土壤有机碳矿化，即有机碳向无机碳（如CO2）转化的过程，是全球碳循环的核心环节，其温度敏感性（通常用Q10表示，即温度每升高10度，土壤有机碳矿化变化的倍数）直接影响碳循环-气候变化反馈作用，但调控土壤有机碳矿化温度敏感性的机制还存在较大不确定性。浙江大学环境与资源学院罗忠奎课题组，联合北京大学和南京农业大学相关学者，提出一种统一“碳质量”（carbon quality）和微生物“碳可利用性”（carbon availability）假说的权衡模式，该模式解释了全球尺度上97%的Q10变异。结果发现，土壤有机碳矿化Q10受土壤有机碳质量与可利用性权衡调控。碳可利用性不受限时，Q10受碳质量调控，且难分解碳组分敏感性更高；反之，Q10受碳可利用性调控。另外，全球尺度上的预测表明：和其他生态系统相比，永久冻土区土壤有机碳对温度变化更加敏感。全球变化背景下，该模式对准确预测土壤有机碳动态具有重要意义。
研究成果以“Reconciling carbon quality with availability predicts temperature sensitivity of global soil carbon mineralization”为题，于北京时间2024年3月5日在线发表于PNAS。浙江大学环境与资源学院博士生张帅为论文第一作者，浙江大学环境与资源学院罗忠奎研究员为通讯作者。北京大学城市与环境学院朱彪研究员、南京农业大学农学院肖浏骏副教授、浙江大学环境与资源学院王明明博士生、郭晓伟博士后和郑金阳博士生参与了研究。此项研究受到国家自然科学基金（32241036，32171639）和国家科技部重点研发计划项目（2021YFE0114500）资助。课题组相关研究延申阅读（NC，2022：土壤有机碳响应升温的土层深度和生态系统差异性； NCC，2023：土壤有机碳对极端气候变化的响应；GCB，2020：颗粒有机碳和矿物结合态有机碳时空动态调控因子； SBB，2022：气候决定的碳质量和可利用性调控Q10）
土壤有机碳（SOC）矿化对温度敏感。气候变化背景下，土壤碳循环与气候变化之间形成复杂的反馈关系，这种反馈关系的程度和方向取决于SOC矿化的温度敏感性(Q10，即温度升高10 °C碳矿化的变化倍数）。根据“碳质量-温度”假说，由于难分解碳组分的矿化需要更高的活化能，因此和高质量、易分解碳组分相比，其对温度更加敏感。酶促动力学理论则认为：在易分解碳组分耗尽、碳可利用性受限时，SOC矿化温度敏感性将会降低。厘清SOC矿化温度敏感性的调控机制对于准确预测陆地生态系统碳循环与气候变化之间的反馈关系至关重要。然而，由于生态系统和土壤环境的复杂性和异质性、有机碳组分的高度多样性，对两种理论的适用场景和相对的重要性尚未形成统一性认识。
针对上述关键科学问题，本研究利用一种统一碳质量和可利用性的均衡模式（图1）：Q10 = Q10_max•f(A)•f(Q)，其中，Q10是观测的温度敏感性，Q10_max是最大潜在Q10，f(A)和f(Q)（范围为0到1）分别为碳可利用性和质量限制对Q10_max的修正。在该模式中，碳质量及可利用性同时影响Q10，但相对重要性取决于SOC矿化受质量还是可利用性限制。当SOC可利用性不受限时（f(A)接近1），Q10主要受碳质量调控(f(Q) < f(A))，碳质量越低，温度敏感性越高。当SOC可利用性受限时（f(Q)接近1），Q10主要受碳可利用性调控(f(Q) > f(A))，可利用性越低，温度敏感性越低。
图1 土壤有机碳可利用性和质量影响碳矿化温度敏感性（Q10）的概念图
若上述权衡模式正确，理论上，土壤培养条件下观测到的Q10随时间的变化将会只有两种类型：Type I，Q10随时间先上升后下降。该类型中培养初期的碳可利用性充足，随着培养的进行，可利用碳消耗并逐渐受限，导致Q10下降。在一些短期培养或初始碳可利用性很高的情况下，碳可利用性可能一直不受限，导致仅能观测到Q10随时间上升。Type II，Q10随时间下降。该类型中，培养初始碳可利用性受限。但由于实验性误差和其他不确定性因素，在有些实验中，Q10随时间波动较大或稳定不变，该类型被归类为Type III。利用该模式，研究团队模拟了全球室内培养土壤有机碳矿化数据库，发现该模式可以解释全球Q10时空变异的97%（图2）。在培养初期，Q10随时间的上升主要由碳质量控制，碳可利用性比碳质量更大且更接近1，随后的下降阶段主要由碳可利用性控制，而碳质量保持相对稳定并接近1（图2）。
图2土壤有机碳矿化温度敏感性（Q10）的观测值及模拟值。A.Q10全球平均值及其模型表现。B.图A中f(A)及f(Q)的时间动态。C.Q10值及其模型表现。D.图C中f(A)及f(Q)的时间动态。
该研究进一步分析了Q10热点地区。北部高纬度地区SOC矿化温度敏感性更高（图3）。最敏感的地区位于阿拉斯加北部、加拿大北部以及西伯利亚中部和东部等永久冻土广泛分布的区域。一些干旱/半干旱热带地区，例如撒哈拉以南非洲北部和纳米布沙漠北部地区SOC矿化的温度敏感性也较高。分析碳质量和可利用性的相对重要性发现：全球Q10主要由高质量碳的矿化控制。因此，在全球变暖背景下，高质量碳的快速消耗可能会放大土壤碳循环与气候变化之间的正反馈作用。此外，表层土壤由于有持续的碳输入，一般具有更高的碳质量和可利用性，因此，未来气候变化可能会加速表层高质量土壤有机碳的损失，从而导致表层土壤对气候变暖更加敏感，形成土壤碳与气候变化之间的正反馈。而底层土壤碳质量更低，如果未来气候变化或人类活动（如深根作物、深耕等）等解除了底层土壤底物可利用性的限制，也可能会导致底层土壤有机碳对气候更加敏感，进而加速底层土壤碳损失。全球变暖背景下，该项研究对提高土壤有机碳预测的准确性和可靠性具有重要意义。
图3.Q10全球格局及其不确定性