全球深层土壤有机碳分布有什么规律？受哪些因素影响？
What are the patterns of global deep soil organic carbon distribution? What factors influence it?
土壤碳库知道吗，近日，中国科学院大学研究团队的一项新的研究，通过整合全球14,550个站点的17,984组土壤剖面数据，结合机器学习模型，揭示了全球57%的土壤碳其实储存在20-100厘米的深层土壤中，全球20-100厘米深层土壤储碳量高达803万Pg C（1Pg = 10¹⁵克），这些深层土壤有机碳分布有什么规律呢？受哪些因素影响呢？
深层土壤有机碳分布
土壤是地球上最大的陆地碳库之一，储存的碳量是大气的三倍以上，过去的研究大多集中在表层0–20厘米土壤，因为这里植物根系和凋落物丰富，碳输入明显，然而，20–100厘米深层土壤虽然碳浓度较低，但由于其体积庞大，总储量甚至可能超过表层。而且深层碳的稳定性较高，这里的碳通常与矿物质结合，或受到低温、缺氧环境的影响，分解速度较慢。然而，随着全球变暖，微生物活动增强，这些深层土壤碳可能被重新释放进入大气，进一步加剧气候变化。
深层土壤有机碳研究方法
研究团队整合了全球14,550个站点的17,984份土壤数据，涵盖耕地、草地和森林三种主要生态系统，这些数据不仅包括土壤有机碳含量，还涉及土壤容重、黏土比例、pH值等关键指标，然后通过“质量保持样条法”（Mass-Preserving Spline），将不同深度的数据标准化为20厘米间隔的分层数据，通过质量守恒约束，使得每一层的碳总量等于 原始数据对应层的碳总量。
深层土壤有机碳计算
$text{SOC密度} =text{SOC浓度} times text{土壤容重}timestext{土层厚度} times (1 - text{碎石含量}/100) / 10$
然后通过β值量化土壤有机碳随深度递减的速率，Y代表从地表到深度d（厘米）的土壤有机碳累积比例，β值介于0和1之间，数值越大，说明土壤有机碳在深层分布越均匀。
$Y = 1 -beta^{d}$
然后通过已知的表层土壤的有机碳密度$X_{d_0}$ ，和衰减系数$beta$，可推算整个1米土层的碳储量，公式如下，极大降低了大规模深层采样的成本， $X_{100}$为0–100厘米整层土壤的有机碳密度，$d_0$表示表层深度。
$X_{100} = frac{1 - beta^{100}}{1 - beta^{d_0}} cdot X_{d_0}$
深层土壤有机碳的分布特征
通过数据分析发现，全球20-100厘米土层中储存了803Pg C，不同类型生态系统的深层土壤有机碳密度存在显著差异。其中森林贡献最大，其次是草地和农田。森林生态系统在20-100厘米土层中平均储存了97Mg C/公顷（Mg C=10⁶ 克=1吨），草地生态系统为70Mg C/公顷，农田生态系统只有62Mg C/公顷。
然后，深层土壤有机碳密度随着深度呈现稳定的递减规律，数据显示，从20厘米开始，每向下20厘米一个层级，碳密度呈现规律性下降。这种垂直分布模式用β值量化显示，全球农田的β值为0.9731，草地的β值为0.9772，森林的β值为0.9790，β基本接近1，碳在深层分布较均匀。
图：研究地点的地理分布及 不同生态系统和土壤质地下0–100厘米土壤剖面中土壤β值的变化
（a） 红点、黄点和蓝点分别代表农田、草地和林地。（b） 经方差分析和Duncan’s新多极差检验，研究地点的土壤β值在不同生态系统中存在显著差异。图 （c） – （e） 分别显示了农田、林地和草地中沙土、壤土、粘壤土和粘土的土壤β值 变化。
影响深层土壤有机碳的分布的因素
通过机器学习模型，研究人员发现，温度升高β值增大，降水增加β值减小，年均温每升高1°C，β值增加0.002，当年降水量超过1000毫米后，β值会明显降低。也就是暖热地区如热带的土壤有机碳深层分布更均匀，可能是由于高温促进微生物活动，使碳向下迁移；而多雨地区的表层土壤有机碳易被淋溶流失，导致深层碳比例降低。一个典型的例子是北极冻土区，虽然寒冷减缓了分解，但一旦变暖，这些长期封存的碳可能迅速释放。
不同的土壤性质也同样影响着β值，比如粘土含量、pH值等。当粘土含量超过30%时，β值明显下降，同样，强酸或强碱土壤β值也会显著下降，深层土壤有机碳分布也更不均匀，还有一个就是土壤碳氮比大于10时，β值降低，也就是土壤氮限制可能促进碳向深层移动。此外，地下净初级生产力与β值呈现非线性关系。
地下净初级生产力（Belowground Net Primary Productivity, BNPP）
地下净初级生产力（Belowground Net Primary Productivity, BNPP）是指植物通过光合作用固定的碳中，专门分配给地下部分的净碳量，主要包括根系生长、分泌物和根际沉积物等，当BNPP低于1.5Mg/公顷/年或高于2Mg/公顷/年时，β值急剧下降，对于高地下净初级生产力导致β值下降，可能是由于过多的根系活动引发深层微生物加速碳分解的缘故。
通过机器学习方法绘制的全球10公里分辨率的深层有机碳分布图显示，研究发现高纬度地区虽然β值较低，但由于低温抑制分解作用，其单位面积深层碳储量依然较高；而热带地区虽然生产力高，但由于高温高湿促进分解，深层碳密度反而低于预期，但这些地区的β值较高，碳在剖面中分布更均匀；干旱和半干旱地区受限于生产力，深层碳储量普遍偏低。
研究团队也评估了预测的不确定性，平均为34%-38%，不确定性最高的区域集中在热带如撒哈拉以南非洲、东南亚和亚马逊地区，这主要由于这些地区实地测量数据相对缺乏，相比之下，温带和北方地区由于研究历史较长，数据质量较高，预测结果更加可靠。
深层土壤有机碳研究的局限性
目前，这项研究整合了全球多个土壤剖面的数据，但是土壤深度大于100厘米的的数据较少，同时，研究最后也提到的，假设所有土壤剖面深度为1米，但山地或薄层土壤可能不足1米，导致土壤有机碳储量预估存在偏差。
最后，研究提供了全球生态系统10 km分辨率土壤有机碳密度的垂直分布和空间格局信息，为未来地球系统模型研究提供了科学依据，该数据集是开放获取的，可在https://doi.org/10.5281/zenodo.15019078 上获取。
❓思考题：根据研究，全球20-100厘米深层土壤有机碳储量约为多少？
A. 500 Pg C
B. 600 Pg C
C. 803 Pg C
D. 1000 Pg C
参考答案：（点击查看）
参考文献：Wang, Haiyan, et al. “Global patterns of soil organic carbon distribution in the 20–100 cm soil profile for different ecosystems: a global meta-analysis.” Earth System Science Data 17.7 (2025): 3375-3390.https://doi.org/10.5194/essd-17-3375-2025