Báo cáo " CHU TRÌNH CACBON TRONG ĐẤT RỪNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NỒNG ĐỘ CO2 TĂNG CAO – MỘT NGUỒN BỔ SUNG THÊM? " docx

Ngày nay, nồng độ CO2 tăng lên trong không khí có vẻ như đang làm lượng C đi vào đất tăng thêm thông qua sự tăng lên của sinh khối rừng bên trên hay dưới mặt đất.. Trong bài viết này chú

CHU TRÌNH CACBON TRONG ĐẤT RỪNG DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NỒNG ĐỘ

CO 2 TĂNG CAO – MỘT NGUỒN BỔ SUNG THÊM?

Martin Lukac*, Alessandra Lagomarsino, M Cristina moscatelli, Paolo De Angelis, M

Francesca Cotrufo và Douglas L Godbold NERC Centre for Population Biology, Imperial College London, Silwood Park Campus, SL5

7PY, England

* Tác giả chịu trách nhiệm E-mail: m.lukac@imperial.ac.uk

Tóm tắt

Đất rừng đóng vai trò như một bồn chứa cacbon khổng lồ trong hệ sinh thái lục địa Ngày nay, nồng độ CO2 tăng lên trong không khí có vẻ như đang làm lượng C đi vào đất tăng thêm thông qua sự tăng lên của sinh khối rừng bên trên hay dưới mặt đất Lượng bổ sung này tạo ra

sự tăng thêm lượng C lưu trữ trong bồn chứa Trong bài viết này chúng tôi so sánh những quan sát hiện tại từ bốn thực nghiệm ―làm giàu CO2 trong không khí‖ quy mô lớn (FACE) ở các hệ sinh thái rừng (EuroFACE, Aspen-FACE, Duke FACE và ORNL-FACE) và xem xét khả năng dự báo dài hạn của các mô hình này đối với sự tích lũy C trong đất Tại tất cả các

mô hình, xử lý xông CO2 làm tăng sinh khối của hệ rễ, và sự tăng lên này dẫn đến sự tăng thêm về hàm lượng C bổ sung cho đất Tuy nhiên, ở tất cả mô hình nồng độ khí CO2 trong đất vượt quá so với lượng C bổ sung vào đất qua sinh khối của hệ rễ Tính toán về cân bằng khối cho thấy một lượng lớn CO2 trong đất có thể sinh ra do sự hô hấp của hệ rễ Do sự phức tạp của các quá trình liên quan nên việc dự báo dựa trên so sánh giữa những thực nghiệm này với một chu trình sống của rừng là không đơn giản để có thể khẳng định: liệu sự tăng lên của CO2 trong không khí có dẫn đến sự gia tăng tích lũy C trong đất hay không?

Giới thiệu

Sự gia tăng về nồng độ của CO2 trong khí quyển có thể có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự tích lũy dài hạn của cacbon trong đất rừng Do rừng chứa đến hơn 75% lượng cacbon trong hệ sinh thái lục địa (Schlesinger, 1997) và hầu hết lượng cacbon này nằm dưới mặt đất (Dixon và nnk, 1994), ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong không khí đến các bồn chứa C trong tương lai đang là mối quan ngại toàn cầu Những thí nghiệm sử dụng nhà kính và buồng kín có nắp mở

đã chỉ ra rằng nồng độ CO2 cao giúp tăng sức sản xuất của cây cối (Ceulemans & Mousseau, 1994; Curtis & XianZhong, 1998; Ceulemans và nnk, 1999) Tuy nhiên, vẫn còn quá sớm để khái quát từ các thực nghiệm về một số loài thực vật riêng rẽ cho toàn bộ hệ sinh thái rừng Trong thực tế, hàng loạt các yếu tố sinh lý và môi trường có vai trò điều hòa phản ứng của các

hệ sinh thái đối với nồng độ CO2 tăng cao, và sức chứa của những hệ sinh thái này đối với lượng C sinh sôi thêm, đặc biệt là trong một thời gian dài Do vậy, một loạt các mô hình thực nghiệm ―làm giàu CO2 trong không khí‖ (Free Air Carbon Dioxide Enrichment - FACE) quy

mô lớn trên các loại cây chiếm ưu thế trong các hệ sinh thái đã được triển khai rộng rãi Những thí nghiệm FACE này sử dụng một lượng lớn các loài thực vật khác nhau như cây

dương (Populus alba L., Populus nigra L và Populus x euramericana Dode Gunier) ở mô hình EuroFACE; dương lá rụng (Populus tremuloides Michx.), thích (Acer saccharum

Marsh.) và ‗bulô‘ (Betula papyrifera Marsh.) ở mô hình Aspen FACE; thông (Pinus taeda L.)

