【转载】The Innovation | 土壤“CO₂湖”：理解和减缓全球气候变化的关键？

十年前有了一个天真的想法：如果土壤中的CO₂没有温室效应，那是否可以把CO₂藏到土壤中，形成一个巨大的气态碳库，以减缓全球变暖？五年前，在尝试将CO₂埋入土壤的过程中，发现土壤CO₂同样会改变土壤空气的温度。龙年春节前，估算了全球土壤CO₂库的大小和周转速率，发现她就像一个多变、隐秘的气态“CO₂湖”，在土壤-大气、有机碳-无机碳以及陆地-水体间架起了碳转化的桥梁，并直接影响地表热量平衡。土壤“CO₂湖”的变化，应该是理解全球气候变化的重要元素，是以有了这篇短文，以期抛砖引玉。

土壤CO₂有温室效应吗？有。土壤CO₂对地表热量平衡有明显的调控作用，并且是陆地碳循环的重要枢纽。工业革命以来，不仅大气CO₂浓度在升高，土壤CO₂碳库也因人类活动干扰而发生巨大变化。但是，相比于大气CO₂，土壤CO₂对全球气候变化的影响远未得到充分关注。本研究提出土壤“CO₂湖”的概念，并阐释了其为全球气候变化研究带来的新视角。

大气CO₂浓度升高被认为是工业革命以来全球变暖的主要原因，为此，人们提出了很多基于自然过程或人为措施的CO₂去除技术。但是，这是否抓住了应对全球气候变化的“牛鼻子”？毋庸置疑，大气CO₂会吸收地表红外辐射，但是若没有土壤对热量的持留作用，地表热量丧失过快，大气CO₂引起的温室效应将大打折扣。作者团队发现土壤和土壤CO₂能直接影响地表的热平衡，即土壤CO₂也有类似的温室效应。同时关注大气CO₂和土壤CO₂的变化，刻画大气吸热和土壤持热的同步变化情况，对全面认识陆地碳循环、发展可持续的气候变化解决方案具有重要意义。

作者团队估算了全球陆地土壤CO₂库的大小及其周转速率。提出了土壤“CO₂湖”的概念，并阐释了土壤“CO₂湖”在碳循环和减缓气候变化中的关键作用。最后，讨论了土壤“CO₂湖”概念可能给全球变化研究带来的新思路。

土壤CO₂浓度通常在0-50,000 ppm之间，且对温度和降水敏感，可以将土壤CO₂库想象成一个隐秘而多变的“CO₂湖”，其湖体随着大量CO₂的输入和输出而快速周转。

对于1米深的全球陆地土壤剖面，假设土壤CO₂浓度平均为20,000 ppm，并且土壤向大气排放CO₂平均为1,000 g C m^-2 year^-1，那么土壤孔隙度分别为50%和25%的土壤剖面中“CO₂湖”的碳储量分别为0.01 Pg C和0.0054 Pg C（图1A），而其周转速率则分别为0.9 Times h^-1和1.9 Times h^-1（图1B）。 

图1 估算的全球土壤剖面（1 m深）中土壤“CO₂湖”的碳库大小（Pg C，A）及其周转速率（Times h^-1，B），以及土壤“CO₂湖”作为陆地碳循环枢纽并调控温室效应的概念图（C）。n: 年周转次数；Ra 和Rh分别指自养和异养呼吸；DIC和NDIC分别指可溶性和非可溶性无机碳。

众所周知，土壤“CO₂湖”对地上碳循环过程有重要影响，每年约有98 Pg C的土壤CO₂进入大气，这些排出地面的土壤CO₂可能被植物重新固定或产生CO₂施肥效应，进而影响植物的光合作用。而其他残留在大气中的土壤CO₂则会加剧温室效应。不过，土壤“CO₂湖”对地下碳循环的影响尚未得到充分阐释。

