土壤碳循環(huán)新視角：從割裂到耦合，邁向可調(diào)控氣候緩沖系統(tǒng)

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第22 期 《 土壤碳循環(huán)的新視角：有機(jī)碳?無機(jī)碳?氣候系統(tǒng)的耦合框架 》

準(zhǔn)確理解并有效管理陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，已成為地球系統(tǒng)科學(xué)和可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐的核心挑戰(zhàn)。土壤，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的基石，蘊(yùn)藏著遠(yuǎn)超大氣與植被碳庫(kù)總和的巨大碳儲(chǔ)量，其動(dòng)態(tài)微小波動(dòng)即可深刻影響大氣二氧化碳濃度，從而擾動(dòng)全球氣候。傳統(tǒng)的土壤碳庫(kù)研究的“二元分割”視角日益難以解釋復(fù)雜的觀測(cè)事實(shí)，也限制了我們預(yù)測(cè)土壤碳匯對(duì)未來氣候變化響應(yīng)能力。

本文梳理了SOC與SIC的形成與封存機(jī)理，揭示了SOC與SIC通過生物地球化學(xué)橋梁深度耦合，闡明了兩者在外源因子驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)路徑。最終，提出了面向不同氣候帶與土地利用類型的區(qū)域調(diào)控與碳管理策略，旨在將土壤從被動(dòng)碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍鲃?dòng)調(diào)控的氣候緩沖系統(tǒng)，為深化地球系統(tǒng)理論、優(yōu)化碳中和路徑提供科學(xué)基石。

1 傳統(tǒng)范式的局限：被割裂的碳世界

一方面，SOC的形成與封存是一個(gè)涉及碳輸入、微生物轉(zhuǎn)化、物理化學(xué)保護(hù)及環(huán)境調(diào)控的復(fù)雜過程。早期理論（即“化學(xué)惰性假說”）認(rèn)為，SOC主要源于植物殘?bào)w中難降解的大分子有機(jī)物（如木質(zhì)素、纖維素），其穩(wěn)定性由組分的化學(xué)復(fù)雜性決定。然而，至20世紀(jì)末21世紀(jì)初，學(xué)界認(rèn)識(shí)到SOC的持久性更多取決于其與礦物顆粒的結(jié)合狀態(tài)，而非有機(jī)分子的本征結(jié)構(gòu)。

Lehmann等提出的有機(jī)?礦物復(fù)合體（MAOM）概念成為這一新視角的基石，它指出SOC的長(zhǎng)期封存依賴于有機(jī)質(zhì)與礦物表面形成的穩(wěn)定吸附或絡(luò)合結(jié)構(gòu)；與之相比，顆粒有機(jī)質(zhì)（POM）則受環(huán)境擾動(dòng)影響較大，周轉(zhuǎn)更快。這一認(rèn)知轉(zhuǎn)變使SOC研究的核心從物質(zhì)性質(zhì)轉(zhuǎn)向了環(huán)境界面與能量約束。

此外，土壤團(tuán)聚體提供了另一條關(guān)鍵的物理保護(hù)途徑。Tisdall等提出的“團(tuán)聚體層級(jí)理論”認(rèn)為，微團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳可在數(shù)十至上百年尺度上保持穩(wěn)定（圖1）。

圖1 土壤有機(jī)碳形成和穩(wěn)定過程

與SOC相比，SIC的研究起步較晚，但其在全球碳循環(huán)中占據(jù)著同等重要的地位。SIC主要以碳酸鹽形式存在，可根據(jù)其來源分為2類：源自成土母質(zhì)的原生碳酸鹽，以及通過現(xiàn)代成土過程重新沉淀形成的次生碳酸鹽。SIC的組成與來源直接決定了其在碳循環(huán)中的角色與動(dòng)態(tài)。原生碳酸鹽主要來自母巖的風(fēng)化殘留物（如石灰?guī)r、大理巖），穩(wěn)定性高、周轉(zhuǎn)周期可達(dá)上萬年，構(gòu)成了土壤中相對(duì)惰性的背景碳庫(kù)。相比之下，次生碳酸鹽（又稱成土碳酸鹽）的動(dòng)態(tài)性則強(qiáng)得多，是連接SOC與SIC循環(huán)的核心環(huán)節(jié)。其形成主要依賴3條路徑（圖2）：

• 其一，是巖礦風(fēng)化，為沉淀反應(yīng)提供離子基礎(chǔ)；

• 其二，是生物碳驅(qū)動(dòng)路徑，即SOC礦化和根系呼吸產(chǎn)生的CO2溶解于土壤水形成碳酸，進(jìn)而與Ca2+/Mg2+結(jié)合形成碳酸鹽沉淀；