ở mô hình Duke FACE; và bạch đàn (Liquidambar styraciflua L.) ở mô hình ORNL FACE

Phản ứng thường gặp khi nồng độ CO2 tăng cao là sự dịch chuyển cân bằng C theo hướng tăng thêm lượng C bị đồng hóa dưới mặt đất (Rogers và nnk, 1994) Hiện tượng này dẫn đến lượng C bổ sung vào đất tăng lên thông qua sự dịch chuyển C giữa lá và rễ (Finzi và nnk, 2001), năng suất và lượng cơ chất của rễ cũng tăng lên (Zak và nnk, 2000) nhờ sự sinh sôi nảy

nở của các sinh vật cộng sinh (Staddon và Fitter, 1998) hay nhờ sự bà tiết của hệ rễ (Fitter và nnk, 1997; Thomas và nnk, 1999) Tất cả các quá trình này có thể quan sát được trong các thí nghiệm FACE, ngoại trừ sự tăng lên của lượng cơ chất từ bài tiết rễ do rất khó có thể xác định được ở điều kiện đồng ruộng Xác định hàm lượng tương đối C của từng quá trình này đóng góp vào các bồn chứa C là rất khó khăn và đòi hỏi những kỹ thuật và phương pháp ngặt nghèo Tuy nhiên, có vẻ như sự luân chuyển của các mô dễ phân hủy là nguồn đóng góp lớn nhất cho các bồn chứa C (Vogt và nnk, 1986; Kubiske và nnk, 1998) Trong vùng rừng vân sam, lượng sinh khối đưa vào đất thông qua khối lượng rễ chết chiếm 32% tổng lượng sinh khối (trên và dưới mặt đất) (Godbold và nnk, 2003), và khoảng 1/3 tổng sản lượng nguyên sinh của hệ sinh thái rừng (Net Primary Production, NPP) được quy cho là từ rễ cây (Jackson

và nnk, 1997) Tuy nhiên lượng C này đi vào đất như thế nào vẫn chưa được biết đến một cách rõ ràng (Canadell và nnk, 1996) Trong khu đất bạch đàn được trồng trên các ruộng mía trước đây, Binkley và nnk (2004) đã chỉ ra rằng C mới từ C3 của bạch đàn đi vào đất được cân bằng bởi lượng mất đi của chất hữu cơ đất C4 có nguồn gốc từ mía Tương tự như vậy, Schlesinger và Lichter (2001) cho rằng sự tích lũy của C tăng lên trong lớp thảm mục dưới sự tăng lên của CO2 đã không chuyển hóa thành hàm lượng C của đất Những nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng những phản ứng khác nhau của các bồn chứa C và các dòng khí dưới sự tăng cao CO2 có lẽ phụ thuộc vào các đặc tính và trạng thái dinh dưỡng của đất (Zak và nnk, 2000) Six và nnk (2002) đã đưa ra quan điểm rằng, chất hữu cơ trong đất được bảo vệ khỏi

sự suy thoái bằng cả hai cơ chế: vật lý thông qua quá trình đoàn lạp hóa và liên kết giữa các hạt sét, và hóa học Cơ chế bảo vệ hóa học nhờ các liên kết phân tử mạnh là một đặc tính cố hữu của các vật liệu có nguồn gốc từ thực vật hoặc các vật liệu hình thành do sự chuyển hóa hóa học trong suốt quá trình phân hủy Những ảnh hưởng tiềm tàng của sự tăng cao CO2 đến

cơ chế bảo vệ hóa học của đất vẫn chưa được biết đến một cách rõ ràng

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào những quan sát về sự tích lũy gia tăng sản phẩm rễ và dòng CO2 trong đất từ các tính toán đo đạc trong ba năm ở khu vực vườn ươm cây dương xử lý với FACE (EuroFACE) Kết quả của mô hình EuroFACE được so sánh với kết quả khác nhận được từ thực nghiệm Aspen FACE (có điều kiện tương tự với một hệ sinh thái rừng ở thời kỳ đầu) và với các quan sát từ hai thực nghiệm trên các hệ sinh thái rừng khác (Duke FACE và ORNL FACE) Đánh giá về tính khả thi và tính thực tiễn của các dự báo dài hạn về sự tích lũy C trong đất rừng nhiệt đới đã được tiến hành dựa trên các nguồn dữ liệu hiện có

Phương pháp nghiên cứu

EuroFACE

Mô hình thực nghiệm EuroFACE được thiết lập năm 1999 ở vùng trung tâm của Italy (42o22‘

N, 11o48‘ E) trên khu vực canh tác trước đây Đất ở đây thuộc nhóm Pachic Xerumbrepts (Hoosbeek và nnk, 2004) Populus x euramericana được trồng vào mùa xuân năm 1999 trên

một diện tích 9 ha đất canh tác với khoảng cách hàng 2 x 1m Trong diện tích vườn ươm này, sáu ô thí nghiệm được thiết lập, trong đó: ba ô thí nghiệm tiến hành dưới điều kiện tự nhiên, các ô thí nghiệm còn lại dưới điều kiện nồng độ CO2 tăng cao (550 ppm) được thiết lập nhờ

kỹ thuật FACE Đặc điểm của vị trí thí nghiệm và các đặc tính đất được chi tiết hóa trong bảng 1, trong đó mô tả về thiết lập và vận hành FACE theo độ sâu của hệ thống được cung cấp bởi Miglietta và nnk (2001) Mỗi ô thí nghiệm có đường kính 22 m chứa xấp xỉ 350 cây với khoảng cách đều là 1 x 1 m Mỗi ô thí nghiệm này lại được chia nhỏ thành 6 phần, cứ 2

phần thì trồng một loài cây độc lập P alba , P nigra hoặc P x euramericana Các đặc tính về

di truyền của các loài này được cung cấp bởi Calfapietra và nnk (2001) Những cây này được tưới trong suốt giai đoạn sinh trưởng để tránh điều kiện khô hạn kéo dài Phân bón không được sử dụng trong suốt thời gian từ 1999 đến 2001 do đất có đủ khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây cối sinh trưởng Các phương pháp tính toán sinh khối rễ, hô hấp đất, và sinh khối vi sinh vật được trình bày trong bảng 2

