中国东部表土中实际的和潜在的碳封存量

《Soil and Tillage Research》：Actual and potential carbon sequestration in topsoils of eastern China

土壤有机碳（SOC）的稳定性及其固碳潜力受气候和土地利用影响显著。研究显示，中温带地区SOC含量最高（22 g/kg），且以矿物结合有机碳（MAOC）为主（占比60%-77%），亚热带及热带地区SOC含量较低，但MAOC饱和度不足60%，存在较大固碳空间。水稻田因缺氧环境，POC比例较高但稳定性低；旱地因频繁翻耕导致MAOC积累受限。气候变暖可能通过加速有机质周转削弱MAOC积累。建议因地制宜制定SOC管理策略，优先提升中温带和旱地MAOC稳定性，以增强土壤碳汇功能。

　　

段迅|王军|胡雅军|张文军|曾冠军|黄道友|吴金水|Abeer S. Aloufi|苏一荣|Georg Guggenberger|Yakov Kuzyakov|陈向斌

中国科学院亚热带农业研究所，中国长沙410125

摘要

评估当前的土壤有机碳（SOC）储存量及其未来的固碳潜力有助于制定目标导向的战略，以扩大土壤碳库。本研究调查了从中国东部四个气候区的相邻林地、高地和稻田中采集的240个重复土壤样本中的颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）的含量，并评估了这些稳定矿物相关有机碳部分的固碳潜力。在温暖的气候条件下（亚热带和热带），土壤有机碳含量通常低于较冷的气候条件（中温和暖温带），且在每个气候区内，稻田 > 林地 > 高地农田的顺序。所有土壤中的有机碳主要由矿物相关有机碳组成，但在温暖的气候条件下，矿物相关有机碳的比例较低。与林地相比，农田利用改变了有机碳的组成：稻田的POC和MAOC含量较高，但稳定性较低；而高地农田的总有机碳含量较低，但稳定性较高。三种生态系统和四种气候条件下的颗粒有机碳的平均碳氮比（C/N）相当（15 ± 3.4），而矿物相关有机碳的碳氮比在亚热带较低（10 ± 2.0）。这些矿物相关有机碳部分碳氮比的差异可以归因于亚热带地区有机物质周转速度快、氮肥施用强度高以及Fe/Al氧化物对含氮有机化合物的强吸附作用。无论气候和土地利用类型如何，通过粘粒+粉粒质量比例与当前矿物相关有机碳含量之间的95百分位数回归分析表明，所有生态系统中的矿物相关有机碳积累均未达到饱和状态。尽管平均矿物相关有机碳饱和度超过60%，但不同土壤之间的显著差异表明仍有较大的固碳潜力，尤其是在中温带地区。这些发现强调了必须根据当地土地利用和气候条件来制定土壤有机碳管理策略，以增加稳定的土壤碳库。

引言

增加土壤有机碳（SOC）储量是一种经济可行的策略，可以缓解气候变化，并同时带来多种协同效益，如提高土壤肥力和健康状况以及增加粮食产量（Lal, 2004）。为了深入理解和预测SOC的动态和固碳潜力，通常根据其不同的形成机制、来源、稳定性以及对环境干扰的敏感性，将SOC分为颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）（Lavallee et al., 2020）。POC主要由植物残体组成，碳含量高且密度低（Chang et al., 2024），在环境变化下容易分解和破坏（Cotrufo et al., 2021）。相比之下，MAOC含有更高比例的微生物代谢产物，通常富含氮（N），由于与土壤矿物的强结合而更具稳定性（Lugato et al., 2021, Poeplau and Don, 2013）。识别这些SOC组分在陆地生态系统中的存在对于评估土壤碳的稳定性和积累潜力至关重要。

气候条件，特别是温度和降水量，是影响植物光合作用和土壤中有机碳输入及转化过程的关键因素（Fujisaki et al., 2018, Cotrufo et al., 2021, Fu et al., 2024）。与较冷的气候相比，温暖的气候由于多作物系统的存在，植物生产力更高，导致更多的植物残体输入土壤（Davidson and Janssens, 2006, Schmidt et al., 2011）。这些增加的输入促进了有机碳的积累，尤其是POC的形式。然而，温暖气候下的最佳温度和湿度也会刺激微生物活动，加速植物残体的分解，从而减少POC的保留（Niu et al., 2024）。快速的分解限制了POC的积累，并降低了微生物产物转化为矿物相关有机碳的效率（Yang et al., 2025）。因此，植物残体输入和分解速率的同步增加导致POC和矿物相关有机碳积累的净增益存在不确定性。

