土壤有机碳是陆地生态系统最大的碳库，大部分储存在0.3米以下的土壤底层，对气候变化敏感。然而，在全球尺度上，气候变暖和降水变化往往协调发生，二者协同变化对全剖面土壤有机碳的影响尚未有基于观测数据的系统性评估。
近日，浙江大学环境与资源学院遥感所罗忠奎课题组，联合其他机构研究人员，基于全球观测的12多万个土壤剖面有机碳数据和相关位点生态环境信息，应用该课题组基于大数据和机器学习的“时空替代”方法（图1，Wang等, 2022, NC; Wang等, 2024, NCC），结合Meta分析技术，量化了全球表层（0–0.3 米）、深层（0.3–1米）及0–1米全剖面土壤有机碳对气候变暖和降水协同变化的长期响应，明确了调控响应的关键因子，预测了响应的全球空间格局。综合评估了全球0–1米土壤剖面有机碳对气候变暖和降水协同变化的响应。
图1 时空替代研究方法
研究结果表明，降水增加可以抵消气候变暖导致的土壤有机碳损失（图2），且这种抵消效应在不同深度的土层中均存在，但在不同生态系统中差异显著。全球尺度上，土壤有机碳的响应存在显著的空间变异，特别是在冻原生态系统显现出和其他生态系统相反的响应规律。和野外相关的控制实验相比，该响应方向基本一致，但野外实验的响应程度相对较低，且存在更大的不确定性（图3）。归因分析发现，当前土壤有机碳储量和气候条件是调控土壤有机碳差异性响应变暖和降水协同变化的关键因子。此外，该研究也量化了气候变暖和降水协同变化的交互作用，发现在全球尺度上加性效应（Additive Effect）占主导地位，但在某些生态系统中，负的交互作用也很显著，即降水增加加剧了土壤有机碳的损失。全球预测结果显示在气温升高2 °C并伴随降水变化的情景下（图 4），预计全球1米土壤有机碳将损失13.1±6.6%（351±10 Pg C），显著低于仅考虑气候变暖情景下的507±117 Pg。
图2 土壤有机碳对温度和降水协同变化的响应
该研究加深了对气候变暖和降水变化共同作用下土壤有机碳动态的理解，发现了二者变化导致的其他环境条件的变化是引起土壤有机碳变化的重要因素，强调在预测未来气候下的土壤有机碳变化时必须要考虑背景环境条件、土壤有机碳储量以及环境条件的变化，为提高全球尺度土壤有机碳预测精度提供了重要依据。
图3 与野外增温和降水控制实验的对比
图4 2 °C变暖和相应降水变化情景下全球土壤有机碳变化的空间格局及其不确定性评估
浙江大学环境与资源学院遥感所博士后王明明和张帅为论文共同第一作者，浙江大学环境与资源学院罗忠奎研究员为通讯作者，其他作者包括华东师范大学夏建阳教授、北京师范大学王国成副教授、西北农林大学郭晓伟副教授以及南京农业大学肖浏骏副教授。此项研究受国家自然科学基金（32241036, 32171639）资助。
文章信息：
标题：Whole-Profile Soil Carbon Responses toConcurrent Warming and Precipitation Changes Across Global Biomes
期刊：Global Change Biology