• 其三，是外源輸入，如農(nóng)業(yè)中施用石灰或地下水補(bǔ)給帶來的碳酸鹽離子。

圖2 SIC的動(dòng)態(tài)循環(huán)與封存路徑

長(zhǎng)期以來，SOC與SIC被視為2個(gè)相互獨(dú)立的碳循環(huán)單元，然而，“二元分離”框架已無法解釋土壤碳循環(huán)的真實(shí)復(fù)雜性。SOC對(duì)SIC的驅(qū)動(dòng)作用首先體現(xiàn)在碳源供給與微環(huán)境重構(gòu)2個(gè)方面（圖3）。“溶解?再沉淀”循環(huán)是SOC與SIC之間物質(zhì)與能量交換的主鏈，其速率與方向?qū)值靥紖R功能具有決定性影響。此外，溶解性有機(jī)碳（DOC）可與Ca2+、Mg2+等離子形成有機(jī)配合物，改變碳酸鹽成核與生長(zhǎng)速率，進(jìn)而調(diào)控SIC的形態(tài)與穩(wěn)定性。

這些過程表明，SOC通過CO2動(dòng)態(tài)與有機(jī)配體化學(xué)雙通路深度介入了SIC的生成與遷移，體現(xiàn)了強(qiáng)烈的生物地球化學(xué)耦合特征。反之，SIC也通過理化調(diào)控與結(jié)構(gòu)保護(hù)作用反饋影響SOC的穩(wěn)定性與周轉(zhuǎn)（圖3）。這種穩(wěn)定的化學(xué)環(huán)境不僅影響有機(jī)質(zhì)的電荷狀態(tài)與酶促反應(yīng)速率，還通過選擇性地塑造微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)碳循環(huán)途徑。

圖3 SOC?SIC系統(tǒng)耦合概念模型

微生物群落是連接SOC與SIC的關(guān)鍵橋梁。更復(fù)雜的生物礦化過程則涉及有機(jī)模板控制的成核與晶體生長(zhǎng)，其結(jié)果是形成具有有機(jī)外殼的碳酸鹽復(fù)合體。這些微生物誘導(dǎo)與調(diào)控機(jī)制不僅強(qiáng)化了SIC的生成速率，也為SOC的持久封存提供了礦物學(xué)路徑。此外，微生物殘?bào)w碳（MNC）在富含碳酸鹽環(huán)境中更易被礦物吸附或包埋，表現(xiàn)出更高的保存率，這意味著微生物群落既是SOC?SIC轉(zhuǎn)化的催化者，也是固碳結(jié)構(gòu)的構(gòu)建者。

2 SOC?SIC?氣候三重耦合框架：揭示土壤碳系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系

新提出的“三重耦合框架”的核心突破在于，在此框架下，氣候因子不再被視為單向的驅(qū)動(dòng)者，而是與土壤碳庫(kù)構(gòu)成相互作用的復(fù)雜反饋環(huán)路：氣候因子控制著碳的輸入與轉(zhuǎn)化速率，而土壤碳動(dòng)態(tài)又反過來調(diào)節(jié)著地?氣界面的CO2通量。這種雙向耦合構(gòu)成了一個(gè)多級(jí)反饋網(wǎng)絡(luò)，最終決定著土壤是扮演長(zhǎng)期碳匯還是瞬時(shí)碳源的角色。在這一耦合框架下，土壤碳庫(kù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)并非單一模式，而是依據(jù)環(huán)境條件的不同，主要表現(xiàn)出3種典型的動(dòng)態(tài)路徑：協(xié)同增強(qiáng)、權(quán)衡補(bǔ)償與臨界失穩(wěn)（圖4）。

圖4 土壤有機(jī)碳?無機(jī)碳?氣候三重耦合框架

在協(xié)同增強(qiáng)路徑中，適度升高的CO2濃度與溫和的水熱條件共同提升了植被生產(chǎn)力，從而增強(qiáng)了根系碳輸入與微生物活動(dòng)，有利于SOC的積累；與此同時(shí)，根際呼吸產(chǎn)生的CO2在土壤溶液中形成碳酸根離子，促進(jìn)了次生碳酸鹽的沉淀。這種有機(jī)碳與無機(jī)碳的協(xié)同固存不僅放大了土壤的碳匯效應(yīng)，還通過固定CO2對(duì)氣候系統(tǒng)形成負(fù)反饋。

然而，在干旱?半干旱區(qū)或存在顯著水文波動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)中，權(quán)衡補(bǔ)償路徑更為常見。此時(shí)，SOC的積累與SIC的形成往往呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。這一動(dòng)態(tài)權(quán)衡揭示了土壤總碳庫(kù)的非加性特征，即SOC與SIC的變化不可簡(jiǎn)單線性相加，必須考慮其相互替代與能量補(bǔ)償效應(yīng)。

當(dāng)外界脅迫（如持續(xù)酸化、鹽漬化或極端干旱）超出土壤系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閾值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)入臨界失穩(wěn)路徑。該機(jī)制對(duì)于理解和預(yù)警區(qū)域碳匯突變及土地退化的碳效應(yīng)具有重要的警示意義。

在自然系統(tǒng)固有的非線性基礎(chǔ)上，人類活動(dòng)作為強(qiáng)大的外生擾動(dòng)，進(jìn)一步放大和復(fù)雜化了SOC?SIC?氣候之間的反饋強(qiáng)度。因此，在這個(gè)三重耦合系統(tǒng)中，人類活動(dòng)既可能成為碳匯的放大器，也可能成為系統(tǒng)失穩(wěn)的誘發(fā)因子，其凈效應(yīng)取決于具體的管理方式、區(qū)域氣候背景與土壤類型的綜合作用。