Bảng 1: Mô tả vị trí và một số đặc tính đất trong các mô hình thực nghiệm FACE

trồng

Năm FACE bắt đầu

Loại đất Thành phần cơ giới Tổng C (g kg-1)

Tổng N (g kg-1)

Aspen

FACE

Populus tremuloides

P tremuloides

và Betula

papyrifera

1997 1997 Haplorthod Alfic Thịt pha cát 16,1 1,2

Duke

FACE Pinus taeda 1983 1996 Hapludalf Ultic Thịt pha sét 13,2 0,8 ORNL

FACE

Liquidambar

Aquic Hapludult

Thịt pha sét

và pha limon

7,4 1,1

EuroFACE

Populus alba Populus nigra Populus x euramericana

1999 1999 Xerumbrept Pachic Thịt và thịt

pha limon 11,9 1,1

Bảng 2: Các phương pháp áp dụng để đo đạc sinh khối rễ, dòng CO2 trong đất,

sinh khối và hô hấp vi sinh vật

Mô hình Sinh khối rễ mịn

(rễ < 2mm)

Dòng CO2 trong đất Sinh khối và hô hấp vi

sinh vật

Aspen FACE

Lấy lõi 1 lần vào tháng 8/1999, corer loại 5,5

cm, lấy mẫu ở độ sâu 10

cm

Đo 2 tuần một lần với PP Systems EGM-2 closed-mode IRGA, cuvet đặt trong đai cố định PVC, hiệu chỉnh hàng ngày, 10 lần đo đạc

Lấy mẫu 1 lần vào tháng 9/2000, đo đạc

hô hấp được bắt đầu từ 1h sau khi bổ sung

Duke FACE Lấy mẫu hai lần vào

tháng 11/1997 và

Đo hàng tháng với PP Systems EGM-2

closed

11/1999 với corer loại 5

cm và lấy mẫu ở độ sâu

20 cm

mode IRGA, cuvet đặt trong các đai PVC cố định, 12 lần đo

ORNL

FACE

Lấy mẫu tháng 7/2002

và 10/2003 với corer 10

cm và lấy mẫu ở độ sâu

15 cm

Đo 2 tuần một lần với Li-Cor 6200 closedmode IRGA, cuvet đặt trực tiếp trên đất, 6 lần đo

Các mẫu được thu thập vào tháng 5, 7 và 9 năm

1999 và 2000, hoạt động của vi sinh vật được xác định theo trắc quang với các đĩa BIOLOG GN và ECO

EuroFACE

Lấy mẫu liên tiếp 3 lần (năm 1999) 5 lần (năm

2000 và 2001) mỗi mùa, corer loại 8 cm, lấy mẫu

ở độ sâu 40 cm

Đo 2 tuần một lần với PP Systems EGM-2 closed-mode IRGA, cuvet đặt trong các đai PVC cố đinh, 5 lần đo

Lấy mẫu 5 lần (10/2000 – 10/2001), phương pháp xông – chiết rút chloroform

Aspen FACE

Mô hình thực nghiệm Aspen FACE được tiến hành tại trạm nghiên cứu trung tâm phía Bắc USDA Forest Service, gần Rhinelander, Wisconsin (45°40′N, 89°37′E) Diện tích 32 ha được

bố trí thành các khối với ba lần lặp lại cho bốn công thức thí nghiệm: đối chứng, nồng độ tăng cao CO2, nồng độ tăng cao O3, và nồng độ tăng cao CO2 có bổ sung O3 (Karnosky và nnk, 1999; Dickson và nnk, 2000) Xử lý O3 trong các thí nghiệm không liên quan đến mục đích của nghiên cứu này do đó không được đề cập chi tiết Các thí nghiệm bắt đầu được tiến hành

từ năm 1997 khi ba kiểu quần thể loài được trồng trong các ô thí nghiệm: năm loài dương biệt lập, các cặp dương và thích riêng rẽ, và các cặp hỗn hợp giữa dương và bulô

Đất khu vực nghiên cứu là nhóm Alfic Haplorthods có thành phần cơ giới là thịt nhẹ (King và

nnk, 2001) Thiết kế và triển khai hệ thống thực nghiệm này được công bố bởi Dickson và nnk (2000)

Duke FACE

Thực nghiệm Duck FACE được tiến hành gần khu vực Chapel Hill, Bắc Califonia (35o58‘N;

79o05‘W) Hệ sinh thái rừng này bắt đầu được hình thành từ năm 1983 với các loại P taeda

và L styraciflua và Liriodendron tulipifera là loài chiếm ưu thế thứ hai tại đây (DeLucia và nnk, 1999) Đất ở đây là đất Alfisols giàu sét có hàm lượng các chất dinh dưỡng nitơ và

photpho dễ tiêu thấp (Schlesinger và Lichter, 2001) Ba ô thí nghiệm FACE hình tròn được bố trí dọc theo các ô đối chứng và bắt đầu triển khai năm 1996 Các ô thí nghiệm có đường kính

