兰州大学GCB发文揭示草原和沙漠土壤中无机碳库及其驱动因素

题目：

Inorganic Carbon Pools and Their Drivers in Grassland and Desert Soils 

期刊： 

Global Change Biology  

第一作者：

Longwei Dong

第一发表单位：  

兰州大学

无机碳是土壤碳储量的重要组成部分，对气候变化和生态系统功能产生深远影响。干旱区在全球前200厘米的土壤中占了大约80%的无机碳库。尽管其重要性显著，但无机碳的组成部分及其对CO₂通量的贡献往往被忽视，导致人们对其在不同生态系统中的分布、组成及其对环境因素反应的理解存在显著差距，尤其是在沙漠和温带草原中。通过对覆盖224万公顷、173个站点的6011个样本的研究，数据表明中国西北部的沙漠和草原在前100厘米土层中分别储存了20 ± 2.5 和 5 ± 1.3 千亿吨的无机碳，分别是相应土壤有机碳储量的5.5倍和0.76倍。草原中的无机碳主要由成土碳酸盐（PIC）组成，占无机碳总量的60%，区域加权密度为3.4 ± 0.4 kg C m⁻²，主要形成于前100厘米的土层中；而沙漠中以源自土壤母质的岩石碳酸盐（LIC）为主，占无机碳总量的55%，区域加权密度为7.1 ± 1.0 kg C m⁻²。土壤母质和海拔决定了沙漠中LIC的形成与流失，而草原中自然酸化作用（主要由根际过程引起的阳离子吸收和氢离子释放以及降水）减少了PIC。总体而言，大规模的无机碳库在维持干旱区的碳储量中发挥了不可替代的作用。本文揭示了LIC和PIC的组成并强调了自然酸化对草原中SIC损失的关键影响。

土壤碳，包括土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC），是大气CO₂的重要来源。因此，SOC和SIC在调节气候变化和生态系统服务中起着至关重要的作用。虽然已经进行了广泛的研究来评估SOC在地方、区域和全球范围内的分布和组成，但SIC库却很少受到关注。这一忽视源于一种普遍的假设，即SIC是一个惰性的碳库，平均驻留时间约为78000年。然而，SIC在全球54%的土壤中占主导地位，尤其是在前200厘米的土壤中，其中80%主要位于干旱区。因此，SIC对大气CO₂浓度和碳循环具有深远的影响，尤其是在干旱区。

在水分添加、矿物肥料施用、大气氮沉降和CO₂浓度升高等因素的影响下，SIC的增减变化显著。因此，迫切需要评估SIC的组成部分及其储量，以及它们的动态，以理解干旱区碳库对气候变化的影响。

SIC主要由岩石碳酸盐（LIC）、成土碳酸盐（PIC）和生物碳酸盐组成。然而，由于生物碳酸盐的储量相对较小且性质与成土碳酸盐相似，本文并不专门讨论生物碳酸盐。LIC主要源自土壤母质岩石，在降水量较低的干旱环境中，LIC的溶解、流失和转化为PIC的过程受到限制。相比之下，PIC主要通过碳酸盐的溶解和再沉淀形成，或通过硅酸盐风化产生的Ca²⁺与根和微生物呼吸过程中产生的HCO₃⁻结合形成。这些过程显著受土壤水分和CO₂浓度的影响。

在干旱区，降水结合来自根和微生物呼吸的土壤CO₂的增加，刺激了LIC的溶解，最终形成并积累PIC。因此，区分SIC的组成部分（即LIC和PIC）并理解其驱动因素，提供了关于SIC如何影响生态系统功能，尤其是干旱区碳循环的重要见解。

考虑到SIC在干旱区陆地碳-气候反馈中的关键作用，越来越多的研究开始关注SIC的分布及其对土壤酸化的响应。例如，自1960年代以来，氮肥的施用被认为是全球农田SIC持续减少的主要原因。最近的研究还表明，造林减少了中性和碱性土壤中的SIC，主要是通过增加SOC并随后降低土壤pH值，突显了自然酸化在SIC动态中的重要作用。

