净初级生产力主导驱动土地利用变化下全球土壤有机碳不确定性的来源

地表之下为何重要

土壤默默地储存的碳量超过了全球所有植被和大气的总和，使其成为应对气候变化的一个强有力杠杆。当我们砍伐森林、扩大农田或植树造林时，会改变进入和离开土壤的碳通量。然而，科学界仍未就这些土地变化是使土壤成为全球净碳源还是净碳汇达成一致。本研究深入探讨了这一谜题，表明年均植物生长量（净初级生产力）是全球土壤碳变化模型之间分歧的最大来源。

改变土地面貌

过去一个世纪里，人类通过森林砍伐、耕作、放牧、城市化和植树等活动改造了大约三分之一的陆地表面。这些被称为土地利用和土地覆盖变化的转变，会改变来自植物生长进入土壤的碳与通过分解离开土壤的碳之间的平衡。例如，当森林被改为农田时，较短的生长季、收获带走的生物量以及耕作扰动土壤，常常会减少土壤碳。相反，像中国等地区大规模植树在许多情况下增加了植物生长并提升了土壤碳。由于这些影响复杂且在全球分布不均，研究人员依赖大型计算模型来估算净效应。

科学家如何追踪埋藏的碳

作者分析了35个最先进的计算模型的结果，这些模型模拟了土地、植被和气候随时间的相互作用。这些模型被组织成三个国际对比组，每组使用不同的气候数据、土地利用史以及对植被和土壤的表征。对于每个模型，研究团队比较了成对模拟：一组包含历史土地利用变化，另一组保持土地利用不变。两者之差揭示了自1901年以来人类土地决策特定导致的土壤有机碳变化量。

关于全球土壤增减的分歧结论

这些模型对于土地利用变化是否增加或减少了全球土壤碳并不一致。一类模型表明总体上土壤获得了碳，主要集中在北方地区；另两类模型则显示净土壤碳损失，尤其在热带以及许多温带地区，如美国中部、欧洲、中国和南美及非洲的部分地区。分区域来看，热带在大多数模型中显示为土壤碳流失的热点，反映了强烈的森林砍伐、加速分解的温暖湿润条件以及土壤对有机质提供较少矿物保护。尽管全球总量存在冲突，但普遍一致的观点是，许多被大规模耕作或砍伐森林的地区在过去一个世纪里确实失去了土壤碳。

植物生长是最大的变数

为了解释模型间分歧的原因，研究人员使用了一种诊断框架，将土壤碳变化分解为四个部分：植物生长的变化（进入土壤的碳）、土壤中碳的停留时间变化、两者之间的相互作用，以及土壤距离输入与损失平衡的远近。在所有模型组中，较短的土壤碳驻留时间一致地推动土壤在土地利用变化后趋向碳损失。换言之，当土地转换或管理加速了分解过程时，土壤往往成为碳源。真正的不确定性来自植物生长。在一些模型组中，土地利用变化降低了植物生产力并导致大量土壤碳损失；而在另一些模型组中，许多地区植物生长实际上增加到了足以超过更快的土壤周转，从而导致净增。这表明模型如何表征植被生长及其对土地利用和气候的响应，是分歧的主要来源。

这对气候解决方案意味着什么

从公众角度看，该研究的结论是：土地利用变化对气候的影响关键取决于两个杠杆——植物生长有多少以及土壤碳分解有多快。所有模型都一致认为，通过密集耕作、反复收获或管理不善的森林砍伐等做法加速土壤分解，会侵蚀土壤碳。但它们在再造林、改进管理或上升的二氧化碳浓度能在多大程度上促进植物生长以重建这些储量方面存在分歧。作者认为，更好的长期植物生产力和土壤碳周转观测，加上新数据与机器学习工具，对于缩小这些不确定性至关重要。把这些数值弄准确，将改善全球碳预算估算，并有助于设计真正能把更多碳安全锁在地下而不是释放到空气中的土地利用和农业策略。

引用: Gang, C., Wei, N., Feng, C. et al. Net primary productivity orchestrates uncertainty sources driving global soil organic carbon under land use change. Commun Earth Environ 7, 285 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03312-6

关键词: 土壤碳, 土地利用变化, 植物生产力, 碳循环, 气候缓解