土壤有机碳是农业可持续发展与陆地碳循环的基石。长期以来，无论是田间管理还是碳汇核算，关注点都集中在0–0.3米的表层土壤，深层土壤所储存的碳则往往被视为"稳定且惰性"而被忽略。然而土壤剖面自上而下在水分、通气、根系分布与微生物活性上差异巨大，表层的固碳规律能否外推到深层，一直缺乏大尺度实测证据的检验。这一认知空白，直接制约了深度依赖的碳核算与全剖面碳管理策略的制定。
近日，浙江大学环境与资源学院罗忠奎教授课题组基于全国尺度的2米深土壤剖面调查，结合标准化室内测定、机器学习建模与1公里分辨率制图，系统刻画了中国旱作农田土壤有机碳及其矿物结合态组分（MAOC）的垂直分布格局与调控机制。研究发现，近一半的土壤剖面并不遵循经典的有机碳随深度指数衰减规律；矿物结合态碳虽在多数土层中占比过半，但在1米以下相对贡献明显下降；更重要的是，碳固存的主控因素沿剖面发生系统性转变，由表层的“矿物容量与碳输入协同调控”转向深层的“碳输入受限”。
图1 采样剖面的空间分布与土壤碳变量的深度分布。
2022至2023年，研究团队在覆盖中国九大农业生态区的365个旱作农田样点钻取剖面至2米，分七个标准层次取样，累计获得2234个“点位–深度”观测，并同步开展农户问卷调查以获取管理信息。结果显示，有机碳含量平均由表层的15.7 g C kg⁻¹降至1.5–2.0米的8.3 g C kg⁻¹，但剖面间异质性极为突出：在46%的样点，有机碳并未随深度显著下降，个别样点甚至随深度上升，这在土层深厚的黄土高原尤为普遍。矿物结合态碳在所有土层中的占比均超过50%，却在1米以下明显走低，由0.5–1.0米的74%降至1.5–2.0米的60%。这意味着深层储存着远超既往认识的碳量，但其中相当一部分并未处于矿物保护状态，“深层碳更稳定”这一常被默认的假设或许需要重新审视。
图2 土壤碳变量的环境预测因子。
研究综合考虑了植被动态、土壤属性、地形、气候与农业管理五大类共37个环境变量，所构建的随机森林模型可解释三个深度层中碳变量81%以上的变异。其中，粘粉粒含量在所有深度、所有碳组分中都是最重要的预测因子，反映了细颗粒通过团聚体保护与有机–矿物结合提供的稳定作用；遥感反演的植被指数时间动态贡献同样突出，尤以刻画冬小麦–夏玉米一年两熟制的半年振幅最为显著，指示了作物生长带来的碳输入强度。
图3 土壤有机碳的驱动因子及其深度依赖性。
研究进一步将多个遥感植被变量整合为植被生产力指数（VPI），作为植物源碳输入强度的代理指标，并解析其与粘粉粒含量的效应如何随深度变化，由此揭示出一个清晰的转变：植被生产力的正效应随深度增强，说明深层碳的积累越来越依赖新鲜碳输入的供应；而粘粉粒对矿物结合态碳的正效应却随深度减弱，二者的正交互作用也由表层的显著为正衰减至深层的接近于零。这表明在碳输入充沛的表层，矿物表面与底物供应共同调控矿物结合态碳的形成；而在矿物表面相对未饱和、新鲜碳输入却十分匮乏的深层，碳的积累主要受制于输入供应而非矿物容量。
图4 中国旱作农田土壤碳储量的空间格局。
基于上述模型，研究以1公里分辨率制作了三个深度层的碳储量分布图。估算显示，0–2米剖面内全国旱作农田有机碳储量为19.9 Pg，其中75%储存于0.3米以下；矿物结合态碳三层储量合计11.9 Pg，同样有约75%分布于0.3米以下。区域上，青藏高原的剖面碳密度最高，而集约化程度最高的黄淮海平原最低，提示其在固碳提升上具有较大空间。与现有全球土壤碳产品的对比进一步凸显了深层观测的价值：在表层，本研究的估算与WISE数据库接近；而在0.3–1米的深层，本研究的估算显著高于WISE与HWSD，在黄土高原等区域相差近一倍，说明缺乏深层实测约束的全球产品可能明显低估了特定区域的深层碳储量。
总体来看，该研究基于全国尺度的实测深剖面数据，刻画出中国旱作农田土壤碳储存与稳定化的深度依赖特征：碳输入主要决定有机碳积累的数量，而矿物表面则决定其中多大比例能够被稳定为矿物结合态碳。这意味着面向农田固碳的管理与建模都需要将土壤的垂直结构纳入考量，使碳输入的供应与不同深度土壤的稳定化容量相匹配，而非仅着眼于表层。研究提供的剖面深度的分层碳储量基准，也可为国家尺度碳核算、全球土壤碳产品的校正以及区域差异化的农田碳管理策略提供数据支撑。
该研究以“National evidence of depth-dependent stabilization and controls of soil organic carbon in dryland croplands”为题，发表于Global Change Biology。浙江大学环境与资源学院博士研究生魏宇宸为论文第一作者，中国农业大学赵鑫副教授、北京林业大学冯文婷教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心孙宏勇研究员为共同第一作者，浙江大学环境与资源学院罗忠奎教授为通讯作者。研究得到国家自然科学基金项目（32241036、42225101）与浙江省自然科学基金项目（LZ25D030001）的资助。
文章信息：
标题：National evidence of depth-dependent stabilization and controls of soil organic carbonin dryland croplands
期刊：Global Change Biology
DOI：https://doi.org/10.1111/gcb.71045