第七届青年地学论坛

土壤有机碳库约占陆地碳库的三分之二，是全球碳循环的核心组成部分之一。土壤有机碳动态变化和气候变化有紧密的互馈作用，准确模拟土壤有机碳动态对气候变化的响应对应对气候变化至关重要。然而，目前的土壤有机碳动态模拟存在很大的不确定性，对土壤剖面不同深度有机碳分解机制、微生物过程以及对有机碳与土壤环境因子之间的相互作用认识不足是造成这种不确定性的主要原因之一，尤其是以往的研究缺乏对深层土壤有机碳稳定性及其动态变化的研究(Luo et al. 2016)。
据估算，陆地土壤大约存贮了3200~4100 Gt碳，其中的70%储存在0.2米以下的土壤。因此，理解整个土壤剖面，尤其是深层土壤有机碳对增温的响应及其机制对预测全球变暖极其重要。一个温带森林0~1米土壤增温实验发现：深层土壤有机碳对增温的响应与表层土壤有机碳相同(Pries et al. 2017)。但对高寒草地土壤有机碳的研究发现：深层土壤有机碳具有较低的温度敏感性，这种较低的温度敏感性主要由深层土壤更强的团聚体保护作用和较低的微生物丰度所导致(Qin et al. 2019)。这些研究反映出深层土壤有机碳的响应机制及其影响因子还没有很好地理解，并且在不同区域、不同生态系统以及环境条件下深层土壤有机碳对气候变化的响应可能存在明显的不同。
土壤有机碳在土壤剖面的垂直迁移使土壤碳组分在土层中重新分布，这可能对整个土壤剖面有机碳动态产生重要影响。气候变化背景下，由于输入和有机碳分解过程的改变，有机碳的垂直运移可能也可能随之发生改变，并对土壤剖面不同土层有机碳如何响应变化有强烈影响，但相关报道很少。本研究中，我们开发了三种模拟土壤有机碳垂直运移的土壤有机碳模型来模拟0~2米土壤有机碳的动态，从理论模型和模拟的角度探讨这些问题。三个模型通过模拟不同碳库在土壤剖面的运移，并和微生物过程和新老碳库之间的相互作用（即激发效应，如上层的新有机碳的向下移动可能激发下层土壤有机碳的分解）联系起来，从而量化垂直运移在全剖面土壤有机碳周转过程中的作用。模型由全球土壤有机碳储量、碳输入及其在土壤剖面的垂直分布数据驱动，并用于预测全球不同深度土层土壤有机碳运移量的多少和及其造成的激发效应强度的空间格局。
研究结果发现：土壤有机碳的垂直运移在全剖面土壤有机碳周转过程中起关键作用；如果忽略这种垂直运移过程，模型将无法反演观测到的土壤有机碳在不同土层的分布。通过全球模型模拟发现：降雨是控制有机碳移动量大小的最重要环境因子，土壤特性如土壤容重也起一定的作用——尤其是在深层土壤土壤特性的重要性更加明显。和我们假设一致，由于垂直移动造成不同碳库在土壤剖面的重分配，会在不同的土层引发一定程度的激发效应改变，从而改变土壤有机碳的周转过程及其对气候变化的响应。进一步模型有机碳对升温的响应发现：不考虑垂直移动将显著低估土壤有机碳对升温的响应，但这种响应的差异主要是由碳库在不同土层的本身分解特性引起的（如同一个碳库在深层土壤分解更慢），而和激发效益的关系较弱。考虑垂直移动与否对土壤有机碳如何响应碳输入的变化也有强烈的影响。为了抵消升温造成的土壤有机碳丢失，考虑垂直移动将需要更多的碳输入。
我们基于数据同化的模型模拟研究说明了土壤有机碳垂直移动在调控土壤有机碳动态中的关键作用，这种作用主要是通过不同碳库在土层之间的重分配和引发的激发效益的变化来体现的，而这些过程在现有的实验研究中很大程度上被忽略了，在有机碳模型中也未引起足够的重视，这可能是土壤有机碳预测不确定性的一个关键原因之一。

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