32 m với nồng độ CO2 trong các công thức thí nghiệm này được duy trì ở người 200 ppm (Hendrey và nnk, 1999)

ORNL FACE

Địa điểm thí nghiệm là một vườn ươm bạch đàn ở gần Oak Ridge, Tennessee (35°54′N; 84°20′W) được triển khai năm 1988 trên một nền ngập lũ trước đây Đất ở đây là đất bồi tụ thủy thành với hàm lượng chất hữu cơ ~1% và thành phần cơ giới là thịt pha sét và pha limon

(Miegroet và nnk, 1994) Thí nghiệm bao gồm 5 ô có đường kính 25 m, ba trong số những ô

đó là thí nghiệm đối chứng, hai ô còn lại được tăng cường CO2 để đạt được nồng độ 565 ppm Chi tiết về thiết kế, vận hành mô hình được mô tả bởi Hendrey và nnk (1999), Norby và nnk (2001)

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Từ bốn thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ CO2 tăng cao đến hệ sinh thái rừng, những thông tin có giá trị có thể nhận được dựa trên việc so sánh những quan sát và đo đạc về

sự phân bố và tuần hoàn của C dưới mặt đất Nhìn chung, sinh khối rễ mịn gồm toàn bộ lượng

rễ sống có kích thước < 2 mm trong tất cả các thí nghiệm đều tăng lên dưới điều kiện nồng độ

CO2 tăng cao (Bảng 3) Lukac và nnk (2003) đã chứng minh được tổng sinh khối tăng lên từ

54 – 82% dưới điều kiện nồng độ CO2 tăng cao trong thí nghiệm EuroFACE Do tuổi thọ của những rễ thô, sinh khối rễ thô này không đóng vai trò chính trong việc bổ sung C trong suốt giai đoạn tiến hành thực nghiệm Tuy nhiên, lượng rễ này có thể góp phần vào hô hấp đất Mặt khác sinh khối và khối lượng của rễ mịn chết lại liên quan mật thiết đến sự trao đổi các thành phần như nước, khí với đất Hệ thống rễ mịn có thể coi như là một bồn chứa sinh khối với nguồn cung cấp bổ sung khá nhanh chóng cho vòng tuần hoàn C thông qua hô hấp, sự bài tiết rễ và các xác hữu cơ chết Nồng độ CO2 cao làm tăng sinh khối rễ sống ở các mức độ khác nhau trong cả bốn hệ sinh thái nghiên cứu (bảng 3) Lượng sinh khối rễ mịn tăng nhiều nhất đối với các hệ sinh thái đang trong giai đoạn sinh trưởng (Aspen FACE và EuroFace) Hai hệ sinh thái này có các loài cây tiếp xúc với CO2 nồng độ cao ở giai đoạn trạng thái rừng

đã ổn định Hai hệ sinh thái FACE còn lại (ORNL và Duke) có các cây già và nồng độ CO2 được điều chỉnh tăng lên từng bước kể từ khi cây được trồng Sự tăng lên của sinh khối rễ mịn dưới các điều kiện FACE cũng có thể liên quan đến trạng thái phát triển của từng cây riêng biệt Các loài phát triển sớm, có tốc độ sinh trưởng nhanh, đặc biệt trong giai đoạn phát triển tán, phản ứng mạnh hơn dưới sự tăng lên của CO2 so với các loài phát triển muộn và với tốc

độ sinh trưởng chậm hơn

Bảng 3: Ảnh hưởng của FACE lên sinh khối rễ mịn

CO2 tăng lên, % Aspen FACE*

Populus tremuloides

P tremuloides and Betula papyrifera

260

173

555

371

+113 +83

ORNL FACE‡ Liquidambar

EuroFACE§

Populus alba Populus nigra Populus x euramericana

103 (14)

111 (32)

140 (34)

160 (44)

202 (55)

256 (34)

+54 +81 +82 Sinh khối rễ khô tính theo g m-2 (±SD)

* King và nnk (2001)

† Allen và nnk (2000) , fi ne root production

‡ George và nnk (2003)

§ Lukac và nnk (2003)

Sự sinh trưởng và chết đi nhanh chóng của rễ mịn góp phần đáng kể lượng C bổ sung và các chất dinh dưỡng hoàn trả lại cho đất (Rasse, 2002) Lượng C bổ sung từ hệ rễ mịn này liên quan chặt chẽ đến sinh khối rễ (Berntson và Bazzaz, 1996) Do vậy, quá trình tăng sinh khối

rễ sẽ dẫn đến việc tăng lượng C bổ sung từ khối lượng rễ mịn chết, thậm chí là khi tỷ lệ luân chuyển C giữ ở mức ổn định Lukas và nnk (2003) quan sát được sự tăng lên đáng kể lượng rễ mịn trong điều kiện CO2 nồng độ cao (27 – 55%) đối với một số loài Populus sinh trưởng trong vườn ươm Trong khi đó Allen và nnk (2000) đã quan sát thấy sự tăng lên không nhiều (25%) về lượng rễ của thông Ở các mô hình Duke FACE trồng thông, sinh khối rễ mịn sống tăng lên ngay sau khi được xông CO2 (Matamala và Schlesinger, 2000), tuy nhiên không quan sát được sự gia tăng đáng kể nào về tuổi thọ rễ (Matamala và nnk , 2003) Mặc dù không ước tính lượng C luân chuyển nhưng King và nnk (2001) đã xác định được lượng tăng lên đến 140% của khối lượng rễ mịn chết bên cạnh sự tăng lên về sinh khối rễ mịn sống trong Aspen FACE, biểu thị cho một lượng C lớn hơn được quay vòng, luân chuyển thông qua các rễ mịn Thêm một lần nữa, tất cả các mô hình đều cho thấy sự tăng lên hàm lượng C bổ sung vào đất

