数据驱动模型揭示21世纪中国表层土壤有机碳变化受植物生产力提升的制约

本研究针对气候变化背景下中国土壤有机碳(SOC)动态预测的争议，通过数据驱动模型量化了RCP情景下温度、降水和净初级生产力(NPP)对表层SOC的影响。结果表明：RCP8.5情景下21世纪末升温可能导致605.3 Tg C(1.72%)的SOC损失，而ESM预测的NPP增长(最高55%)可将其控制在较小范围。该研究为碳中和目标下的土壤碳管理提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳(SOC)动态直接影响碳中和目标的实现。中国承诺2030年碳达峰、2060年碳中和的战略背景下，表层土壤(0-20 cm)作为对气候变化最敏感的部分，其SOC储量占全国1米深土壤碳库的40%以上。然而，现有地球系统模型(ESM)对SOC的模拟存在显著差异(3-148 Pg C)，传统过程模型在参数化和大尺度应用上面临挑战。这种不确定性严重制约着对国家未来碳收支的准确预测，亟需新的研究方法突破。

中国研究人员通过整合全国范围多时期野外观测数据，开发了基于随机森林(RF)算法的数据驱动模型。该研究采用16类驱动因子，包括土壤参数(黏土、粉砂等)、地形因子、气候变量(温度、降水等)、植被参数(NPP、土地利用)和环境因子(CO₂
、氮沉降)。关键技术包括：(1)利用delta空间降尺度方法校准5个全球环流模型(GCM)的RCP2.6/4.5/8.5情景数据；(2)整合5个地球系统模型(ESM)的NPP预测；(3)通过迭代计算确定维持SOC平衡所需的临界NPP输入量；(4)基于概率密度函数(PDF)分析SOC与气候因子的相关性。

未来气候轨迹分析显示，中国21世纪将持续变暖变湿，RCP8.5情景下2090s升温达5.5°C，降水增加120.5 mm。单因子影响模拟表明：升温导致SOC持续减少(2090s最大损失605.3 Tg C)，而降水增加可部分抵消这种负效应。但综合效应分析发现，降水的正效应不能完全抵消升温的负影响，RCP8.5情景下2090s仍净损失48.05 g C m^-2
。

临界碳输入量化结果显示，维持当前SOC水平需要NPP在2030s/2060s/2090s分别增加18.5%、38%和46.5%。值得期待的是，ESM预测的NPP增长(2090s达55%)可使RCP8.5情景下SOC在世纪末小幅增加82.7 Tg C。空间异质性分析发现，高SOC区域(如东北和西南)碳损失风险最大，而华北等地区可能成为主要碳汇。

该研究首次通过数据驱动模型量化了中国SOC对未来气候变化的响应阈值，揭示了植物生产力提升对缓解碳损失的关键作用。相比过程模型，该方法通过整合实际观测数据，更准确地捕捉了SOC与多驱动因子的复杂相互作用。研究提出的临界NPP输入量为制定区域差异化碳管理策略提供了量化依据，特别是对高SOC区域的保护具有重要指导意义。论文创新性地将国家碳中和时间节点(2030/2060)纳入分析框架，为评估关键时期的碳收支提供了新视角。尽管存在未考虑土地利用变化等局限，但该研究建立的时空反演方法为改进ESM的区域预测提供了重要参考，对实现"4‰倡议"等国际气候目标具有积极推动作用。