土壤碳库动态重塑：古老碳定量研究揭示全球土壤有机碳年龄被高估现象

这篇研究通过量化全球313个土壤剖面中的古老有机碳(aOC)含量，揭示了传统放射性碳测年方法高估土壤有机碳(SOC)年龄的关键问题。研究采用混合线性模型分析ISRaD数据库样本，发现aOC在表层土(0-30cm)贡献达11%，深层土(>100cm)超过50%。校正后的SOC平均年龄(290年)较先前报道值(3100-4830年)显著降低，与地球系统模型(ESMs)和稳定同位素(13C、36Cl)数据更为吻合，为准确评估土壤碳汇潜力提供了新视角。

　　

土壤碳库动态的重塑：古老碳定量研究的突破性发现

ABSTRACT

作为最大的陆地碳库，土壤碳储量的变化直接影响大气CO₂浓度。传统放射性碳测年研究常显示土壤碳积累能力有限，但这些估计受到古老有机碳(aOC)的干扰——这类碳不再参与碳循环且因其缺乏¹⁴C而人为提高了土壤碳的平均年龄。本研究通过混合线性方程分析全球313个土壤剖面，首次系统量化了aOC的分布特征。

1 引言

土壤作为关键碳汇，其碳动态理解仍存在重大空白。放射性碳研究显示SOC年龄比ESMs预测值高6倍，导致对21世纪土壤固碳潜力评估降低40%。这种差异源于未考虑aOC的干扰效应——既包括岩石来源的古老碳，也包含成土过程中与矿物颗粒长期结合的生物源碳。

2 材料与方法

研究整合ISRaD和LSCE数据库的2204个矿质土壤层数据，采用稳态单库模型将¹⁴C活性标准化至2000年。通过二元混合方程(Y=F¹⁴C_SOC<60kyr·(X-aOC))计算aOC含量，特别针对黄土沉积建立了三端元校正模型。质量控制标准设定为回归R²>0.9且aOC比例<1。

3 结果

3.1 古老有机碳的普遍分布

全球土壤平均含aOC 2.4±3.2 mg/g，其贡献率随深度递增：表层土11%、亚表层土27%、深层土51%。按WRB分类，火山土(Andosols)和冻土(Cryosols)含量最高(7.5和5.2 mg/g)。母质分析显示，变质岩(5.5 mg/g)和火山岩(4.3 mg/g)发育的土壤aOC最丰富。

3.2 校正后的SOC年龄

扣除aOC后，SOC_<60kyr平均年龄大幅降低：表层土140±570年、亚表层土420±1230年、深层土800±2140年。整体0-1m深度平均年龄290±990年，与ESMs预测值(430±50年)高度一致。

4 讨论

4.1 aOC的多元起源

冻土中的aOC源自多气候旋回积累，而铁铝土(Ferralsols)的低含量(1.9 mg/g)反映热带强风化作用。火山土的高aOC可能源于地幔来源CO₂的光合固定。沉积岩发育土壤的aOC(2.6 mg/g)与母岩含量直接相关。

4.2 年龄校正的意义

校正使铁铝土年龄(表层25±290年)与C3-C4时序研究(180-440年)吻合，解决了与ESMs的参数化矛盾。全球估算显示：表层77Gt、亚表层216Gt、深层464Gt aOC被误计入活性碳库。

4.3 未来研究方向

建议将aOC作为动态变量纳入RothC模型的惰性有机质(IOM)库。需关注气候变化下冻土aOC的活化风险，以及火山系统特殊碳循环路径。完善母岩历史与地表过程关联研究，可提升全球碳模型精度。

这项研究通过创新性量化aOC贡献，解决了土壤碳年龄评估的关键争议，为准确预测土壤碳汇潜力提供了理论基石。发现强调必须区分参与碳循环的活性组分与地质遗留组分，这对实现"千分之四"土壤增碳倡议具有重要指导意义。