từ khối lượng rễ mịn chết Điều này có thể đơn giản là từ lượng tăng lên của sinh khối rễ mịn

mà do sự chết đi của các mô rễ hoặc do sự luân chuyển nhanh hơn của sinh khối rễ mịn Ngoài lượng C bổ sung từ khối lượng rễ chết, một lượng C bổ sung đáng kể khác được cho là

có nguồn gốc từ sự bài tiết các axit hữu cơ khối lượng phân tử thấp hay chất nhầy rễ Một trong số ít những nghiên cứu về quá trình này đã cho thấy tỷ lệ phân hủy thân rễ tăng lên dưới nồng độ tăng lên của CO2 trong không khí ở ô trồng Betula pendula (Ineson và nnk, 1996) Trong Pinus ponderosa nấm rễ với Pisolithus tinctorius (DeLucia và nnk, 1997) cho thấy có

sự gia tăng về nồng độ oxalat trong đất dưới điều kiện tăng cao nồng độ CO2 Tuy nhiên, vẫn chưa thể kết luận được nồng độ tăng cao của CO2 tác động thế nào đến sự bài tiết của rễ Một

số nghiên cứu cho rằng không có ảnh hưởng nào ghi nhận được (Norby và nnk, 1987; Uselman và nnk, 2000), trong khi đó một số nghiên cứu khác chỉ ra sự tăng lên của quá trình bài tiết từ rễ (Rouhier và nnk, 1994; Jones, 1998) Sinsabaugh và nnk (2003) nghiên cứu mật

độ rễ mịn, sinh khối nitơ vi sinh vật, và sự sử dụng các chất của các vi khuẩn đất trong mô hình ORLN FACE nhằm xác định sự tăng lên của lượng C dễ phân hủy bổ sung vào đất, tuy nhiên nhóm nghiên cứu đã không quan sát được sự thay đổi nào do sự tăng cao của CO2 Tuy nhiên, do tính không bền vững và dễ bay hơi của các hợp chất hữu cơ giải phóng từ rễ thông qua bài tiết (Uselman và nnk, 2000), do đó khi bài tiết rễ tăng lên có thể sẽ không dẫn đến sự tích lũy dài hạn của C Trong đất, sự luân chuyển của các chất hữu cơ phân tử thấp là nhanh,

và nồng độ dung dịch đất xác định được phán ánh nồng độ cân bằng giữa các quá trình hình thành và mất đi mà bao gồm sự phân hủy vi sinh và hấp phụ trên bề mặt khoáng (van Hees và nnk, 2002) Để tách biệt sự đóng góp của hàng loạt các quá trình khác nhau đối với dòng CO2 trong đất, Luo và nnk (2001) đã tiến hành phân tích tháo xoắn (deconvolution) ở rừng Duke

và kết luận rằng sự tăng lên của CO2 không ảnh hưởng đến bài tiết rễ, và dạng chuyển hóa C này là quan trọng thứ yếu trong chu trình C đối với loại hệ sinh thái này Ở mô hình thực nghiệm EuroFACE, Lagomarsino và nnk (2006) đã chỉ ra sự tăng lên đáng kể lượng C hòa tan trong nước và C triết rút được (extractable C) trong đất của các mô hình FACE Vì các dạng C trong đất chủ yếu là dễ phân hủy, nên có thể một phần lớn lượng C này được tạo ra từ sự bài tiết của rễ Sự tăng lên của chất hữu cơ dễ phân hủy trong đất là tương đồng với sự tăng cao nồng độ của CO2 trong các mô hình rừng thực nghiệm Duke (DeLucia và nnk, 1997;

Schlesinger và Lichter, 2001) Tuy nhiên, để chi tiết hơn, sự tăng lên của lượng C bổ sung từ

rễ vào đất đã được đề cập nhằm tạo ra sự tương phản đối với cân bằng C trong đất (Hamilton

và nnk, 2002; Gielen và nnk, 2005) mà phụ thuộc vào sự phân bổ và/ hoặc sức chứa của nó (Allen và nnk, 2000)

Sinh khối vi sinh vật đất là một bồn chứa dễ phân hủy khác của C đất được đặc trưng bởi sự luân chuyển rất nhanh chóng Ở mô hình EuroFACE, Gielen và nnk (2005) đã chỉ ra sự tăng đáng kể của tỷ lệ (giữa C vi sinh vật và C tổng số) trong đất các mô hình FACE khi so sánh với đối chứng Điều này cho thấy rằng một phần của lượng C thêm vào (extra) dưới điều kiện CO2 tăng cao được sử dụng để tạo nên sinh khối vi sinh vật Heath và nnk (2005) đã chỉ ra rằng, mặc dù CO2 tăng cao làm tăng lượng C bổ sung vào đất, những cùng lúc đó nó kích thích hô hấp vi sinh vật, do đó tạo ra những cản trở đối với sự tích lũy C từ rễ ở trong đất Thêm vào đó, nồng độ CO2 tăng cao tạo ra sự biến đổi thành phần của cộng đồng vi sinh vật

và gây ra sự mất C của đất (Carney và nnk, 2007)

