随着气候不断变暖，全球范围内干旱、热浪和强降水等极端气候事件频发，强烈影响陆地生态系统过程，尤其对陆地碳循环的影响尤为突出。卫星观测数据显示，极端事件（如干旱）显著降低区域尺度生态系统生产力，在年际甚至数十年尺度上影响生态系统稳定性和生物地球化学循环过程。这种影响直接关系到气候变化应对策略的有效性，因此全面了解极端气候对陆地生态系统过程的影响至关重要。
近日，浙江大学环境与资源学院罗忠奎课题组与国内外学者合作，在Nature Climate Change发表了题为“Responses of soil organic carbon to climate extremes under warming across global biomes”的研究论文（https://doi.org/10.1038/s41558-023-01874-3），揭示了变暖下不同类型极端气候强度和频率变化对全球土壤有机碳的影响及其在生态系统间的分异规律。
土壤是陆地生态系统最大的有机碳库，其碳储量是植被和大气碳库总和的两倍。土壤有机碳周转速率相对缓慢（Xiao et al., GCB, 2023），并且气候变化是一个缓慢持续的过程，土壤有机碳对气候变化的响应可能需要几十年甚至上百年才能显现出来，短时间尺度的观测不能完全捕捉土壤有机碳对气候变化响应的长期演变规律。此外，极端气候事件的发生具有很强的随机性，并且类型多样，甚至不同类型的极端气候会形成复合极端气候事件，因此通过实验模拟极端气候事件也面临巨大挑战。
针对上述挑战，课题组在前期开发的空间代替时间耦合Meta分析方法的基础上（Wang et al., NC, 2022）,进一步拓展了该方法在极端气候上的应用，量化了全球表层（0-0.3 m）土壤有机碳对极端气候变化的响应（图 1）。以世界土壤信息服务网（WoSIS）收录的全球土壤信息数据库（超过11万个土壤剖面）为数据源，融合空间替代时间、Meta分析和基于机器学习的数字土壤制图技术，量化了全球变暖背景下不同类型极端气候变化导致的有机碳变化，阐明了调控土壤有机碳对极端气候变化响应的驱动因素，并预测了未来1.5 °C变暖情景下极端气候变化导致的全球土壤有机碳变化，绘制了土壤有机碳变化的全球空间格局。
图 1 空间代替时间耦合Meta分析方法示意图
结果发现：全球尺度上，大多数极端气候强度或频率的增加会加剧变暖导致的土壤有机碳损失，其中全球暖夜频率的增加对土壤有机碳的影响最为显著，其增加5天会额外增加8%土壤有机碳损失，但有些极端气候的变化也会减缓土壤有机碳的损失，如全球寒潮天数平均减少5天，则会抵消22%的变暖导致的土壤有机碳损失。此外，与单一极端气候事件相比，复合极端气候事件（如干热极端事件）对有机碳的影响更为显著。如与单一的极端高温和干旱相比，热干复合极端会导致更多的土壤有机碳损失。如果气候变化导致未来复合极端事件增加，将会增加全球土壤有机碳损失的风险，对土壤固碳措施的制定提出新的挑战。
图 2 土壤有机碳对单个和复合极端气候的响应
生态系统之间，极端气候对土壤有机碳的影响存在很大的差异（图3）。草地生态系统土壤有机碳最为脆弱，33个极端气候指标中的22个显著加剧了变暖导致的有机碳损失；而寒带森林中有16个减缓了变暖导致的有机碳损失，12个没有显著影响，只有5个显著增加了变暖导致的碳损失。极端气候对土壤有机碳的影响也与极端气候事件的类型有关。与极端高温相关的极端气候，如热浪强度和频率、日最高气温和暖夜数的增加，加剧了有机碳的损失；而与极端低温相关的极端气候，如霜冻日数减少和寒潮持续时间缩短，部分抵消了变暖导致的有机碳损失。
图 3 变暖背景下极端气候变化导致的额外土壤有机碳变化
该研究进一步分析了土壤有机碳响应极端气候的热点地区。在1.5 °C变暖情景下，虽然全球尺度上，热浪、寒潮、干旱和极端湿润强度和频率增加对有机碳变化的平均影响较小，但在欧洲、东南亚、北美和亚马逊等区域会导致大量土壤有机碳的损失（图 4）。而据预测，这些区域将经历更频繁、更强烈的极端气候。因此，未来这些地区的土壤可能会成为主要碳源。该结果强调在制定土壤固碳策略时需具体考虑生态系统类型和区域特性的差异，极端气候变化是一个不可忽视的因素。
图 4 1.5 °C变暖下全球土壤有机碳对极端气候变化的响应格局
浙江大学环境与资源学院2020级博士生王明明为论文第一作者，罗忠奎研究员为通讯作者。浙江大学环境与资源学院2020级博士生张帅、博士后郭晓伟博士、南京农业大学肖浏骏副教授、中国科学院植物研究所杨元合研究员、美国康奈尔大学骆亦其教授以及美国桑迪亚国家实验室Umakant Mishra博士参与该项研究。此项研究受国家自然科学基金（32241036，32171639）和国家科技部重点研发项目（2021YFE0114500）共同支持。