信息介紹

近日，中國科學院地理科學與資源研究所黃元元課題組聯(lián)合中國科學院南京土壤研究所張甘霖課題組同來自北京大學、清華大學、浙江大學、北京林業(yè)大學及澳大利亞、美國、法國、德國、埃及、俄羅斯和奧地利等多國的26家單位相關學者，使用數(shù)字土壤制圖技術估算了全球2 m土壤內(nèi)無機碳的儲量為2305 Pg（Pg:?十億噸），未來30年內(nèi)氮添加相關土壤酸化將導致表層土壤（0.3 m）丟失23 Pg無機碳，當前每年1.13 Pg的無機碳會通過土壤流失至內(nèi)陸水體。作為參考，全球植物的碳儲量大約為450 Pg，人類活動每年向大氣碳排放約9.5 Pg，而全球1m土體土壤有機碳儲量約為1500?Pg。該研究首次揭示了全球尺度土壤無機碳儲量的脆弱性，對精準模擬預測氣候變化下的土壤碳庫的動態(tài)具有重要意義。

研究成果以“Size,distribution and vulnerability of the global soil inorganic carbon”為題，于2024年4月11日在線發(fā)表于Science，黃元元與宋效東為論文共同第一作者，黃元元與張甘霖為論文共同通訊作者。?

文章簡介

土壤是地球表層最大的碳庫之一，在應對全球氣候變化方面具有重大作用。土壤碳庫主要包括土壤有機碳和無機碳兩部分，土壤有機碳或無機碳的微小變化均可能導致大氣中二氧化碳濃度的較大變化。

在自然狀態(tài)下，土壤無機碳基本處于平衡的狀態(tài)，主要包括原生碳酸鹽（來源于成土母質(zhì)，未經(jīng)風化成土作用）與次生碳酸鹽（土壤發(fā)育過程中形成的產(chǎn)物），存在著“土壤有機碳???二氧化碳???土壤無機碳”的微循環(huán)系統(tǒng)。隨著全球變化和全球碳循環(huán)研究的深入，國內(nèi)外關于土壤有機碳庫的時空分布、碳排放定量評估、碳循環(huán)、驅(qū)動因素與調(diào)控機制研究已取得重要進展。土壤無機碳主要以碳酸鹽的形式存在，更新周期較長且相對穩(wěn)定，通常認為其對現(xiàn)代碳循環(huán)的貢獻較小，在碳循環(huán)研究中經(jīng)常被忽略，然而大量人為活性氮的引入可能打破這種平衡。

針對上述研究缺陷，研究人員收集構建了全球土壤無機碳數(shù)據(jù)集（55077個土壤剖面，223593個樣本），通過融合影響土壤無機碳變化的驅(qū)動因素，開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的雙類別土壤無機碳密度預測模型，系統(tǒng)估算了全球2?m土壤無機碳的儲量及其空間分布格局，識別了驅(qū)動土壤無機碳空間變異的主要環(huán)境變量。通過構建無機碳與土壤pH的通用函數(shù)關系揭示了碳酸鹽的化學計量特征，進而面向不同共享社會經(jīng)濟路徑（SSP）情景，闡明了pH變化與無機碳儲量的空間耦合機制，估算了本世紀末土壤pH的變化對表層土壤無機碳（0.3?m）的影響。

???結果

準確揭示了全球土壤無機碳分布格局。地表2?m土壤儲存了2305±636 (±1?SD)?Pg?的無機碳。與傳統(tǒng)觀點一致：高無機碳密度主要分布在干旱地區(qū)（例如中東、非洲撒哈拉沙漠、北美洲中西部）。研究發(fā)現(xiàn)在寒濕帶、暖濕帶地區(qū)土壤（尤其是富鈣沖積物或鈣質(zhì)母質(zhì)的靠近河流、湖泊和沿海地區(qū)）也儲存了大量的無機碳；地質(zhì)條件與風成作用在局地尺度對無機碳儲量具有較強影響，例如喀斯特地區(qū)土壤主要含有巖石化無機碳（原生碳酸鹽），黃土沉積導致中亞地區(qū)土壤富含碳酸鹽。

干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)面積雖不足全球的一半，卻儲存了全球80%的土壤無機碳，干旱土、新成土貢獻了50%的土壤無機碳儲量（~1150?Pg），土壤無機碳儲量前5高的國家分別是俄羅斯、美國、中國、加拿大、澳大利亞。

土壤pH調(diào)控全球土壤無機碳分布。基于合作博弈機制計算每個環(huán)境變量的平均邊際貢獻率，夏普利值（Shapley?value）揭示：土壤pH貢獻了無機碳有無空間變異的29%。基于Sigmoid函數(shù)量化了土壤無機碳與pH的耦合關系，這種耦合關系在不同土壤類型、深度、植被覆蓋條件下發(fā)生顯著變化。強堿性地區(qū)的深部土壤比表層土壤儲存了更多的無機碳，說明如果整個土體發(fā)生相同程度的酸化，深度土壤可能會流失更多的無機碳。

量化了未來不同情景下土壤酸化對全球土壤無機碳儲量的影響。至本世紀末，表層土壤pH降低0.1-0.5，可能會導致全球土壤無機碳丟失9-55?Pg，丟失潛力最高的5個國家分別是美國、澳大利亞、阿根廷、俄羅斯、墨西哥。未來全球變暖及其對水文循環(huán)的改變可能會導致土壤pH的變化，間接地導致表層土壤無機碳儲量在SSP1-2.6（氣溫上升1.8?C）、SSP2-4.5（氣溫上升2.7?C）、SSP5-8.5（氣溫上升4.4?C）情景模式下分別下降1.35?Pg、3.45?Pg、5.83?Pg，全球農(nóng)田土壤無機碳則分別降低0.43?Pg、0.35?Pg、0.18?Pg。

在土壤無機碳時空預測模型的基礎上，耦合了土壤pH變化、氮肥施用量、未來氮肥管理政策情景。至2050年，由氮沉降與氮肥施用共同導致的土壤酸化會繼續(xù)降低土壤無機碳，在SSP1-2.6-High-Ambition-N（低N投入）、SSP2-4.5-Medium-Ambition-N（中等N投入）、SSP5-8.5-Low-Ambition-N（高N投入）復合情景下會分別丟失10?Pg、14?Pg、23?Pg，在SSP5-8.5-Low-Ambition-N情景下，由于農(nóng)田土壤的快速酸化，印度與中國的土壤無機碳潛在耗散最高。

此項研究受國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和第二次青藏高原綜合科學考察研究共同支持。

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原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7918