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近日，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所黃元元課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所張甘霖課題組同來(lái)自北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)及澳大利亞、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、埃及、俄羅斯和奧地利等多國(guó)的26家單位相關(guān)學(xué)者，使用數(shù)字土壤制圖技術(shù)估算了全球2 m土壤內(nèi)無(wú)機(jī)碳的儲(chǔ)量為2305 Pg（Pg:?十億噸），未來(lái)30年內(nèi)氮添加相關(guān)土壤酸化將導(dǎo)致表層土壤（0.3 m）丟失23 Pg無(wú)機(jī)碳，當(dāng)前每年1.13 Pg的無(wú)機(jī)碳會(huì)通過(guò)土壤流失至內(nèi)陸水體。作為參考，全球植物的碳儲(chǔ)量大約為450 Pg，人類活動(dòng)每年向大氣碳排放約9.5 Pg，而全球1m土體土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1500?Pg。該研究首次揭示了全球尺度土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量的脆弱性，對(duì)精準(zhǔn)模擬預(yù)測(cè)氣候變化下的土壤碳庫(kù)的動(dòng)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(jiǎn)介

土壤是地球表層最大的碳庫(kù)之一，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化方面具有重大作用。土壤碳庫(kù)主要包括土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳兩部分，土壤有機(jī)碳或無(wú)機(jī)碳的微小變化均可能導(dǎo)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(wú)機(jī)碳基本處于平衡的狀態(tài)，主要包括原生碳酸鹽（來(lái)源于成土母質(zhì)，未經(jīng)風(fēng)化成土作用）與次生碳酸鹽（土壤發(fā)育過(guò)程中形成的產(chǎn)物），存在著“土壤有機(jī)碳???二氧化碳???土壤無(wú)機(jī)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(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤有機(jī)碳庫(kù)的時(shí)空分布、碳排放定量評(píng)估、碳循環(huán)、驅(qū)動(dòng)因素與調(diào)控機(jī)制研究已取得重要進(jìn)展。土壤無(wú)機(jī)碳主要以碳酸鹽的形式存在，更新周期較長(zhǎng)且相對(duì)穩(wěn)定，通常認(rèn)為其對(duì)現(xiàn)代碳循環(huán)的貢獻(xiàn)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(duì)上述研究缺陷，研究人員收集構(gòu)建了全球土壤無(wú)機(jī)碳數(shù)據(jù)集（55077個(gè)土壤剖面，223593個(gè)樣本），通過(guò)融合影響土壤無(wú)機(jī)碳變化的驅(qū)動(dòng)因素，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的雙類別土壤無(wú)機(jī)碳密度預(yù)測(cè)模型，系統(tǒng)估算了全球2?m土壤無(wú)機(jī)碳的儲(chǔ)量及其空間分布格局，識(shí)別了驅(qū)動(dòng)土壤無(wú)機(jī)碳空間變異的主要環(huán)境變量。通過(guò)構(gòu)建無(wú)機(jī)碳與土壤pH的通用函數(shù)關(guān)系揭示了碳酸鹽的化學(xué)計(jì)量特征，進(jìn)而面向不同共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSP）情景，闡明了pH變化與無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量的空間耦合機(jī)制，估算了本世紀(jì)末土壤pH的變化對(duì)表層土壤無(wú)機(jī)碳（0.3?m）的影響。

???結(jié)果

準(zhǔn)確揭示了全球土壤無(wú)機(jī)碳分布格局。地表2?m土壤儲(chǔ)存了2305±636 (±1?SD)?Pg?的無(wú)機(jī)碳。與傳統(tǒng)觀點(diǎn)一致：高無(wú)機(jī)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(chǔ)存了大量的無(wú)機(jī)碳；地質(zhì)條件與風(fēng)成作用在局地尺度對(duì)無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量具有較強(qiáng)影響，例如喀斯特地區(qū)土壤主要含有巖石化無(wú)機(jī)碳（原生碳酸鹽），黃土沉積導(dǎo)致中亞地區(qū)土壤富含碳酸鹽。

干旱、半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)面積雖不足全球的一半，卻儲(chǔ)存了全球80%的土壤無(wú)機(jī)碳，干旱土、新成土貢獻(xiàn)了50%的土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量（~1150?Pg），土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量前5高的國(guó)家分別是俄羅斯、美國(guó)、中國(guó)、加拿大、澳大利亞。

土壤pH調(diào)控全球土壤無(wú)機(jī)碳分布。基于合作博弈機(jī)制計(jì)算每個(gè)環(huán)境變量的平均邊際貢獻(xiàn)率，夏普利值（Shapley?value）揭示：土壤pH貢獻(xiàn)了無(wú)機(jī)碳有無(wú)空間變異的29%。基于Sigmoid函數(shù)量化了土壤無(wú)機(jī)碳與pH的耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)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(qiáng)堿性地區(qū)的深部土壤比表層土壤儲(chǔ)存了更多的無(wú)機(jī)碳，說(shuō)明如果整個(gè)土體發(fā)生相同程度的酸化，深度土壤可能會(huì)流失更多的無(wú)機(jī)碳。

量化了未來(lái)不同情景下土壤酸化對(duì)全球土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量的影響。至本世紀(jì)末，表層土壤pH降低0.1-0.5，可能會(huì)導(dǎo)致全球土壤無(wú)機(jī)碳丟失9-55?Pg，丟失潛力最高的5個(gè)國(guó)家分別是美國(guó)、澳大利亞、阿根廷、俄羅斯、墨西哥。未來(lái)全球變暖及其對(duì)水文循環(huán)的改變可能會(huì)導(dǎo)致土壤pH的變化，間接地導(dǎo)致表層土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)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(wú)機(jī)碳則分別降低0.43?Pg、0.35?Pg、0.18?Pg。

在土壤無(wú)機(jī)碳時(shí)空預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，耦合了土壤pH變化、氮肥施用量、未來(lái)氮肥管理政策情景。至2050年，由氮沉降與氮肥施用共同導(dǎo)致的土壤酸化會(huì)繼續(xù)降低土壤無(wú)機(jī)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(fù)合情景下會(huì)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(guó)的土壤無(wú)機(jī)碳潛在耗散最高。

此項(xiàng)研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）和第二次青藏高原綜合科學(xué)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