Khi đánh giá có hay không nồng độ CO2 tăng cao làm tăng sự tích lũy C trong đất, bên cạnh những tính toán đầu vào, quan trọng không kém là tính toán lượng C mất đi khỏi đất Sự hô hấp của đất rừng được cho rằng là con đường chính đối với sự thất thoát C ở hệ sinh thái rừng nhiệt đới, và do đó đóng vai trò chính trong việc quyết định tiềm năng tích lũy (Valentini và nnk, 2000) CO2 thoát ra từ đất là sản phẩm của cả hai quá trình hô hấp tự dưỡng (rễ cây) và

dị dưỡng (sinh khối đất, nấm, sinh khối vi sinh vật) Khi lượng rễ tăng lên dưới tác động của CO2 tăng cao, quá trình hô hấp tự dưỡng cũng tăng lên (Janssens và nnk, 1998) Vì dòng CO2 trong đất bị kiểm soát bởi gradien khuếch tán, sự tăng lên của nồng độ CO2 trong khoảng hổng của đất làm cho hô hấp tăng và gây nên sự gia tăng của dòng CO2 Con đường khác làm mất C khỏi đất là sự rửa trôi của các C vô cơ hòa tan (DOC) xuống nước ngầm – tuy nhiên quá trình này chỉ có vai trò thứ yếu trong hệ sinh thái nghiên cứu Andrews và Schlesinger (2001) đã công bố rằng, trong rừng Duke dòng di chuyển xuống dưới chỉ biểu diễn 1% của NPP thường niên Ngược lại, dòng CO2 trong đất trong cùng hệ sinh thái tái hiện 56% tổng sản phẩm nguyên sinh (Gross Primary Production) Tương tự, King và nnk (2001) đã tìm thấy trong Aspen FACE sự rửa trôi mất C thông qua dòng DOC không bị tác động bởi FACE và chỉ có khoảng 0,9 g C m-2 trên một mùa sinh trưởng so sánh với dòng C hô hấp trong đối chứng là 760 g C m-2 và trong FACE là 1028 g C m-2 Do đó, khi xem xét tác động của CO2 tăng lên trong không khí đối với sự tích lũy C trong đất, cần thiết phải tính đến phản ứng của

C bổ sung vào đất và dòng CO2 thoát ra Bảng 4 liệt kê những thay đổi về dòng CO2 thoát ra gây ra từ xử lý FACE trong các mô hình thực nghiệm

Bảng 4: Ảnh hưởng của FACE lên dòng CO2 trong đất

Mô hình Giai đoạn

Hưởng ứng đối với CO2 tăng lên,

% Aspen FACE* 1998 –

2001

Populus tremuloides Populus tremuloides and Betula papyrifera

862

762

1053

1035

+22 +38 Duke FACE† 1997 –

ORNL FACE* 1998 –

2001

Liquidambar

EuroFACE* 2000 –

2001

Populus alba Populus nigra Populus x euramericana

730

749

766

986

1093

1079

+35 +46 +41

Số liệu được tính theo g m-2 year-1 (±SD)

* King và nnk (2004)

† Bernhardt và nnk (2006)

Ở tất cả các điểm, các điều kiện FACE làm tăng hô hấp đất Sự tăng lên theo một thứ tự tương đồng ở tất cả các điểm, giao động +12 đến +16% ở những rừng già hơn, từ +22 đến +46% ở rừng trẻ hơn Goerge và nnk (2003) trong các thống kê của họ về các nguồn hô hấp tự dưỡng trong Duke và trong các thực nghiệm ORNL kết luận rằng, duy trì hô hấp chịu trách nhiệm lớn nhất cho phần C bị mất đi từ rễ sống Do đó, nếu các nguyên tố tự dưỡng của hô hấp đất dưới điều kiện CO2 tăng cao sẽ làm tăng tuyến tính lượng C cố định lại trong đất (Vose và nnk, 1995; Pregitzer và nnk, 2000) Phản ứng của hô hấp vi sinh vật đối với C bổ sung lớn hơn có thể đảo ngược cân bằng giữa lượng C mất đi và cố định ở trong đất Căn cứ vào giới hạn C của sự phân hủy thường xuyên quan sát được (Zak và Pregitzer, 1998) và giới hạn của hoạt động vi sinh vật trong đất rừng bởi sự thiếu hụt C và N dễ phân hủy (Allen và Schlesinger, 2004; Vance và Chapin, 2001), lượng C bổ sung tạo ra thêm từ sự phân hủy sinh khối rễ có lẽ có ảnh hưởng lên hệ vi sinh vật đất (Zak và nnk, 1993) Có những khó khăn nhất định khi đánh giá tác động của nồng độ CO2 tăng cao lên các vi khuẩn đất ở các mức độ nồng

