编辑推荐：
为解决当前 SOC 预测模型忽视总氮（TN）数据，影响对碳氮相互作用及 SOC 存储机制理解的问题，研究人员开展澳大利亚农业土壤研究。发现 TN 是影响 SOC 储量的主要因素，明确了不同深度 TN 阈值，该研究对预测 SOC 动态和制定碳固存策略意义重大。
在广袤的地球生态系统中，土壤如同一个巨大的 “碳库”，默默储存着大量的碳元素。全球土壤中，1 米深度内的碳储量约为 1505Pg，远超大气（约 867Pg）和植被（约 620Pg）的碳储量总和 。土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）更是其中的关键角色，它通过土壤呼吸作用，每年向大气释放约 98Pg 的碳，深刻影响着大气中二氧化碳的浓度，对全球气候变化有着举足轻重的影响。
然而，近两个世纪以来，人类活动对土地的干预日益强烈。在农业生产中，各种土地管理方式和土地利用变化不断涌现，这使得土壤中的 SOC 大量流失。与此同时，全球气候变暖的趋势愈发明显，二氧化碳浓度持续升高。在这样的背景下，如何增强土壤的碳固存能力，成为了缓解温室气体排放、保障可持续农业生产的关键难题。
要解决这个难题，深入了解影响 SOC 储量的因素至关重要。虽然气候条件、土壤性质、土地利用和管理、母质以及地形因素等，都被认为是影响 SOC 储量变化的主要驱动因素，但这些因素在不同空间尺度上的作用并不一致。而且，以往研究大多聚焦于表层土壤（0 - 30cm）和深层土壤（>30cm），对于表层土壤（0 - 30cm）内不同深度处，这些因素对 SOC 储量的影响是否存在差异，关注甚少。
更关键的是，SOC 的动态变化与土壤氮循环紧密相连。土壤微生物在分解和形成土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）的过程中，既需要 SOC 提供能量，也需要氮元素来维持自身的生长和代谢，以及满足植物组织的分化和发育需求。在澳大利亚农业土壤中，与矿物质结合的 SOM 具有相对稳定的碳氮比（C:N），约为 11.8 。这意味着，持续的 SOC 积累离不开充足的土壤氮供应。然而，目前的数据驱动 SOC 预测模型，常常忽略土壤总氮（Total Nitrogen，TN）数据，导致我们难以全面认识碳氮相互作用对 SOC 存储机制的影响，在模拟碳 - 气候反馈时也会引入较大的不确定性。
为了攻克这些难题，来自国外的研究人员依托澳大利亚国家土壤碳研究计划（ScaRP）展开了深入研究。他们从 3323 个农场的农田中获取了 SOC 和 TN 在 0 - 10cm、10 - 20cm、20 - 30cm 深度的观测数据，以及详细的土壤气候属性数据。
研究人员运用了多种先进的技术方法。首先，他们借助可解释的机器学习框架，整合了气候、土壤性质、土壤氧化物矿物、土地利用和地形等 16 个预测变量。利用基于随机森林的递归特征消除（RF - RFE）算法和 Shapley 可加解释（SHAP）方法，确定了影响 SOC 储量变化的主要驱动因素及其相对贡献。同时，采用分段结构方程模型（piecewiseSEM）来揭示这些主要因素之间的因果关系，以此全面深入地探究 TN 在影响 SOC 储量中的作用。
研究结果显示，不同土地利用方式下，土壤中 SOC 储量的垂直分布呈现出明显差异。在 0 - 10cm 深度，牧场土壤的平均 SOC 储量为 34.74 ± 0.44Mg C/ha，作物 - 牧场轮作土壤为 22.61 ± 0.42Mg C/ha，连续耕作土壤的数值则相对较低。随着土壤深度的增加，SOC 储量显著减少，这主要是因为表层土壤与大气直接接触，能获得更多的有机物输入，如植物凋落物、秸秆和粪便等，同时表层土壤的温度和湿度条件也更有利于有机物的积累和保存。
进一步分析发现，TN 是影响 SOC 储量的主要因素，在所有深度中，TN 对 SOC 储量变化的贡献率超过 47%，在深层土壤中，其影响甚至超过了气候因素。研究还确定了不同土壤深度下，限制 SOC 积累的 TN 阈值：0 - 10cm 深度为 1.45mg/g 土壤，10 - 20cm 深度为 0.80mg/g 土壤，20 - 30cm 深度为 0.63mg/g 土壤。通过不同情景下的预测分析表明，当土壤 TN 含量达到这些阈值时，能够促进 SOC 的积累，在一定程度上抵消年均温度升高 1°C 所导致的 SOC 损失。
综合来看，这项研究有着重要的意义。它明确了 TN 水平是澳大利亚农业土壤 SOC 储量的关键制约因素，为预测大规模 SOC 动态变化提供了关键依据。在制定土壤碳固存策略时，研究结果为优化土壤碳管理提供了实用指导，有助于减少大规模 SOC 预测中的不确定性，提升农业生态系统的可持续性。该研究成果发表在《Environmental Research》上，为全球土壤碳研究领域提供了宝贵的参考。
这项研究为土壤碳研究领域打开了新的视野，让我们对土壤碳氮关系有了更深入的认识。未来，基于这些研究成果，或许能开发出更有效的土壤碳固存技术，助力全球应对气候变化，守护地球的生态环境。
