生态系统呼吸（ER）是生物圈与大气之间最大的碳通量之一。了解ER的温度响应对于预测气候变化-碳循环反馈关系至关重要。然而，目前我们对 ER 温度响应的了解是有限的，部分原因在于 ER 是自养和异养呼吸复杂过程的总和，受到许多混杂因素的影响。在广泛的温度范围内，叶片呼吸的温度响应一般呈指数分布。然而，越来越多的研究表明，叶片呼吸作用在最适温度下达到峰值，然后在较高温度下急剧下降。此外，呼吸酶的热力学特性、呼吸底物供应短缺以及微生物生长的热适应性都可能导致高温下自养和异养呼吸的下降。因此，这些机制可能导致生态系统呼吸出现最适温而非传统认为的随温度升高一直呈指数上升。
相比呼吸，植物光合作用的最适温及其热适应性已在不同尺度得到证实。越来越多的证据表明，由于对光合底物供应、呼吸产物需求以及与酶和膜有关的其他复杂生理联系的强烈依赖性，地上和地下的呼吸通量都与光合作用密切相关。以底物供应为例，随着温度逐渐升高，不断累积的光合产物为呼吸作用的升高提供了底物；当光合速率由于高温胁迫开始下降时，植物的呼吸速率由于底物不足无法继续上升甚至开始下降，最终使二者达到平衡。从这个角度来看，生态系统呼吸对温度的响应和适应可能会受到光合对温度响应及适应的强烈影响和驱动。
在此，我们分析了全球 FLUXNET 212 个站点的 ER 温度响应曲线。结果表明，其中183个站点的ER温度响应曲线呈抛物线型，ER的最适温在全球不同生物群落中广泛存在。在15 个生物和非生物变量中，生态系统呼吸最适温主要与总初级生产力的最适温度和年最高日温（Tmax）有关。此外，在不同站点和不同植被类型之间，生态系统呼吸最适温随Tmax的增加线性升高，表明其具有热适应性。生态系统呼吸最适温的热适应程度（以单位Tmax的变化引起的生态系统呼吸最适温的变化来衡量）与总初级生产力最适温的适应程度呈显著的正相关关系。以上研究结果表明，考虑生态系统呼吸最适温的存在及其热适应性的碳循环模型有可能更真实地预测气候变化下的陆地碳吸收过程。该研究首次揭示了生态系统呼吸广泛存在的最适温及其热适应性现象，打破了对生态系统呼吸温度响应形式的传统认知。
该成果近期发表于Nature Ecology & Evolution，第一作者为博士毕业生陈卫楠，通讯作者为牛书丽研究员，还有来自康奈尔大学和华东师范大学的合作研究人员。本研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发项目和中国科学院国际合作项目的资助和支持。
论文信息：
Chen, W.N., Wang, S., Wang, J.S., Xia, J.Y., Luo, Y.Q., Yu, G.R., Niu, S.L#. (2023). Evidence for widespread thermal optimality
of ecosystem respiration. Nature Ecology & Evolution.
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41559-023-02121-w
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