độ CO2 tăng dần Tỷ lệ lớn hơn về hô hấp vi sinh vật dưới nồng độ CO2 tăng cao nhìn chung chỉ ra rằng lượng vật liệu ải mục bổ sung được tăng thêm và/hoặc dịch bài tiết rễ đang được chuyển hóa (biến dưỡng) bởi các vi sinh vật đất là lớn hơn, hoạt tính cao hơn, hoặc cả hai (Karnosky và nnk, 2003) Các vi sinh vật đất đang sử dụng C tích trữ trong các bồn chứa trong đất, đặc biệt là trong đất có hàm lượng chất hữu cơ cao, có lẽ sẽ không phản ứng ngay đối với sự tăng lên của C bổ sung vào (Zak và nnk, 2000) Larson và nnk (2002) không xác định được bất cứ ảnh hưởng nào của nồng độ CO2 tăng lên đối với hô hấp vi sinh vật trong đất

ở mô hình Aspen FACE Tương tự như vậy, không có thay đổi nào trong hoạt động của các vi

sinh vật phát hiện được ở mô hình ORNL FACE vườn ươm Liquidambar trong vòng 3-4 năm

sau khi được xông với CO2 (Sinsabaugh và nnk 2003) Ở mô hình EuroFACE, sự tăng lên của CO2 kích thích hô hấp của vi sinh vật đối với tất cả các loài Populus trung bình tăng 5% (Gielen và nnk, 2005b) Zak và nnk (2000) xác nhận rằng mức độ hô hấp các vi sinh vật bị kích thích dưới tác động của CO2 là biến động rất lớn và dao động từ 4 – 72% phía dưới tán của cây thân gỗ Luận điểm này được dựa trên sự phân tích những quan sát từ 3 mô hình rừng thực nghiệm mà chỉ ra rằng nồng độ CO2 tăng cao không ảnh hưởng gì đến N vi sinh vật, quá trình khoáng hóa hay cố định, và do đó hầu như không tăng hô hấp dị dưỡng gây ra bởi sự tăng lên về mức độ hoạt động của các vi sinh vật (Zak và nnk, 2003; bảng 5)

Bảng 5: Ảnh hưởng của nồng độ CO2 tăng cao đến hô hấp vi sinh vật đất

kỹ thuật xông

Phản ứng với sự tăng cao nồng độ CO2

Aspen - Thích Aspen FACE ‡ +1% NS

SACC = screen aided CO 2 control; OTC = buồng có nắp mở; SC = buồng nhỏ có nắp mở; NS = không đáng kể; Sign = đáng kể

* Niklaus và nnk (2003)

† Williams và nnk (2000)

‡ Karnosky và nnk (2003)

§ Gielen và nnk (2005a)

¶ Zak và nnk (2000)

# Kandeler và nnk (1998)

** Körner và nnk (1997)

Trong một thực nghiệm với cây non Picea abies (L.) H.Karst và Fagus sylvatica (L.) sinh

trưởng trong điều kiện CO2 tăng cao, Sprinnler và nnk (2002) đã phát hiện rằng tỷ lệ hô hấp đất không tăng trong đất axit Ngược lại, nồng độ tăng cao CO2 kích thích cả mật độ rễ mịn và dòng CO2 trong đất đá vôi Điều này cho phép nhận định rằng, những đặc tính cơ bản của đất

có vai trò rất lớn và quyết định đến độ lớn của vòng tuần hoàn C hơn là lượng C bổ sung Butnor và nnk (2003) từ những quan sát ở các ô thí nghiệm Duke FACE đầu tiên đã kết luận rằng, lượng C được quay vòng thông qua đất ở rừng nhiệt đới phụ thuộc rất lớn vào độ phì đất Tương tự như vậy, Goerge và nnk (2003) đã quan sát được những phản ứng khác biệt của dòng CO2 trong đất và sự hô hấp rễ duy trì đối với xử lý FACE trong các thực nghiệm Duke

và ORNL Họ cho rằng những phản ứng khác biệt có thể là do thời gian xông CO2 khác nhau hoặc do sự mất cân bằng của N dễ tiêu tiêu trong đất Zak và nnk (2003) trong những phân tích về vòng tuần hoàn nitơ ở ba mô hình US-base FACE cho rằng sinh khối vi sinh vật và các

tỷ lệ chuyên biệt về hô hấp vi sinh vật không nhạy cảm với sự tăng cao nồng độ CO2 và bất cứ kết quả nào quan sát được trong giai đoạn gần đó đều không thể sử dụng để xác định những tương tác dài hạn giữa CO2 và độ phì đất

Ở mô hình EuroFACE, trong tất cả các loài dương ở năm thứ 3 xông CO2, dòng CO2 trong đất tăng 250 – 300 g C m-2

a-1 (bảng 4) Giá trị này cao hơn xấp xỉ 5 lần so với lượng C bổ sung

từ sự luân chuyển rễ mịn (Lukac và nnk, 2003) Đối với cả hai mô hình Duke và ORNL FACE đều phát hiện mức tăng tương tự 250 - 300 g C m-2 a-1 Andrews và nnk (1999) sử dụng 13C đánh dấu ở Duke FACE đã khẳng định rằng giới hạn trên của hô hấp rễ góp phần vào dòng CO2 thoát ra là ~55% trong điều kiện nồng độ CO2 tăng cao Giá trị này đối với các cây họ thông là cao hơn đáng kể so với những tính toán của Matamala và Schlesinger (2000) cho loại rừng tương tự khi những nhà khoa học này sử dụng một kỹ thuật khác Trên cơ sở những đo đạc, họ đã kết luận rằng hô hấp rễ chịu trách nhiệm cho chỉ 20% của mức tăng dòng

