中国干旱和湿润草原的土壤有机碳：空间异质性、驱动因素及未来变化

《Science of The Total Environment》：Soil organic carbon in arid and humid grasslands of China: Spatial heterogeneity, driving factors, and future changes

中国干旱和半湿润草地土壤有机碳密度（SOCD）空间异质性与驱动机制研究，基于随机森林模型分析0-20cm和0-100cm土层。结果显示干旱区SOCD总量较高但单点密度低，湿润区密度更高且稳定；0-20cm层受温度、降水和植被NDVI主导，0-100cm层则受土壤质地（黏粒含量）和氮素影响显著。未来SSP情景下干旱区SOCD下降而湿润区上升，验证了深度依赖性驱动机制，为区域碳管理提供依据。

　　

Zihan Kan|明明 王|吉远 刘|世航 张|伟 汉|博艺 宋|永兴 陆|郝 国|星 国|荣 荣|叶 哲|小兵 周|远明 张

中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生物多样性保护与应用重点实验室，中国乌鲁木齐 830011

摘要

草原生态系统在全球碳循环中发挥着关键作用，然而土壤有机碳密度（SOCD）在干旱梯度上的空间分布模式及其驱动因素仍不够清楚。本研究利用了中国陆地生态系统碳密度数据集（2010年代），并应用随机森林模型模拟了干旱和湿润草原中两个土层（0–20厘米和0–100厘米）的SOCD。进一步量化了环境因素的贡献，并预测了在不同社会经济路径（SSPs）下的未来SOCD动态。结果表明，干旱地区的SOCD低于湿润地区，但由于干旱地区的面积较大，其总土壤碳储量更大。0–20厘米土层约占总SOCD的50%。在干旱地区，0–20厘米土层的SOCD主要受年均温度和土壤湿度控制，而0–100厘米土层的SOCD则受粘粒含量和总氮含量的影响。在湿润地区，0–20厘米土层的SOCD受温度和NDVI的强烈影响，而0–100厘米土层的SOCD受粘粒和氮含量的调节。在未来SSP情景下，干旱地区的SOCD预计会下降，而湿润地区的SOCD会增加，表明其碳汇潜力增强。0–20厘米土层的SOCD变异性较大，稳定性较低。这些发现阐明了草原SOCD的空间异质性和深度依赖性控制机制，为区域性的土壤碳管理提供了科学依据，有助于实现中国的“双碳”目标和可持续草原政策。

引言

土壤有机碳（SOC）是土壤中所有基于碳的有机化合物的总量，现在被认为是土壤肥力的核心指标，也是其物理化学功能的关键驱动因素（Fatimazahra等人，2025年）。SOC池是陆地生态系统中最大的碳库，储存的碳量超过了大气和植被的总和。即使SOC的微小变化也会显著影响大气中的CO?浓度（Jackson等人，2017年），因此在调节全球碳循环和气候变化中起着关键作用。SOC主要以植物和动物残体、腐殖质以及微生物生物量的形式存在。在环境条件稳定的假设下，SOCD反映了净碳输入（如植物凋落物或根系分泌物）与微生物碳输出之间的长期平衡（Plante和Conant，2014年）。这种碳输入与输出之间的平衡很容易受到外部干扰的影响，其中土地利用和土地覆盖变化以及气候变化是最具影响力的因素（Wiesmeier等人，2019年）。因此，了解特定土地覆盖条件下SOC的空间分布和环境驱动因素对于制定有效的土壤管理实践和策略以缓解全球环境变化至关重要（Davidson和Janssens，2006年）。

作为分布最广的生态系统类型之一，草原生态系统在维持生物多样性、调节气候、防止土壤侵蚀以及参与全球碳循环方面发挥着重要作用。它们也是陆地上的重要碳库和碳汇（Conant等人，2001年）。全球草原面积约为5250万平方公里，占地球陆地表面的40.5%（不包括格陵兰岛和南极洲）。根据IPCC的估计，陆地生态系统的总碳储量为约2477Pg，其中草原生态系统贡献了约25.6%，仅次于森林生态系统（Schlesinger，1991年）。草原生态系统中的大约90%的碳储存在土壤中，其余部分存在于地上生物量中（Sharrow和Ismail，2004年）。草原中的SOC不仅影响生态系统的生产力，而且对环境变化非常敏感，使草原土壤成为全球SOC池的重要组成部分（Bai和Cotrufo，2022年）。然而，由于SOC密度采样数据的稀缺性、空间土地利用信息的不一致性以及依赖于简单的估算方法（如清单法或线性插值法），当前的大规模SOC储量评估存在相当大的不确定性。这些限制阻碍了对SOC空间分布和变化模式的准确描述。因此，准确估计当前的分布并理解草原SOC储量的时空动态具有重要的科学意义。

