《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Atmospheric acid deposition leads to increased soil inorganic carbon loss on the Qinghai-Tibetan Plateau
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青藏高原土壤无机碳（SIC）储量巨大，酸沉降与气候变化共同导致表层（0-10cm）SIC损失87.67-122.29 Tg（7.75-10.81%），深层（0-30cm）损失76.50-85.47 Tg（2.12-2.37%）。模型显示酸沉降使表层SIC损失增幅达15.46-41.28 Tg（1.37-3.65%），并部分转移至下层。硫沉降贡献超氮沉降1.3倍，半干旱区及草地生态系统受影响最显著。
Jin Hu|Zelin Huang|Xiaodong Song|Yue Dong|Huiying Wen|Shuming Ding|Fei Yang|Ganlin Zhang
中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域科学国家重点实验室，中国南京 211135
摘要
青藏高原（QTP）草原中的土壤无机碳（SIC）储量大约是土壤有机碳的两倍，在中国的陆地碳平衡中起着关键作用。尽管其重要性不言而喻，但在气候变化和大气酸沉降的影响下，SIC的定量研究仍然不足。本文将质子生成模块纳入基于过程的土壤无机碳周转模型中，以评估2015年至2100年间大气酸沉降对QTP 30厘米深度范围内SIC动态的长期影响。研究发现，表层土壤（0–10厘米）中的SIC储量减少了87.67–122.29太克（7.75–10.81%），0–30厘米深度土壤中的SIC储量减少了76.50–85.47太克（2.12–2.37%）。与单独考虑气候变化相比，酸沉降使表层土壤中的SIC损失增加了15.46–41.28太克（1.37–3.65%），而在0–30厘米深度范围内的影响较小（0.05–0.17太克），这表明部分表面SIC损失沉积到了10厘米以下的层次。酸沉降对半干旱地区和草原生态系统的生态影响最为显著，SIC损失分别增加了9.64太克（2.69%）和15.70太克（2.41%）。在各种酸化因素中，硫（S）沉降对SIC损失的贡献是氮（N）沉降的1.3倍。这些发现揭示了酸沉降对SIC的影响，并为评估氮和硫沉降的各自作用提供了定量依据，有助于深入理解生态系统碳循环机制，并为未来缓解酸化空气污染的策略提供参考。
引言
青藏高原（QTP）作为世界上海拔最高、面积最大的高原，由于其广阔的土地面积和独特的高山生态系统，对全球碳循环具有重要影响（Chen等人，2022年；Ren等人，2025年；Yang等人，2010年）。近几十年来，随着气候变暖的加剧，QTP的生态脆弱性不断增加，土壤有机碳储量的逐渐但显著减少已成为明显趋势（Lin等人，2025年；Wei等人，2025年）。过去40年间，表层土壤有机碳平均减少了8.9克/千克，主要原因是气候变暖和土壤侵蚀加剧（Lin等人，2025年）。QTP表层一米内的土壤无机碳（SIC）储量估计为152亿吨，是相应土壤有机碳储量的两倍多，占中国总SIC储量的28.5%（Yang等人，2010年）。这使得QTP成为中国陆地碳平衡的关键组成部分（Chen等人，2022年；Ma等人，2024年；Ren等人，2025年；Wang等人，2020年）。尽管QTP的SIC储量庞大且重要，但相关研究相对较少，部分原因是人们认为其具有较高的地球化学稳定性（Yang等人，2010年）。然而，最新研究表明，SIC对质子（H+）输入引起的土壤酸化非常敏感（Huang等人，2024年；Raza等人，2020年；Song等人，2022年；Zhang等人，2025年；Zhou等人，2025年）。在自然生态系统中，土壤中外源H+的主要来源是大气酸沉降（Janssens等人，2010年；Yu等人，2019年；Zhang等人，2022年）。QTP拥有广阔的自然生态系统且农业活动较少（Gu等人，2025年），为研究大气酸沉降对SIC动态的影响提供了独特条件（Guan等人，2025年；Liu等人，2025年；Sun等人，2025年）。