不同的农田管理方式可能对SOC库产生不同的影响。在高地农田中，长期耕作会破坏土壤团聚体结构，增加氧气暴露，从而加速未受保护的POC的分解（Haddaway et al., 2017; Nicoloso et al., 2018; Cai et al., 2021）。稻田的淹水条件减少了氧气的可用性，极大地限制了微生物活动，导致植物残体的缓慢分解（Qiu et al., 2017, Duan et al., 2024a）。同时，淹水增加了可溶于水的化合物从作物残体中渗出，这些化合物容易吸附在矿物表面，从而促进矿物相关有机碳的形成（Davidson and Janssens, 2006, Angst et al., 2021, Hansen et al., 2024）。稻田接收的作物残体量是种植小麦或玉米的高地生态系统的1.6–2倍，进一步促进了POC的积累（Chen, 2016, Liu et al., 2019, Wei et al., 2022）。因此，排水良好的高地农田和积水稻田的管理可能会改变由气候形成的SOC储量及其POC和矿物相关有机碳的组成。

作为稳定矿物相关有机碳部分的固碳潜力被量化为当前矿物相关有机碳含量与其理论最大值之间的差值（Hassink, 1997, Six et al., 2002）。这个最大值被称为矿物相关有机碳饱和能力，由细颗粒部分稳定有机碳的能力决定。通常通过分位数回归模型来估计，这些模型表示细颗粒与当前矿物相关有机碳含量之间的上限关系（Feng et al., 2013, Breure et al., 2025）。全球元分析表明，自然生态系统中的矿物相关有机碳饱和度通常高于农业土壤（Georgiou et al., 2022）。然而，来自具有相似土壤来源和形成过程的相邻生态系统的直接证据仍然缺乏，尤其是在不同气候和土地利用类型的情况下。

中国东部具有从温带到热带的广泛气候梯度，同时也是主要粮食生产区，非常适合研究气候和土地利用如何影响SOC库、组成以及固碳潜力。在这里，我们使用从中国东部四个气候区的相邻林地、高地农田和稻田中采集的240个重复土壤样本，量化了POC和矿物相关有机碳的含量和比例，并评估了矿物相关有机碳的饱和度和固碳潜力。我们提出了三个假设：（i）温暖气候条件下的土壤向SOC中贡献的POC较少，因为较高的微生物代谢活动加速了POC向矿物相关有机碳的转化（Duan et al., 2024a, Wang and Song, 2025）；（ii）与林地和高地农田相比，稻田土壤中含有更高比例的POC，但矿物相关有机碳较少，这是由于淹水和氧气限制导致微生物对有机碳底物的吸收显著减少（Chen et al., 2021）；（iii）高地农田和稻田的矿物相关有机碳饱和度低于林地，主要是由于植物残体输入减少和土壤团聚体的强烈物理扰动，这降低了输入有机物质的保护作用，最终限制了稳定矿物相关有机碳的积累（Even and Cotrufo, 2024, Ma et al., 2024）。

土壤采集

2016年12月至2017年5月期间，从中国东部四个不同气候区（中温带、暖温带、亚热带和热带）的相邻林地、高地农田和稻田中采集了土壤样本。沿气候梯度的典型土壤包括中温带的壤土、暖温带的始成土以及亚热带和热带的淋溶土。四个气候区的年均温度（MAT）和年均降水量（MAP）分别为...

土壤中的有机碳含量

气候、土地利用及其相互作用对SOC、总氮（TN）和土壤碳氮比（C/N）有显著影响（表1）。平均SOC含量顺序为：中温带 > 热带和亚热带 > 暖温带（p < 0.001）。在所有气候区中，稻田土壤中的SOC含量通常最高，而高地土壤中的SOC含量最低（图1A）。重要的是，暖温带和高地土壤中的SOC水平分别低于其他气候区和土地利用类型（图1B, C）。

讨论

通过重复土壤采样和区域尺度分析，我们评估了中国东部相邻林地和农田中SOC的组成、碳氮比、当前饱和度和固碳潜力。SOC含量高度依赖于气候和土地利用类型。尽管中温带地区的表层土壤SOC含量最高（平均为22克/千克），但在过去三四十年中，其SOC水平显著下降（

结论

这项大陆规模的研究提供了关于中温带到热带地区林地与农田中当前易变和稳定SOC组分以及未来SOC固碳潜力的定量证据。研究表明，SOC组成高度依赖于气候和土地利用类型。虽然总体SOC库主要由矿物相关有机碳（MAOC）组成（60%–77%），但中温带较冷气候条件下的土壤富含矿物相关有机碳（77%），而温暖气候条件下的土壤则含有更多的颗粒有机碳（POC）

作者贡献声明

吴金水：写作 - 审稿与编辑，监督，资金获取。Abeer S Aloufi：写作 - 审稿与编辑。苏一荣：写作 - 审稿与编辑，资金获取。Georg Guggenberger：写作 - 审稿与编辑。胡雅军：写作 - 审稿与编辑，研究。张文军：写作 - 审稿与编辑，概念化。曾冠军：写作 - 审稿与编辑，研究。黄道友：写作 - 审稿与编辑，研究。陈向斌：写作 - 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国科学院战略优先研究计划（XDA0440404）、国家自然科学基金（42377348, 42177331, 42130716）、中国博士后科学基金（2025M782508）、湖南省杰出青年学者科学基金（2024JJ2052）以及首都师范大学战略学术领导计划的支持。作者感谢科研院的支援