土壤“CO₂湖”作为陆地碳循环的重要枢纽，在有机物分解、矿物风化与CO₂捕获，以及土壤热平衡之间架起了桥梁（图1C）。一方面，土壤“CO₂湖”连接了有机界和无机界。在土壤动物和微生物活动的“催化”下，土壤CO₂随着枯落物和根系来源碳的矿化而累积，进而加速化学风化、生物-机械化学CO₂捕获和生物钙化；其中大量的无机碳最终可进入水体系统并参与长期碳循环过程。如此，土壤“CO₂湖”在大陆、海洋和大气之间建立了联系，进而有机会影响全球碳循环。另一方面，土壤“CO₂湖”可以改变土壤热平衡。作者团队发现，当土壤CO₂浓度低于7,500 ppm时，土壤气温随土壤CO₂浓度的升高而非线性升高，但当其浓度达到16,900 ppm时，土壤气温转而降低。这种由CO₂浓度介导的对气温的负反馈作用可维持土壤热量的相对稳定，进而调控温室效应。并且，这种相对温和的土壤温度的升高又可以进一步刺激土壤生物的活动，并促进硅酸盐等矿物的风化。最后，土壤生物和植物根系的活动还可以改善土壤团粒结构，增加土壤孔隙度，从而提高土壤持水能力和土壤内空气的体积。土壤团聚体及其孔隙就像“生物地球化学反应器”，有机物、O₂、CO₂、H₂O和矿物质（MM）在其中充分接触并相互作用；如此，土壤“CO₂湖”湖体的大小和及其介导的有机-无机碳转化和长期碳循环过程都将随之得以提高或强化。

关注土壤气态CO₂库有助于勾勒出完整的碳循环相关的全球变化机理图。首先，本研究确定了土壤“CO₂湖”可以作为陆地碳循环的枢纽，因为不管是陆地的地上和地下系统，还是陆地和水体系统都可以通过土壤“CO₂湖”得以连接和调控。

其次，起伏多变的土壤“CO₂湖”看似蕴含巨大的不确定性，实际上为解析全球气候变化提供一个新的维度。与大气CO₂相比，土壤CO₂有巨大的时空异质性，这为充分阐释地球不同地区的气候和环境变化的差异提供了机会。地表水热状况可能是土壤中CO₂-H₂O-MM（CHMM）耦合与大气中CO₂-H₂O耦合过程共同驱动的结果，因此，有必要将大气 CO₂和土壤CO₂结合起来，以更全面地理解CO₂介导的全球变化过程。值得注意的是，当土壤CO₂浓度超过一定水平时，CO₂对土壤温度的效应由正转负。由于不同生态系统的土壤CO₂浓度不同，甚至同一生态系统在不同时间的土壤CO₂浓度也不同，CO₂浓度介导的对土壤温度的负反馈会随着生态系统类型和时间的变化而变化。这也将有助于理解全球气候变化的时空异质性。

再者，土壤CO₂及其相关过程的变化，而不仅仅是普遍认为的大气CO₂浓度的增加，有可能是工业革命以来全球变暖的主要驱动因素之一。当大气中的CO₂浓度随着工业革命而升高时，剧烈的土地利用变化也伴随而来（如大面积砍伐森林），这可能会改变土壤“CO₂湖”的特征、CO₂固定过程以及CO₂相关的热平衡。因此，土壤CO₂相关过程对全球气候变化的影响可能会被大气CO₂的影响所掩盖。

最后，人类完全有机会去调控土壤“CO₂湖”及其相关的全球变化过程。人类活动，如植树造林、免耕、海绵城市建设等，将促进土壤团聚体和重要生物界面的形成，进而有利于土壤中CHMM的耦合，从而维持更稳定、更宜居的生态系统，并加速矿物风化及相关的CO₂固定过程。例如，蚯蚓介导形成的“海绵式资源岛”为CHMM反应提供了理想的空间和基质，利用这种资源岛加速硅酸盐风化过程并形成长期的无机碳汇，将是一项很有前景的研究。此外，机械-化学CO₂捕集过程也可能发生于蚓触圈（Drilosphere），因为蚯蚓肠道内矿物和有机物的充分研磨和混合过程可能促进CO₂在矿物晶格中的吸附。因此，保护自然栖息地不仅有利于保护生物多样性，而且对减缓全球变暖、减少极端气候和保护地球宜居环境都至关重要。

土壤“CO₂湖”可以将主要的碳库和碳循环过程联系起来并加以调控，为理解全球气候变化的机理和不确定性提供了一个全新的维度。

以整个土壤孔隙空间为湖体、以所有土壤矿物颗粒为湖岸的快速周转的土壤“CO₂湖”虽与真正的湖泊截然不同，但她具有湖泊的主要功能，如连接不同的分支和作为短暂的汇。她可能不算是新的碳库，但却是一个功能性的碳循环单元，是全球碳循环的重要枢纽。

将土壤CO₂纳入全球气候变化模型正当其时。亟需探究工业革命以来土壤“CO₂湖”的变化规律，并在人类干扰程度不同的生态系统中建立野外控制实验和监测平台，以全面量化土壤“CO₂湖”对碳循环、气候和环境变化的影响。

责任编辑

赵 琨  南京理工大学

陈 创  中国科学院大连化学物理研究所