全球干旱区土壤有机碳的持久性与周转

为什么干燥土壤对气候至关重要

干旱区——包括世界上的沙漠、灌木地和稀树草原——覆盖了地表超过40%的陆地，并在其土壤中储存着大量碳。这一隐蔽的地下库有助于调节大气中二氧化碳的积累量。然而，科学家长期难以确定这些土壤碳能保存多久以及以何种速度返回大气，尤其是在水资源稀缺的地区。本研究在全球近一百个干旱区地点使用放射性碳“测年”方法，揭示了许多地下碳比模型假定的要古老得多，并且更易受影响。

干旱区下的隐蔽碳库

研究人员在跨越六大洲的97个干旱生态系统中采集了表土样本，样地类型从草地、灌木地到沙漠与高山草甸不等。他们关注土壤有机碳——即来自枯死植物和微生物的碳——以及在实验室中对这些土壤重新润湿并允许其呼吸时释放的二氧化碳。通过测定放射性碳（这种天然同位素在数千年尺度上衰变），他们能够估算碳原子在土壤中存在了多久，以及作为CO2被释放的碳究竟有多古老。这一方法既能捕捉到数千年前被植物固定的远古碳，也能识别20世纪60年代核武器试验所产生的“核弹”碳（放射性碳丰度增加）。

古老的碳，年轻的呼吸

测量结果显示了土壤中储存的碳与以气体形式释放的碳之间的明显差异。平均来看，这些干旱区的总体土壤有机碳年龄约为2100年，表明其中很少由过去60年内固定的植物物质构成。换言之，干旱区表层几厘米的土壤主要由真正古老的碳占据。然而，在培养实验中释放的CO2要年轻得多——其平均年龄约为520年——并且携带着来自近期植物输入和古老土壤碳的混合信号。这表明微生物不仅在分解新鲜凋落物；它们也在利用曾被认为已被牢固封存的长期存储碳。

干燥化的气候改变平衡

为了弄清是什么因素控制这些年龄分布，研究团队将放射性碳信号与气候、植被和土壤属性联系起来。干旱度——结合了降水少与蒸发强的指标——成为塑造干旱区土壤碳年龄的主导因素，其影响超过了温度。随着环境变得更干燥，植物生产力与土壤碳库下降，储存碳的平均年龄增加。研究发现在约0.87的干旱度处存在一个明显阈值，超过该阈值后土壤碳的年龄突然转向更古老，并且数千年尺度的碳更容易突然丢失。与此同时，储存碳与呼吸释放的CO2之间的年龄差距扩大，凸显出土壤中固有储量与微生物主动循环之间日益脱钩的趋势。

古老碳并非完全安全

放射性碳的分布模式挑战了长期以来的假设：即非常古老的土壤碳通过与矿物的化学结合或被物理团聚体封存而受到保护。在这些干旱区，即便是千年级的碳在重新润湿后也能被分解，导致在降雨事件后常见的大量CO2突发释放。作者表明，干旱区释放的CO2中有一部分显著来源于这些较古老的库，而不仅仅来自最近的植物物质。这种行为在现有的地球系统模型和机器学习模型中表现不佳——这些模型通常预测土壤碳在数十年内周转，且主要关注植被的新鲜输入。

对未来的意义

随着气候变化在许多地区加剧干旱程度，这项研究表明干旱区土壤可能会成为更古老、更贫瘠的碳库，它们既不易存储新碳，也难以将古老碳长期锁于地下。旨在提高干旱区碳储量的土地管理策略——例如增植植被——可能在短期内增加碳库，但也会加速循环，从而限制长期收益。由于降雨后释放的碳很大一部分可能来自数百年至数千年前的存量，研究警示干旱区在放大气候变化方面的作用可能比大多数模型目前所反映的更大。识别并在模型中表现出这些古老碳储备的脆弱性，对做出可靠的未来碳—气候反馈预测至关重要。

引用: Wang, H., Maestre, F.T., Lu, N. et al. Persistence and turnover of soil organic carbon in global drylands. Nat Commun 17, 3565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70623-9

关键词: 土壤碳, 干旱区, 放射性碳, 干旱度, 碳循环