土壤酸化大致可分为人为酸化和自然酸化，这取决于氢离子（H⁺）的来源。前者主要由大气氮沉降和氮肥施用引起，而后者则主要由生物固氮、根系释放的有机酸以及微生物和根系呼吸产生的CO₂的溶解引起。这两类过程共同对自然生态系统中的SIC动态及其组成部分产生了显著影响。然而，人为和自然酸化对干旱区SIC组成和储量的大规模影响尚不明确，这限制了我们对未来气候变化下干旱区土壤碳储量反馈的理解。

中国的干旱区约占全球干旱区的11%，覆盖了中国土地面积的53%。这些区域主要由温带沙漠和温带草原生态系统组成。温带沙漠主要位于干旱和极干旱区，植被稀疏，年均降水量低于200毫米，而温带草原主要分布在半干旱和干旱亚湿润地区，植被较为密集，年均降水量为200毫米至500毫米。这些干旱区随着干旱程度的增加，生物多样性、植被生产力、微生物和酶活性以及土壤养分迅速下降。因此，它们是研究SIC组成、分布模式及其随干旱变化的驱动因素的理想对象。

考虑到SIC组成和储量与植被和土壤固有特征在大尺度上的密切关系，以及其对土壤酸化的敏感性，我们提出了两个假设：(i) 由于干旱限制了溶解过程和生物活动，沙漠中的SIC主要由LIC组成，其分布主要受无生物因素（如土壤母质）的影响；(ii) 相比之下，由于PIC的形成和积累主要由生物化学风化过程以及根和微生物呼吸驱动，草原中植物和微生物的较高丰度将导致SIC主要由PIC组成，其分布主要受生物因素影响。

为了验证这些假设，我们采集了覆盖中国干旱区的173个站点的6011个土壤样本，测量了根系生物量、SOC和SIC含量，以及沿南北走向样带的SIC组成部分（PIC和LIC）。我们还研究了气候因素（如年均温和年均降水量）、土壤因素（如土壤母质、土壤pH值、电导率、砂质和淤泥含量）、地理因素（如经度、纬度和海拔）以及氮沉降对沙漠和草原中SIC组成及储量的影响。

（注：以上翻译来着ChatGPT，具体文章内容请以原文内容为准。若解读有误欢迎探讨指正。）

Fig. 1: Sources of hydrogen ions (H+) and changes in ions (Ca2+, Mg2+, HCO3−, CO32−) from temperate grassland (left) to temperate desert (right). Soil H+ is primarily released during cation uptake by plants, dissolution of CO2 from roots and microbial respiration, SOC mineralization, and nitrification.

Fig. 2: Distribution of sampling sites (total 173) and vegetation types in China's drylands. Me-Steppe: meadow steppe, Ty-Steppe: typical steppe, De-Steppe: desert steppe, Sa-Desert: temperate saline desert, Sr-Desert: temperate shrubby desert, Se-Sr-Desert: temperate semi-shrubby and dwarf semi-shrubby desert, Se-Ar-Desert: temperate dwarf semi-arboreous desert. White areas represent non-arid regions. The color points in insets indicate the different vegetation types within the sampling sites. Map lines delineate study areas and do not necessarily depict accepted national boundaries.

Fig. 3: Spatial distribution of soil inorganic carbon (SIC) density in the top 100 cm depth in drylands and vertical distribution of SIC, pedogenic carbonates (PIC), and lithogenic carbonates (LIC) densities as a function of vegetation type. The numbers in parentheses (dark green for PIC and blue for LIC) represent the corresponding density at 0–100 cm. Whiskers indicate the standard error of the PIC and LIC densities. Map lines delineate study areas and do not necessarily depict accepted national boundaries.

Fig. 4: Densities of SIC and SOC and their proportions at 0–100 cm among vegetation types in drylands (a) and among ecosystems in China (b). The numbers in the histogram represent SOC and SIC densities at 0–100 cm among vegetation and ecosystem types. SIC density in grassland, crop, and forest ecosystems is from the study of Mi et al. (2008). SOC density in these ecosystems is from Dong et al. (2022) and Tang et al. (2018).

Fig. 5: Increasing mean squared error (MSE) and relative contribution of environmental factors for SIC density at 0–100 cm in desert (a and c) and grassland (b and d) ecosystems. The insets (the circle) in (a) and (b) show the relative contributions of soil (orange), climate (green), geographical (blue) and other factors (brown) to the variability of SIC density at 0–100 cm in deserts and grasslands. *and **indicate significance levels at p < 0.05 and p < 0.01, respectively.