地理資源所黃元元課題組等在Science發(fā)布關(guān)于全球土壤無(wú)機碳分布格局及其動(dòng)態(tài)的研究進(jìn)展

信息介紹

近日,中國科學(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、法國、德國、埃及、俄羅斯和奧地利等多國的26家單位相關(guān)學(xué)者,使用數字土壤制圖技術(shù)估算了全球2 m土壤內無(wú)機碳的儲量為2305 PgPg: 十億噸),未來(lái)30年內氮添加相關(guān)土壤酸化將導致表層土壤(0.3 m)丟失23 Pg無(wú)機碳,當前每年1.13 Pg的無(wú)機碳會(huì )通過(guò)土壤流失至內陸水體。作為參考,全球植物的碳儲量大約為450 Pg,人類(lèi)活動(dòng)每年向大氣碳排放約9.5 Pg,而全球1m土體土壤有機碳儲量約為1500 Pg。該研究首次揭示了全球尺度土壤無(wú)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(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2024411日在線(xiàn)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。

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文章簡(jiǎn)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(wú)機碳兩部分,土壤有機碳或無(wú)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(wú)機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(zhù)“土壤有機碳???二氧化碳???土壤無(wú)機碳”的微循環(huán)系統。隨著(zhù)全球變化和全球碳循環(huán)研究的深入,國內外關(guān)于土壤有機碳庫的時(shí)空分布、碳排放定量評估、碳循環(huán)、驅動(dòng)因素與調控機制研究已取得重要進(jìn)展。土壤無(wú)機碳主要以碳酸鹽的形式存在,更新周期較長(cháng)且相對穩定,通常認為其對現代碳循環(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(wú)機碳數據集(55077個(gè)土壤剖面,223593個(gè)樣本)(圖1),通過(guò)融合影響土壤無(wú)機碳變化的驅動(dòng)因素,開(kāi)發(fā)了數據驅動(dòng)的雙類(lèi)別土壤無(wú)機碳密度預測模型,系統估算了全球2?m土壤無(wú)機碳的儲量及其空間分布格局,識別了驅動(dòng)土壤無(wú)機碳空間變異的主要環(huán)境變量。通過(guò)構建無(wú)機碳與土壤pH的通用函數關(guān)系揭示了碳酸鹽的化學(xué)計量特征,進(jìn)而面向不同共享社會(huì )經(jīng)濟路徑(SSP)情景,闡明了pH變化與無(wú)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(wú)機碳(0.3 m)的影響。


1?土壤無(wú)機碳(SIC)數據集及其統計分析


???結果

準確揭示了全球土壤無(wú)機碳分布格局。地表2?m土壤儲存了2305±636 (±1 SD) Pg 的無(wú)機碳(圖2)。與傳統觀(guān)點(diǎn)一致:高無(wú)機碳密度主要分布在干旱地區(例如中東、非洲撒哈拉沙漠、北美洲中西部)。研究發(fā)現在寒濕帶、暖濕帶地區土壤(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)也儲存了大量的無(wú)機碳;地質(zhì)條件與風(fēng)成作用在局地尺度對無(wú)機碳儲量具有較強影響,例如喀斯特地區土壤主要含有巖石化無(wú)機碳(原生碳酸鹽),黃土沉積導致中亞地區土壤富含碳酸鹽。

干旱、半干旱、半濕潤地區面積雖不足全球的一半,卻儲存了全球80%的土壤無(wú)機碳,干旱土、新成土貢獻了50%的土壤無(wú)機碳儲量(~1150 Pg),土壤無(wú)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。

2?土壤無(wú)機碳密度空間分布圖與模型精度



土壤pH調控全球土壤無(wú)機碳分布。基于合作博弈機制計算每個(gè)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(wú)機碳有無(wú)空間變異的29%,(圖3)?;?/span>Sigmoid函數量化了土壤無(wú)機碳與pH的耦合關(guān)系,這種耦合關(guān)系在不同土壤類(lèi)型、深度、植被覆蓋條件下發(fā)生顯著(zhù)變化。強堿性地區的深部土壤比表層土壤儲存了更多的無(wú)機碳,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)機碳。



3?土壤無(wú)機碳空間分布的主要驅動(dòng)因素



量化了未來(lái)不同情景下土壤酸化對全球土壤無(wú)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(huì )導致全球土壤無(wú)機碳丟失9-55 Pg,丟失潛力最高的5個(gè)國家分別是美國、澳大利亞、阿根廷、俄羅斯、墨西哥。未來(lái)全球變暖及其對水文循環(huán)的改變可能會(huì )導致土壤pH的變化,間接地導致表層土壤無(wú)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,全球農田土壤無(wú)機碳則分別降低0.43 Pg、0.35 Pg、0.18 Pg。

在土壤無(wú)機碳時(shí)空預測模型的基礎上,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致的土壤酸化會(huì )繼續降低土壤無(wú)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(huì )分別丟失10 Pg、14 Pg、23 Pg,在SSP5-8.5-Low-Ambition-N情景下,由于農田土壤的快速酸化,印度與中國的土壤無(wú)機碳潛在耗散最高。

此項研究受?chē)易匀豢茖W(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(B類(lèi))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


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