森林是大气二氧化碳的吸收器、贮存库。那么当未来大气中的二氧化碳浓度升高时，陆地森林生态系统是否会产生额外碳汇？人类能否通过植树造林持续增加碳汇？以往的主流答案是“YES”。但基于6年的田间监测，科学家们用强有力的数据分析反驳了这一主流观点。

在全面构建第一个森林生态系统磷循环核算的基础上，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。并指出，应对未来气候变化，植物需要更加积极的磷获取策略，来提升土壤中磷元素的植物可利用率。

这项研究成果于北京时间6月5日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”。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。论文的第一作者为浙江大学生命科学学院蒋明凯研究员，第一单位为浙江大学。

众所周知，绿色植物可以通过光合作用，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气。森林碳汇作用指的就是，森林植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而减缓温室效应的作用。

随着全球气候变化，森林的碳汇功能愈加重要，但这一功能的发挥受到土壤养分的限制。“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。”蒋明凯说。

为更清晰地了解森林的碳汇功能以及磷元素在其中的作用，科学家们进行了一项长达六年的探索。他们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。

科学家们开展了一项精细的“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。“就像追踪银行账户的资金流动一样，我们追踪了磷在森林中的循环方式，并评估磷有效性对植物生长响应的限制。”蒋明凯介绍。

在陆地森林这个巨大的生态系统中，植物、微生物和土壤共同构成了一个复杂的循环系统。植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为自身的养分，同时也从土壤中吸收磷元素，以维持自身的生长。微生物可以将土壤中的有机物分解成无机物，释放出磷元素，供植物吸收。然而，当土壤中磷元素不足时，微生物就会与植物展开争夺。

磷核算显示，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。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。

科学家们分析了植物对磷的吸收、分配和利用效率，并比较了二氧化碳浓度升高组和对照组之间的差异。结果表明，土壤微生物是限制成熟森林生态系统磷循环和植物磷吸收的关键因素。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。当二氧化碳浓度升高时，植物对磷的利用效率也有所提高，但土壤中磷元素的有效性并没有明显变化。

“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。”蒋明凯说。

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重要数据支撑。“接下来，我们将针对土壤微生物的群落和功能开展研究，探究土壤微生物是如何限制森林碳磷交互关系及其在大气二氧化碳浓度升高背景下的碳汇潜力。”蒋明凯说。

该研究受到了“十四五”国家重点研发计划（2022YFF0801904）、浙江省自然基金重点项目（LZ23C030001）、基金委青年项目（32301383）等经费支持。