草原生态系统及其SOC动态受到多种因素的共同影响。McSherry（McSherry和Ritchie，2013年）指出，随着人类需求的增加和活动的加剧，过度放牧变得更加普遍，导致草原退化、碳损失和环境污染。此外，许多研究证实，SOC储量的全球分布受到温度、降水量和植被的强烈影响，这些因素在区域尺度上至关重要（Berhane等人，2020年）。除了NDVI外，土壤pH值和质地（如沙粒和粘粒含量）也显著影响SOCD的稳定性和微生物活性。淤泥和粘粒颗粒为SOC提供物理保护并促进其聚集（Han等人，2016年）。水分可用性被认为是干旱草原中SOC积累的主要限制因素（Zhou等人，2024年）。在干旱地区，有限的降水量和高蒸发量导致土壤湿度条件高度变化且不稳定，从而减少植被生长和有机碳输入。相比之下，湿润地区受益于丰富且相对稳定的土壤湿度，这支持植被生长并增加碳输入，尽管较高的微生物活性也可能加速分解，从而可能减少碳封存。在更广泛的空间尺度上，最近的研究进一步表明，SOC变化的控制因素具有尺度依赖性。例如，一项针对中国的数字土壤测绘研究发现，气候变化是国家尺度上的主导因素，而在区域尺度上控制因素则有所不同，这突显了在评估SOC动态时考虑空间异质性的重要性（Yang等人，2021年）。大多数区域研究主要集中在0–20厘米土层的SOC上。相比之下，在法国进行的研究表明，不同土层中SOC的控制因素不同，这强调了在评估SOC空间异质性时考虑深度特异性响应机制的重要性（Chen等人，2018年）。在未来的气候情景下，温度和降水的变化预计会改变土壤湿度状况，加速表土中的SOC周转，而这些变化对全球变化非常敏感。然而，0–100厘米土层SOC的响应可能因矿物相关SOC在0–20厘米土层中的主导地位增强而有所不同，其中生物调节作用较弱。因此，区分干旱和湿润地区不同土层中SOC的驱动因素对于提高碳储量估算的准确性至关重要，并为未来环境变化背景下的深度特定管理策略提供了科学基础。气候事件可能会进一步加剧土壤有机碳的损失。一项研究表明，温带草原对大多数极端事件表现出负面响应，这表明在预测草原土壤有机碳的未来动态时需要考虑气候变异性（Wang等人，2023年）。

总之，以往的研究主要集中在全球草原生态系统中SOC总量的整体分布上，而缺乏基于机器学习的方法来研究干旱和湿润地区SOC储量的空间异质性和环境驱动因素。因此，在具有代表性的地区进行研究具有重要意义。中国的草原面积约为2.6亿公顷，涵盖了干旱和湿润气候区，非常适合探索SOC储量的空间差异。了解这些模式对于推进全球碳循环的知识和制定有效的气候缓解策略至关重要。本研究采用机器学习算法来描述中国干旱和湿润地区草原中0–20厘米和0–100厘米土层SOC的空间分布模式，并阐明当前和未来气候情景下其环境驱动因素的差异。具体来说，本研究解决了以下问题：（1）干旱和湿润条件下0–20厘米和0–100厘米土层的SOC空间分布特征和控制因素是什么？（2）这些SOC储量将如何响应不同的未来气候情景？基于以往的研究，我们提出了三个假设：（1）由于土壤湿度和质地的差异，湿润草原中的0–20厘米和0–100厘米土层的SOC预计高于干旱草原。（2）气候和土壤特性是两个地区SOC的主要驱动因素，但在0–20厘米土层中，这些因素的影响更为显著，且影响因素因草原类型而异。（3）由于干旱和湿润地区在水分可用性和土壤质地方面的显著差异，有机物质输入（如植物凋落物）也不同，导致SOC对未来气候变化的响应幅度和方向不同。通过填补这一知识空白，本研究为草原SOC的空间异质性和深度特定动态提供了新的见解，为有针对性的草原管理和气候变化缓解策略提供了科学依据。

干旱和湿润草原的划分

本研究从中国的国家土地覆盖数据集中提取了草原分布数据（Xia等人，2023年），以生成草原区域的基础地图。根据联合国环境规划署（UNEP）提出的干旱和湿润地区分类标准（Maggi等人，2018年），我们使用干旱指数（AI）作为区域划分的气候标准。干旱指数的定义如下：

$\mathrm{Ai}=\frac{P}{\mathrm{PET}}$