科研進展

地理資源所黃元元課題組等在Science發(fā)布關(guān)于全球土壤無機碳分布格局及其動態(tài)的研究進展

日期:2024-04-12

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信息介紹

近日,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所黃元元課題組聯(lián)合中國科學(xué)院南京土壤研究所張甘霖課題組同來自北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)及澳大利亞、美國、法國、德國、埃及、俄羅斯和奧地利等多國的26家單位相關(guān)學(xué)者,使用數(shù)字土壤制圖技術(shù)估算了全球2 m土壤內(nèi)無機碳的儲量為2305 PgPg:?十億噸),未來30年內(nèi)氮添加相關(guān)土壤酸化將導(dǎo)致表層土壤(0.3 m)丟失23 Pg無機碳,當(dāng)前每年1.13 Pg的無機碳會通過土壤流失至內(nèi)陸水體。作為參考,全球植物的碳儲量大約為450 Pg,人類活動每年向大氣碳排放約9.5 Pg,而全球1m土體土壤有機碳儲量約為1500?Pg。該研究首次揭示了全球尺度土壤無機碳儲量的脆弱性,對精準(zhǔn)模擬預(yù)測氣候變化下的土壤碳庫的動態(tài)具有重要意義。

研究成果以“Size,distribution and vulnerability of the global soil inorganic carbon”為題,于2024411日在線發(fā)表于Science,黃元元與宋效東為論文共同第一作者,黃元元與張甘霖為論文共同通訊作者。?

文章簡介

土壤是地球表層最大的碳庫之一,在應(yīng)對全球氣候變化方面具有重大作用。土壤碳庫主要包括土壤有機碳和無機碳兩部分,土壤有機碳或無機碳的微小變化均可能導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度的較大變化。

在自然狀態(tài)下,土壤無機碳基本處于平衡的狀態(tài),主要包括原生碳酸鹽(來源于成土母質(zhì),未經(jīng)風(fēng)化成土作用)與次生碳酸鹽(土壤發(fā)育過程中形成的產(chǎn)物),存在著“土壤有機碳???二氧化碳???土壤無機碳”的微循環(huán)系統(tǒng)。隨著全球變化和全球碳循環(huán)研究的深入,國內(nèi)外關(guān)于土壤有機碳庫的時空分布、碳排放定量評估、碳循環(huán)、驅(qū)動因素與調(diào)控機制研究已取得重要進展。土壤無機碳主要以碳酸鹽的形式存在,更新周期較長且相對穩(wěn)定,通常認(rèn)為其對現(xiàn)代碳循環(huán)的貢獻(xiàn)較小,在碳循環(huán)研究中經(jīng)常被忽略,然而大量人為活性氮的引入可能打破這種平衡。

針對上述研究缺陷,研究人員收集構(gòu)建了全球土壤無機碳數(shù)據(jù)集(55077個土壤剖面,223593個樣本),通過融合影響土壤無機碳變化的驅(qū)動因素,開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的雙類別土壤無機碳密度預(yù)測模型,系統(tǒng)估算了全球2?m土壤無機碳的儲量及其空間分布格局,識別了驅(qū)動土壤無機碳空間變異的主要環(huán)境變量。通過構(gòu)建無機碳與土壤pH的通用函數(shù)關(guān)系揭示了碳酸鹽的化學(xué)計量特征,進而面向不同共享社會經(jīng)濟路徑(SSP)情景,闡明了pH變化與無機碳儲量的空間耦合機制,估算了本世紀(jì)末土壤pH的變化對表層土壤無機碳(0.3?m)的影響。

???結(jié)果

準(zhǔn)確揭示了全球土壤無機碳分布格局。地表2?m土壤儲存了2305±636 (±1?SD)?Pg?的無機碳。與傳統(tǒng)觀點一致:高無機碳密度主要分布在干旱地區(qū)(例如中東、非洲撒哈拉沙漠、北美洲中西部)。研究發(fā)現(xiàn)在寒濕帶、暖濕帶地區(qū)土壤(尤其是富鈣沖積物或鈣質(zhì)母質(zhì)的靠近河流、湖泊和沿海地區(qū))也儲存了大量的無機碳;地質(zhì)條件與風(fēng)成作用在局地尺度對無機碳儲量具有較強影響,例如喀斯特地區(qū)土壤主要含有巖石化無機碳(原生碳酸鹽),黃土沉積導(dǎo)致中亞地區(qū)土壤富含碳酸鹽。

干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)面積雖不足全球的一半,卻儲存了全球80%的土壤無機碳,干旱土、新成土貢獻(xiàn)了50%的土壤無機碳儲量(~1150?Pg),土壤無機碳儲量前5高的國家分別是俄羅斯、美國、中國、加拿大、澳大利亞。

土壤pH調(diào)控全球土壤無機碳分布。基于合作博弈機制計算每個環(huán)境變量的平均邊際貢獻(xiàn)率,夏普利值(Shapley?value)揭示:土壤pH貢獻(xiàn)了無機碳有無空間變異的29%?;?/span>Sigmoid函數(shù)量化了土壤無機碳與pH的耦合關(guān)系,這種耦合關(guān)系在不同土壤類型、深度、植被覆蓋條件下發(fā)生顯著變化。強堿性地區(qū)的深部土壤比表層土壤儲存了更多的無機碳,說明如果整個土體發(fā)生相同程度的酸化,深度土壤可能會流失更多的無機碳。

量化了未來不同情景下土壤酸化對全球土壤無機碳儲量的影響。至本世紀(jì)末,表層土壤pH降低0.1-0.5,可能會導(dǎo)致全球土壤無機碳丟失9-55?Pg,丟失潛力最高的5個國家分別是美國、澳大利亞、阿根廷、俄羅斯、墨西哥。未來全球變暖及其對水文循環(huán)的改變可能會導(dǎo)致土壤pH的變化,間接地導(dǎo)致表層土壤無機碳儲量在SSP1-2.6(氣溫上升1.8?C)、SSP2-4.5(氣溫上升2.7?C)、SSP5-8.5(氣溫上升4.4?C)情景模式下分別下降1.35?Pg、3.45?Pg、5.83?Pg,全球農(nóng)田土壤無機碳則分別降低0.43?Pg0.35?Pg、0.18?Pg

在土壤無機碳時空預(yù)測模型的基礎(chǔ)上,耦合了土壤pH變化、氮肥施用量、未來氮肥管理政策情景。至2050年,由氮沉降與氮肥施用共同導(dǎo)致的土壤酸化會繼續(xù)降低土壤無機碳,在SSP1-2.6-High-Ambition-N(低N投入)、SSP2-4.5-Medium-Ambition-N(中等N投入)、SSP5-8.5-Low-Ambition-N(高N投入)復(fù)合情景下會分別丟失10?Pg、14?Pg、23?Pg,在SSP5-8.5-Low-Ambition-N情景下,由于農(nóng)田土壤的快速酸化,印度與中國的土壤無機碳潛在耗散最高。

此項研究受國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B)和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究共同支持。

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原文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7918



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