气候变化背景下土壤有机碳的“源”、“汇”状态取决于植物碳的输入和碳库分解输出之间的动态平衡。然而，气候变化是一个缓慢的过程，对植被、土壤、微生物及其之间相互作用的影响具有长期性和非线性的特点。从观测的角度，需要在几十年甚至百年尺度进行连续监测，才能完全刻画土壤有机碳对气候变化的响应。但是，目前室内增温培养、野外地表土壤增温以及近年来兴起的土壤剖面增温等主流研究手段都是短期和骤然增温，忽略了植被、微生物和土壤对缓慢变暖的调节和适应过程，因此并不能完全捕捉土壤剖面有机碳对变暖的响应。
该研究中作者基于全球11万多个0~2 m土壤剖面（图1），创造性地应用空间代替时间和Meta分析相融合的方法（图2），量化了全球0~2 m土壤剖面有机碳对变暖的响应，并结合机器学习模型绘制了全球2 °C变暖情景下土壤有机碳变化的空间格局。
图 1全球土壤剖面分布
图2空间代替时间融合Meta分析示意图
研究结果表明土壤有机碳对变暖的响应强烈地依赖于有机碳所处的土壤深度，在较深的土层，有机碳损失较少。具体而言，1 °C变暖将会分别导致0~0.3 m、0.3~1 m和1~2 m土壤有机碳6.0±1.6%(均值±95%置信区间)，4.8±2.3%和1.3±4.0%的损失。随着增温幅度的增加，0~0.3 m、0.3~1 m和1~2 m的土壤有机碳损失分别以4.2% °C-1，2.2% °C-1和1.4% °C-1的速率增加（图3）。响应的大小主要由土壤有机碳库自身的大小决定，其次为年均温、年均降水等气候因素。生态系统之间土壤有机碳变化存在显著差异，其中北方森林土壤有机碳损失最为严重，而在深层土壤中冻原、温带森林、热带草地、高山灌丛以及沙漠生态系有机碳有所增加（图4）。
图 3土壤剖面有机碳对变暖的响应
图4全球土壤剖面有机碳对2°C变暖响应的空间格局
该研究用土壤剖面观测数据量化了土壤有机碳对全球变暖的响应，对促进准确理解全剖面土壤有机碳对气候变化的响应及其机制具有重要的意义，在当前国家“双碳”战略下该研究也对生态系统管理和增汇减排具有重要的科学价值。
研究成果以“Global soil profiles indicate depth-dependent soil carbon losses under a warmer climate”为题，于2022年9月20日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。浙江大学环境与资源学院博士研究生王明明和博士后郭晓伟为共同第一作者，浙江大学环资与资源学院研究员罗忠奎为通讯作者，其他作者包括浙江大学环境与资源学院史舟教授和罗忠奎研究组成员、美国桑迪亚国家实验室Umakant Mishra研究员、中国科学院植物研究所杨元合研究员、北京大学城市与环境学院朱彪研究员和中国科学院大气物理研究所王国成副研究员。该项目得到国家重点研发政府间国际科技创新合作项目（2021YFE0114500），国家自然基金（32171639，41930754）等项目资助。
文章信息
标题：Global soil profiles indicate depth-dependent soil carbon losses under a warmer climate
期刊：Nature Communications
类型：Article
时间：2022-9-20