Nature Geoscience：土壤碳储量受地球化学与气候的交互控制
编译丨JinTao.Li
摘要
土壤是碳储存的重要场所。气候通常被认为是控制土壤有机碳的主要因素之一，但土壤有机碳对气候变化的响应方向和幅度仍存在很大的不确定性。本研究揭示，地球化学(Geochemistry)也是土壤碳储量的重要控制因素。利用横跨智利和南极半岛的长达4000公里的南北样带，研究人员测定了该样带上24个站点的一系列土壤和气候变量。研究发现，含碳量高的土壤，具备很强的将碳化合物到吸附到矿质土壤的能力，其单位土壤碳呼吸速率也较低；而含碳量低的土壤则相反。降水和温度是碳储量、呼吸、周转时间和稳定机制的次要预测因子。在移除地球化学预测因子后，气候变量与土壤碳变量之间的相关性显著降低。研究表明，气候和地球化学因素的相互作用控制着土壤有机碳的储存和周转，因此在预测当前和未来的土壤碳储量时，必须考虑气候和地球化学因素的共同影响。
原文信息
标题：Soil carbon storage controlled by interactions between geochemistry and climatelobally
期刊：Nature Geoscience
作者：一作&通讯：Sebastian Doetterl【Isotope Bioscience Laboratory, Ghent University】
时间：2015-8-31
DOI：https://doi.org/10.1038/ngeo2516
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研究背景
土壤有机碳(Soil organic carbon; SOC)是最重要的陆地C库之一，和大气碳库之间的碳交换非常活跃。气候和生物因子对SOC的单一或交互影响已在各种空间和时间尺度被广泛研究。一般而言，气候因素被认为是SOC的主要控制因素。因此，地球系统模式(Earth System Model; ESM)预测在未来气候变化背景下，SOC又将会显著反馈于气候变化。然而，最近研究表明，地球化学因素很可能在SOC周转中发挥关键作用，并且ESM中的变量仅能解释部分的不确定性。这表明，当前模型中方法存在缺陷，它们太注重气候对SOC的控制，而忽视了其他因素，如土壤的地球化学性质及其矿物特征(取决于土壤母质和风化阶段)对SOC的影响。由于气候和地球化学相关的土壤研究之间的尺度存在很大差异，因此过去的研究很少评估地球化学各个因素对SOC动态的交互作用。
研究方法
横跨智利和南极半岛的长达4000公里的南北样带，覆盖了广泛的气候和地球化学条件，为研究地球化学及气候因素对SOC的影响提供了理想的自然场所。研究人员沿着这条样带采集了24个站点的表层土壤样品(0-10 cm)并进行了相关的植被调查。为了保证各个站点有相似的的C输入，只对草地或灌木林土壤进行了采样。
为了研究地球化学因素对SOC(包括4个变量：SOC储量、SOC浓度、单位潜在土壤呼吸[specific potential respiration rates; SPR]和SOC组分)的影响，研究人员测定了土壤的以下关键地球化学特征：盐基饱和度(base saturation；BS)、土壤质地、硅(Si)含量、金属含量(Fe、Mn和Al)、Si/Al比、基础阳离子储备(reserve in base cations; TRB)以及土壤肥力指标(pH、P和K)。单位潜在土壤呼吸(SPR)通过室内培养实验测定。研究人员使用多元回归和偏相关来评估气候和地球化学因素对SOC变量的相对贡献。
研究结果
研究发现地球化学和气候因素对SOC的影响之间密切关联。干旱地区(具有极端高温和低温的温度特征)的SOC储量较低，而湿润地区(具有温暖的温度特征)的SOC储量较高。同时，具有高SOC储量的土壤SPR更低(Fig. 1)。湿润地区的生物化学风化速率较高，SOC组分主要为矿物组分，因此，有机-矿物相互作用形成的物理化学屏障阻碍了微生物利用SOC，导致在潮湿地区具有更高的SOC储量；而干旱地区的土壤风化主要受物理因素(温度导致的机械粉碎)驱动，SOC矿物组分较少，缺乏物理化学保护使得分解者能轻易地利用SOC。
Figure 1：SOC响应变量及其相关地理和气候信息
线性回归表明，地球化学参数对SOC响应变量(SOC储量、SOC浓度和SPR)具有最高的预测能力(Table 1)。Si含量是关键预测因子，并且是所有模型中唯一保持的变量。相反，在结合地球化学和气候预测因子的模型中，降水通常不太重要，而温度在任何模型中均不重要。
Table 1: 气候和地球化学因子对SOC响应变量的相对贡献
偏相关分析的结果进一步支持了地球化学因素对SOC的重要性(Fig. 2)。虽然降水和SOC响应变量之间的相关性非常显著(即图2中的零阶[Zero-order])，但偏相关分析表明，移除所有的地球化学指标(即图2中的Geochem)后，降水与SOC储量、SOC浓度和SPR之间的Pearson相关系数显著下降。形成鲜明对比的是，当移除所有气候因子时，SOC响应变量与大多数地球化学预测因子(BS和Si除外)之间的相关性没有如此强烈的下降。而对年均温而言，只有当纳入所有地球化学因子时，年均温和SOC响应变量之间的相关性才有所增加(Fig. 2)。
Figure 2：气候因子和SOC响应变量之间的偏相关性。零阶和偏相关之间的差异表示气候因子和SOC响应变量的依赖性水平。颜色和数字表示相关性的强度和信号。受控变量和零阶之间的颜色没有变化=无依赖性；颜色强度的减少/增加=相关性的损失/增加。
所有这些结果表明，SOC响应变量部分取决于气候变量，但这种关系比和地球化学因子之间的关系要弱得多。Si在其中可能扮演了重要角色，Si含量越高，土壤的SPR越高、SOC储量越低，并且与较低的化学风化程度或和长英质母质有关。总体而言，降水与SOC响应变量具有高度相关性，但由于地球化学变量的主导地位，仅仅是SOC响应变量的弱预测因子。因此，研究结果清楚表明，从长时间尺度来看，气候变量主要是通过对土壤地球化学的影响，从而间接地影响了SOC动态。
研究结论与展望
毫无疑问，在短时间尺度上，气候因素通过异养呼吸和光合作用等过程，直接控制了SOC循环。然而，在十年到百年时间尺度上，气候可能不是SOC的直接控制因素，而是土壤矿物的化学风化。相反，气候在很大程度上可能只是通过控制土壤的风化，间接驱动土壤中的地球化学变化，从而影响SOC。因此，土壤地球化学是预测大范围SOC储量和动态的关键因素。所以，当前SOC的全球分布和气候反馈的不确定性，可能是由于当前全球评估工作和ESM没有充分考虑到土壤地球化学的影响。因为矿物基质最终直接控制了SOC的命运，所以理解气候变化对SOC动态的影响还需要了解气候与土壤地球化学之间的关系。如果ESM仅将气候视为SOC动态的直接控制因子，则可能会出现很大的不准确性。目前ESM中SOC对全球变化的数据大部分来自野外控制实验(如增温、CO2富集实验)，意味着矿物-碳驱动机制的重要性被忽略了，因此纳入这一机制将有助于改善我们对SOC反馈的预测。
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