预测表明，如果持续酸化，未来30年内全球0.3米深度范围内的SIC损失可能超过23亿吨（Huang等人，2024年）。最新研究表明，过去三十年间中国的SIC减少了8.99%，主要受大气酸沉降和农业施肥引起的氮酸化作用影响（Song等人，2022年）。1980年至2020年间，仅中国耕地就因氮酸化作用损失了约7%的SIC，相当于0.15亿吨碳（Raza等人，2020年）。然而，目前对SIC动态的评估主要基于实验室实验和数据驱动的方法，这些方法往往缺乏捕捉碳酸盐缓冲过程所需的机制细节，也无法区分气候变化和酸沉降对SIC影响的差异（Sharififar等人，2023年；Zamanian等人，2018年）。酸性物质不仅直接降低土壤酸度，还通过生物地球化学循环间接产生H+（Zhang等人，2022年）。尽管酸胁迫会导致SIC大量流失，但大气酸沉降对SIC动态的定量影响仍需进一步研究。虽然非常简单的动态模型（VSD+）能够估算酸碱状态，但它们通常无法反映SIC在过程中的转化，从而限制了模拟SIC空间和时间变化的能力（Bonten等人，2016年）。这一限制阻碍了在多变环境条件下解析SIC消耗的空间和时间异质性的能力。
本文将H+生成模块纳入计算框架，并将其与VSD+模型的物质平衡方程相结合，进一步发展为基于过程的土壤无机碳周转模型（SINOCOM）。该模型量化了2015年至2100年间大气酸沉降对QTP SIC动态的影响，同时区分了酸沉降和气候变化各自的作用。模型中的酸碱反应路径调控了无机碳库的转化过程，建立了酸沉降与SIC损失之间的直接机制联系，对长期土壤碳储存具有重要意义。SIC的损失定义为SIC从其原始土层中的移除（Du和Gao，2020年；Sharififar等人，2023年；Zamanian等人，2016年）。该模型以每日分辨率在土壤表层30厘米深度内的10厘米间隔内运行，受降水、温度、地表径流、CO2浓度以及NH3、NH4+、NOy、SO42–、H+和Cl–等关键环境变量的驱动。通过对土壤水分平衡、化学平衡以及氮（N）和硫（S）淋溶的参数敏感性分析，减少了模型的不确定性。通过解析不同酸沉降条件和气候情景下SIC动态的时空模式，本研究在将酸沉降过程纳入陆地无机碳循环方面取得了重要进展。
研究区域
青藏高原（QTP）面积约为250万平方公里，地理范围东经74.9°至104.3°，北纬24.8°至39.2°（图1）。作为世界上海拔最高的高原，QTP的平均海拔超过4000米（Gu等人，2025年）。由于水平和垂直方向上的水热条件差异，QTP的气候条件和土地利用存在显著的区域性和海拔差异。
由于酸沉降导致的SIC空间和时间变化
预测显示，在2015年至2100年间，受酸沉降影响，QTP的SIC将大幅减少（图4a，b）。在表层土壤（0–10厘米）中，SIC减少了374±592千克/公顷（24±37%），空间异质性明显（图4a和图S1a）。酸沉降的影响大于气候变化，额外导致了95±217千克/公顷的SIC损失（图S2a）。损失最严重的地区位于东南部和南部边缘。
酸沉降对SIC变化的贡献
我们使用基于过程的模型评估了大气酸沉降对QTP SIC动态的影响。结果显示，2015年至2010年间，表层土壤中的SIC储量显著减少。在SSP3–7.0情景下，SIC损失最为明显，该情景的特点是减缓措施有限且短寿命气候强迫物的排放量较高（Rao等人，2017年）。在此情景下，氮沉降增加了0.79太克。
结论
我们将质子生成模块纳入基于过程的土壤无机碳周转模型中，以评估2100年内大气酸沉降对QTP 30厘米深度范围内SIC动态的长期影响。研究发现，在大气酸沉降和气候变化的共同作用下，表层土壤（0–10厘米）中的SIC储量减少了87.67–122.29太克（7.75–10.81%），0–30厘米深度土壤中的SIC储量减少了76.50–85.47太克（2.12–2.37%）。与单独考虑气候变化相比，酸沉降加剧了SIC的损失。
CRediT作者贡献声明
Jin Hu：撰写初稿、方法论设计、数据整理、验证与可视化。Zelin Huang：软件开发、可视化。Xiaodong Song：概念构思、撰写与编辑、验证、资金筹集。Yue Dong：研究调查、方法论设计。Huiying Wen：可视化处理、验证。Shuming Ding：研究调查。Fei Yang：研究调查、验证。Ganlin Zhang：概念构思、撰写与编辑、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42322102、42130715、42271058）和中国科学院青年创新促进协会（项目编号：2021310）的财政支持。