CO2 thoát ra và lượng tăng còn lại có thể do nhiều nguồn khác nhau như: sự luân chuyển rễ mịn tăng lên, lượng vật liệu ải mục bổ sung trên mặt đất tăng lên, bài tiết rễ tăng lên và sự có mặt của nấm rễ tăng lên

Ở mô hình EuroFACE, lượng ải mục bổ sung trên mặt đất tăng trung bình chỉ 20 g C m-2

a-1 trong suốt mùa sinh trưởng năm 2001 (M.F Cotrufo, personal communication), thấp hơn đáng kể so với dòng CO2 trong đất Ví dụ: trong tính toán cân bằng khối cho P.x

euramericana trong năm 2001 dưới các điều kiện FACE so với xung quanh, dòng CO2 trong đất tăng 268 g C m-2

a-1, vật liệu ải mục trên mặt đất tăng 9 g C m-2 a-1, sinh khối rễ mịn tăng

46 g C m-2 a-1 và C bổ sung vào đất từ turnover rễ mịn tăng 75 g C m-2 a-1 Nếu ngầm hiểu rằng hô hấp rễ trên mỗi đơn vị sinh khối rễ là như nhau trong điều kiện FACE và điều kiện xung quanh, và nếu chúng ta lấy giá trị cao nhất của 55% được tính toán bởi Andrews và nnk (1999) – chú ý đến việc nó được đo đạc ở các loại đất khác nhau và với các loài cây khác nhau – như là một phần của hô hấp rễ trong dòng CO2 trong đất, những tính toán tiếp theo có thể được thực hiện Trong các điều kiện CO2 xung quanh, dòng CO2 trong P.x euramericana

là 724 g C m-2 a-1 và sinh khối rễ mịn là 140 g m-2, khi đó dòng CO2 trên mỗi g rễ là 2,84 g C

a-1 Trong điệu kiện CO2 tăng cao, sinh khối rễ mịn tăng lên 116 g m-2

, và nó bổ sung 330 g C

m-2 a-1 vào dòng CO2 trong đất Giá trị này tương ứng với kết quả tương tự thu được đối với

P alba và P nigra Những kết quả này cho thấy một phần lớn của dòng CO2 tăng lên phải bắt nguồn từ hô hấp rễ sống, lượng còn lại có lẽ là từ bài tiết rễ và/hoặc hô hấp của nấm rễ Những kết quả của chúng tôi được khẳng định bởi: 1) những phát hiện của King và nnk (2004), khi họ tìm ra những loài cây chiếm ưu thế là nhân tố kiểm soát chính của dòng CO2 trong đất; 2) những kết quả nghiên cứu của Taneva và nnk (2006) khi họ phát hiện ra 71% dòng khí CO2 trong đất trong các ô thực nghiệm FACE được tạo ra từ một bồn chứa C trẻ hơn

35 ngày

Thêm vào đó, C cũ có sẵn từ trước ở trong đất có thể bị mất đi do ―hiệu ứng mồi‖ (priming effect) Điều này xảy ra khi lượng C thêm vào đất dưới các điều kiện FACE tạo ra sự sụt giảm nhanh hơn của lượng C cũ bằng cách kích thích sự phân hủy vi sinh vật (Hoosbeek và nnk, 2004) Chúng tôi đã quan sát được hiệu ứng mồi ở EuroFACE trong suốt giai đoạn 3 năm kể

từ khi trồng, nhưng sau giai đoạn này có sự tích lũy nhanh hơn của C trong đất dưới điều kiện FACE (Hoosbeek và nnk, 2006) Điều này cho thấy sự có mặt của hiệu ứng mồi có mặt trong suốt quá trình

Kết luận

Mức độ tăng của CO2 trong không khí tạo ra sự tăng lên về hàm lượng C tích lũy dưới mặt đất Trong tất cả các mô hình rừng thực nghiệm FACE, sự tích lũy tăng lên của C dưới mặt đất được phụ thêm bởi dòng CO2 lớn hơn ở trong đất làm cho việc ước tính từ những dữ liệu hiện có về lượng C sinh sôi thêm trong điều kiệu CO2 tăng cao là rất khó Các thực nghiệm FACE hiện tại cần thiết phải được chạy trong thời gian dài hơn để sự sụt giảm lượng C đã tồn tại trong đất ngay từ lúc bắt đầu xông CO2 và sự phân hủy rễ lớn được thể hiện rõ ràng Kết quả từ EuroFACE cho thấy rằng một lượng rất lớn C tích lũy tăng lên dưới mặt đất bị mất đi nhanh chóng thông qua hô hấp tự dưỡng Lượng C bổ sung tăng tạo ra sự tăng lên về tích lũy

C trong đất rừng nhiệt đới, hay không phụ thuộc vào sự kết hợp của nhiều yếu tố như độ phì đất, nhiệt độ và độ ẩm… là những yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ và độ lớn của rễ, hô hấp vi sinh vật, và kết cục của lượng C sinh sôi thêm trong đất