14％总同化二氧化碳到回大气中。鉴于更频繁和强烈的未来气候变化极端事件和气候变化导致的一系列干扰，预计枯死木数量将持续增加，他们将改变碳平衡。由于我们对气候变化对木材分解的影响知之甚少，这将限制我们对全球碳收支的预测和估算。尽管过去几十年中，气候被认为是影响木材分解的主要因素，但近年来这种观点受到了一些挑战，有学者认为分解速率受木材性状的影响，即初始底物的质量。木材的初始氮、磷含量和碳质量（例如，木质素碳和纤维素碳的相对数量）已显示出对木材腐烂率的显著的影响。但以往的研究往往单独评价气候或木材性状对枯死木分解的影响，缺乏对其交互作用的评价和分析。

干旱是一种日益重要的气候驱动的干扰事件，它通过减少水分供应来改变碳循环的组分。由于腐生真菌是重要的腐烂剂，需要足够的水分才能产生细胞外酶，然后分解枯死的木材，水分的减少会降低木材分解速率。同时，干旱对分解速率的影响可能受到养分含量低的限制。但目前，尚不清楚干旱对木材CO2通量的影响如何随木材化学特性的变化而变化。与干旱有关的高温会增加木材微生物的代谢速率，但是这些增加的幅度尚不清楚，并且对木材分解的温度敏感性尚未被了解。代谢生态学理论（MST）假设木材的分解速度最终将取决于微生物生物化学的动力学。凋落物质量是分解温度敏感性的关键控制因素，与高质量凋落物相比，低质量凋落物（即营养成分含量低而难分解化合物含量高的垫料）的分解对温度更敏感。与枯枝落叶相比，枯死木通常包含更低的养分浓度和更高的复杂碳化合物。尽管许多研究都考虑了凋落物分解的温度敏感性，但木材的分解及其对性状的影响仍未得到充分研究。

该研究以6种树种（3种裸子植物：杉木、金钱松、柳杉和3种被子植物：栲树、木荷、米槠）为研究对象，设置沿季节性温度梯度的0%、35%和70%的减雨处理，探究枯死木CO2通量对木材性状的响应。

图1本研究亚热带被子植物和裸子植物木材样品的初始木材密度（a），碳密度（b），氮密度（c）和碳：氮比（d）

干旱显著降低了木材CO2通量，但其影响随分类学和干旱强度而变化。在35％的减雨处理中，干旱引起的被子植物木质部CO2通量的减少要比裸子植物大，但在70％的减雨处理中，这两组之间没有显著差异，这是因为被子植物中的木材氮密度和碳质量显著高于裸子植物，从而使木材分解对水分的敏感性更高，木材氮密度与水分之间对CO2通量具有显著的正相互作用证实了这一论述。此外，我们确定了CO2通量的恒定温度敏感性与木材性状无关，这与先前对胞外酶动力学的估计一致。该研究突出了木材性状在调节木材碳通量的干旱响应中的关键作用。鉴于在未来气候变化和森林经营可能广泛地改变生物分类的组成，因此碳循环模型必须考虑到木材性状与气候之间的这种相互作用，从而推动木材分解的动力学。

图2 亚热带森林中被子植物和裸子植物木材样品的树皮、边材和心材的固态13C-CPMAS-NMR光谱（a–c）和初始化学成分（d–f）的相对比例

干旱显著降低了木材CO2通量，但其影响随分类学和干旱强度而变化。在35％的减雨处理中，干旱引起的被子植物木质部CO2通量的减少要比裸子植物大，但在70％的减雨处理中，这两组之间没有显著差异，这是因为被子植物中的木材氮密度和碳质量显著高于裸子植物，从而使木材分解对水分的敏感性更高，木材氮密度与水分之间对CO2通量具有显著的正相互作用证实了这一论述。此外，我们确定了CO2通量的恒定温度敏感性与木材性状无关，这与先前对胞外酶动力学的估计一致。该研究突出了木材性状在调节木材碳通量的干旱响应中的关键作用。鉴于在未来气候变化和森林经营可能广泛地改变生物分类的组成，因此碳循环模型必须考虑到木材性状与气候之间的这种相互作用，从而推动木材分解的动力学。

图3 不同减雨处理被子植物和裸子植物木材的CO2通量和水分含量相关性

圆为对照；方形为35%减雨；三角形为70%减雨

▉  结论

该研究是首次明确测试两个主要驱动因素（气候和木材性状）对木材碳通量的相互作用影响的定量尝试。木材水分与氮密度之间存在显著的交互作用，水分对木材CO2通量的影响随着氮素利用率的提高而增加，这进一步证明了木材性状调节了干旱对木材CO2通量的影响，其中干旱引起的被子植物中木质部CO2通量的减少大于裸子植物。我们还使用MST将木材化学特性与木材CO2通量的温度敏感性联系起来，但没有发现木材温度与底物质量之间存在显著的相互作用。木材性状对温度的敏感性没有变化，与基于MST模型的预测值相近。