全球干旱区土壤有机碳的持久性与周转：放射性碳证据揭示千年古老碳的脆弱性

《Nature Communications》：Persistence and turnover of soil organic carbon in global drylands

本文针对干旱区土壤有机碳（SOC）周转预测存在巨大不确定性的难题，研究人员在全球97个干旱区站点同时测定了土壤有机碳和呼吸释放CO2的放射性碳（Δ14C），发现呼吸CO2平均年龄（~520年）远超模型预测，且包含大量千年古老碳，挑战了古老碳被物理化学保护的固有认知，强调需将古老碳的脆弱性纳入模型与土地管理策略。

　　

在地球上，有一类广袤而特殊的区域——干旱区。这里的干旱指数（降水量与潜在蒸散量之比）低于0.65，它们覆盖了全球约41%的陆地面积，构成了地球上最大的陆地生物群落。这些看似荒凉的土地，实际上在全球碳循环中扮演着举足轻重的“调节者”角色，储存着约240 Pg的土壤有机碳（SOC）。更为关键的是，干旱区主导着陆地碳循环的年际变异和长期趋势，其土壤碳库的动态变化，深刻影响着全球气候。然而，准确预测干旱区的碳通量，却面临着一个核心难题：我们对其土壤有机碳究竟能“存留”多久、以多快的速度“周转”知之甚少。传统观点认为，土壤中那些古老的碳（年龄达数百年甚至数千年）被紧密地包裹在土壤团聚体中，或者被牢固地吸附在矿物表面，从而得到了“保护”，难以被微生物分解。但事实果真如此吗？这种认知上的局限，导致了当前地球系统模型（ESMs）和机器学习模型在预测干旱区土壤碳储存对未来气候变化的响应时，存在巨大的不确定性。为了破解这一谜题，一项横跨六大洲、涵盖97个干旱区站点的宏大研究就此展开，其成果最终发表在了《自然-通讯》（Nature Communications）上。

为了深入探究全球干旱区土壤有机碳的年龄与周转，研究人员综合运用了多种关键技术与方法。研究团队从全球六大洲的97个干旱区站点采集了表层土壤样本，构建了涵盖广泛环境梯度的样本队列。核心技术包括：利用放射性碳（¹⁴）测年技术，同时测定土壤有机碳和实验室培养条件下土壤呼吸释放的CO₂ 的Δ¹⁴C值，以此量化碳的年龄；通过稳定碳同位素（δ¹³C）分析，评估并校正了土壤无机碳（SIC）对呼吸CO₂的可能贡献，确保数据的准确性；基于测得的Δ¹⁴C数据，使用一池和两池模型估算土壤有机碳的平均年龄和周转时间（或称传输时间）；此外，还系统测定了与碳循环相关的环境变量（如干旱度、净初级生产力NPP）和土壤性质（如SOC含量、pH、粘粉粒含量、草酸盐提取态Fe+Al氧化物等），并采用线性混合效应模型、分段回归和随机森林模型等统计方法，系统分析了控制Δ¹⁴C变化的关键驱动因素及其潜在阈值。

放射性碳特征与平均年龄

研究表明，全球干旱区土壤有机碳的Δ¹⁴C值均为负值（平均-190.0‰），这意味着其整体碳库中包含的、过去约60年形成的“炸弹碳”（源于上世纪中叶大气核试验）贡献极少。相比之下，呼吸释放的CO₂的Δ¹⁴C值（平均-39.2‰）显著高于土壤有机碳。这证实呼吸CO₂来源于更新、更快分解的碳库混合物。通过一池模型估算，土壤有机碳的平均年龄约为2100 ± 140年，而呼吸CO₂的平均传输时间约为520 ± 30年。后者远长于当前机器学习模型（约37年）或地球系统模型的预测，揭示出模型严重低估了干旱区碳周转的时间尺度。

