陸地生態系統碳循環內部機制及關鍵過程對氣候變化的響應，是當前全球變化研究的核心問題。凋落物分解決定著碳的存儲和周轉，是陸地生態系統物質循環的關鍵環節。雖然凋落物分解被廣泛認為是一個由溫度和水分驅動的微生物酶過程，但以該理論為基礎的生物地球化學模型，一直系統性地低估全球碳周轉速率，暗示著自然界中還存在著其他非生物驅動因素。太陽光，作為生物地球化學循環不可或缺的能量來源，可以通過紫外線（UV）、短波段可見光誘導光化學反應，直接將高分子化合物（如木質素）裂解成可溶性小分子物質，促進有機質分解，即光降解作用；形成的小分子物質，又能促進微生物吸收和利用，間接地加速分解進程。近些年的研究積累，證實光降解是干旱和半干旱地區碳周轉的重要驅動力，很好地解釋了經驗模型在該地區低估部分的碳來源。然而，高生產力的濕潤生態系統，尤其是覆蓋全球陸地面積30%、占據陸地生物圈碳儲量50%的森林生態系統，頻繁受到強風、滑坡、采伐及病蟲害等干擾，其凋落層長期暴露于異質光環境。但到目前為止，光降解在森林生態系統中的重要性，一直被全球碳收支評估所忽略，這嚴重影響了我們預測陸地碳循環對氣候變化響應的能力。
為解決這個問題，中國科學院沈陽應用生態研究所與日本國家森林綜合研究所合作，采用析因設計方法，系統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影響。利用自主設計的光譜分解盒（約2400個，占地面積約500 m2），對地面太陽光譜進行衰減過濾處理，從而量化主要光譜分區（包括UV-B、UV-A、藍光、綠光和紅光）對光降解的相對貢獻（圖1）。通過對不同功能組（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。同時測定凋落物的12種典型功能性狀，尋找能夠預測光降解作用的凋落物特性。結果表明，在林窗全光譜的強太陽光下，損失率增加了近120％，而藍光貢獻了損失率的75％（圖2），說明光降解主要由藍光驅動。將這一結果擴展到整個森林生態系統，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增加落葉中13％的碳損失。研究還發現，無論何種光譜下，草本和灌木凋落物的質量損失率均高于樹木凋落物；在林窗處更加顯著。最后，凋落物初始的木質素和多酚含量分別預測了藍光和UV-B輻射的光降解作用。這些結果表明，在森林生態系統中，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。這些發現拓寬了我們對光降解理解的范疇，即光降解不僅推動著干旱生態系統碳動力學，在太陽輻射到達的其他陸地生態系統也無處不在。更重要的是，這為陸地生態系統碳氮循環模型提供了新的參數，從而準確預測生物地球化學循環對未來全球變化的響應。
相關研究成果以“The contribution of photodegradation to litter decomposition in a temperate forest gap and understorey”為題發表在期刊New Phytologist上。中國科學院沈陽應用生態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Matthew Robson教授也對本研究做出了重要貢獻，同為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院青年人才計劃、國家自然科學基金，日本學術振興會基金、日本環境修復與保護機構的環境研究與技術開發基金等項目的資助。
圖1. 野外實驗光降解實驗
圖2. 森林冠層開放度和植物功能組改變了太陽輻射對凋落物分解速率的重要性