3 SOC?SIC耦合的區(qū)域調(diào)控與碳管理策略：從機(jī)制認(rèn)知到實(shí)踐路徑

基于SOC?SIC?氣候三重耦合框架，本研究構(gòu)建了一個(gè)“機(jī)制驅(qū)動(dòng)—管理優(yōu)化—碳匯增強(qiáng)”的實(shí)踐路徑，強(qiáng)調(diào)通過整合生態(tài)過程、地球化學(xué)條件與人為干預(yù)，在不同生態(tài)區(qū)和土地利用類型中實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)與無機(jī)碳庫(kù)的協(xié)同提升。

在區(qū)域尺度上，SOC與SIC的耦合格局沿水分梯度呈現(xiàn)顯著分異，這要求管理策略必須因地制宜。此處的策略應(yīng)著眼于促進(jìn)SOC分解所釋放的CO2向穩(wěn)定的次生無機(jī)碳轉(zhuǎn)化，其形成受土壤CO2分壓、Ca2+遷移和蒸發(fā)強(qiáng)度共同調(diào)控。這種鮮明的氣候帶依賴性，是實(shí)現(xiàn)SOC與SIC協(xié)同增匯、提升土壤系統(tǒng)整體碳匯功能的基礎(chǔ)。

從元素循環(huán)的宏觀視角看，鈣無疑是連接SOC與SIC循環(huán)的“化學(xué)樞紐”，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期碳固存的關(guān)鍵介質(zhì)。調(diào)控策略可沿著“補(bǔ)鈣—穩(wěn)碳—封碳”的邏輯鏈條展開。這條融合了地球化學(xué)與生態(tài)過程的路徑，為區(qū)域碳匯能力的重建提供了核心的機(jī)制支撐。

微生物過程強(qiáng)化，特別是MICP技術(shù)，是推動(dòng)土壤碳匯從基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用的前沿方向。MICP技術(shù)具有低能耗、生態(tài)兼容性好和所形成的礦物穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，有潛力構(gòu)建高效的“植物?微生物?礦物”三元固碳體系。未來的工作重點(diǎn)在于優(yōu)化功能微生物群落的代謝路徑，開發(fā)精準(zhǔn)的過程調(diào)控系統(tǒng)，并全面評(píng)估該技術(shù)在不同土壤類型中的實(shí)際碳匯潛力與氣候協(xié)同效應(yīng)。

盡管我們強(qiáng)調(diào)了SIC在不同氣候帶和土地利用類型下呈現(xiàn)的高度動(dòng)態(tài)性，但這一特征在現(xiàn)行的國(guó)家與全球碳匯核算體系中仍未得到充分體現(xiàn)。未來的碳匯計(jì)量需在3個(gè)層面進(jìn)行調(diào)整：

• 其一，在清單層面，應(yīng)將次生碳酸鹽的形成與溶解納入溫室氣體清單并建立區(qū)域化的SIC監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以反映土壤?大氣?水體之間的真實(shí)碳通量；

• 其二，在模型層面，應(yīng)將碳酸鹽化過程、Ca循環(huán)與根際CO2微環(huán)境等關(guān)鍵機(jī)制嵌入現(xiàn)有陸面模型，增強(qiáng)其在干旱區(qū)與石灰性土壤中的適用性；

• 其三，在政策層面，有必要構(gòu)建能夠同時(shí)激勵(lì)SOC與SIC提升的核算體系，使固碳潛力不再局限于有機(jī)碳維度，而能體現(xiàn)無機(jī)碳庫(kù)在地質(zhì)時(shí)間尺度上的穩(wěn)定性與長(zhǎng)期貢獻(xiàn)。

綜上，SOC?SIC耦合的區(qū)域調(diào)控與碳管理代表著土壤科學(xué)與氣候政策交匯的前沿。展望未來，亟需構(gòu)建一個(gè)“機(jī)制?模型?管理?政策”的一體化框架，并借助跨尺度觀測(cè)與數(shù)據(jù)同化技術(shù)來量化協(xié)同固碳的實(shí)際潛力，從而將土壤從被動(dòng)的碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍鲃?dòng)調(diào)控的氣候緩沖系統(tǒng)，為全球碳中和與土地可持續(xù)管理奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)根基。

本文作者：汪怡珂、于點(diǎn)、黃元元

作者簡(jiǎn)介：汪怡珂，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士后，研究方向?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳及相關(guān)模型構(gòu)建；黃元元（通信作者），中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳、水、氮和磷循環(huán)的模擬及預(yù)測(cè)。

文章來 源 ： 汪怡珂, 于點(diǎn), 黃元元. 土壤碳循環(huán)的新視角：有機(jī)碳?無機(jī)碳?氣候系統(tǒng)的耦合框架[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(22): 23?38 .

本文有刪改，

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