放射性碳特征的关键预测因子

线性混合效应模型分析显示，对于土壤有机碳的Δ¹⁴C，干旱度、净初级生产力和土壤有机碳含量是最主要的预测因子。与以往包含更多生态系统的全球综述不同，在干旱区，干旱度的重要性超过了年均温（MAT）。对于呼吸CO₂的Δ¹⁴C，土壤有机碳含量是比气候和植被变量更重要的预测因子。研究还发现，土壤有机碳与呼吸CO₂之间的Δ¹⁴C差异，随着干旱度增加、净初级生产力和土壤有机碳含量下降而增大，表明在更干旱的条件下，快速循环碳库与慢速循环碳库之间的脱钩加剧。

与关键驱动因子的关系及阈值

分段回归分析揭示了非线性响应关系。土壤有机碳的Δ¹⁴C随干旱度增加而降低（即年龄变老），并在干旱度约0.87处出现一个急剧下降的阈值。这个阈值高于此前报道的植被覆盖/生产力（干旱度约0.54）和土壤有机碳含量（干旱度约0.70）发生突变的阈值。这意味着，当干旱度超过0.87时，植物碳输入极度减少，加上再湿润后呼吸的碳年龄变老，共同导致残留土壤有机碳的放射性碳含量骤降，意味着数千年古老碳的损失。相比之下，呼吸CO₂的Δ¹⁴C对干旱度和净初级生产力的敏感性较低，且未表现出如土壤有机碳那样明显的土壤有机碳含量阈值。

古老碳对呼吸的贡献

通过两端元混合模型估算，平均有23 ± 3%的呼吸CO₂来源于具有土壤有机碳Δ¹⁴C特征的“古老”碳库。即使考虑到矿物结合有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）的分组，估算的MAOC对呼吸的贡献均值也达14 ± 2%。这直接证明，那些通常被认为是稳定、受“保护”的、已存留千年的古老碳，在土壤再湿润时仍然可以被微生物分解并释放。这挑战了古老碳在干旱环境中不可被分解的长期假设。

本研究通过对全球干旱区土壤有机碳与呼吸CO₂的放射性碳进行大规模配对分析，得出了几个颠覆性的核心结论，具有重要的科学意义。首先，研究发现干旱区土壤有机碳主体由数百至数千年前固定的古老碳构成，新近固定的“炸弹碳”贡献微乎其微。其次，尽管微生物优先分解相对年轻的碳，但呼吸释放的CO₂中平均有约四分之一来源于古老碳库，证明即使存留千年的碳，在再湿润条件下仍可被分解，这从根本上挑战了古老碳被物理或化学“保护”而免于分解的传统范式。第三，基于呼吸CO₂Δ¹⁴C估算的平均传输时间（约520年）比当前主流模型预测的长一个数量级，表明现有模型严重低估了干旱区碳周转的时标，未能准确表征其关键过程。第四，在干旱区生态系统中，干旱度（而非温度）是控制土壤有机碳存留和周转时间的主导环境因子，主要通过影响植物碳输入和土壤有机碳含量来实现。研究还识别出一个关键的干旱度阈值（约0.87），超过此阈值，土壤碳库将急剧转向更古老的状态，同时古老碳的损失风险增加。

这些发现深刻改变了我们对干旱区碳循环的理解。它意味着，干旱区观测到的大规模降雨后CO₂脉冲以及碳通量的显著年际变异，不仅源于新近同化的碳，也源于封存了数百至数千年的古老碳的再矿化。这是一个先前未被充分重视的、使长期储存碳重新返回大气的途径。在当前气候持续变暖、干旱化加剧的背景下，干旱区的扩张可能一方面增加土壤有机碳的整体存留时间，另一方面却削弱其安全封存古老碳以及从大气中吸收新碳的能力。这可能会削弱干旱区作为长期碳汇的角色，并加速长期储存碳向大气的回归，从而放大碳-气候正反馈。该研究强烈呼吁，必须将古老碳的脆弱性这一关键过程纳入下一代地球系统模型以及干旱区的土地管理策略中，以减少预测不确定性，并为应对气候变化提供更可靠的科学依据。