不同土地利用系统揭示了喀斯特关键带碳动态截然不同的控制机制：物理限制与生物调控

《CATENA》：Different land-use systems reveal contrasting controls on carbon dynamics in karst critical zones: Physical limitation versus biological regulation

　　

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  土地利用将土壤pCO₂与地下水DIC之间的驱动关系从物理约束转变为生物控制。
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  在极端增温情景下，未来碳酸盐风化碳汇潜力受到非线性热胁迫的限制。
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  土地利用可能同时放大土壤pCO₂和地下水DIC及其对气候变率的响应。

引言

岩石化学风化是全球生物地球化学碳循环的重要组成部分，并在地质和百年时间尺度上作为反馈机制调节大气CO₂浓度（Beaulieu等，2012；Berner，1992；Zeng等，2025b）。在陆地生态系统中，碳酸盐风化尤为重要，因为其具有较快的溶解动力学特征，且对陆地碳汇贡献巨大（Lehmann等，2023；Liu等，2011；Oberhelman等，2024）。在岩溶关键带中，这一过程尤其敏感于表层生态系统、土壤剖面、上岩溶带及地下水径流路径之间的连通性。碳酸盐溶解主要由碳酸驱动，而碳酸主要通过土壤剖面中生物源CO₂的水化作用产生（Zeng等，2022）。土壤CO₂浓度通常可达大气浓度的10至100倍，为下层岩层的化学侵蚀提供了热力学潜力（Cao等，2019；Zeng等，2025a）。因此，瞬态土壤CO₂动态及其介导的风化过程对于理解短期碳循环和气候反馈至关重要（Beaulieu等，2010；Berner，1997；Guo等，2023；Gwiazda和Broecker，1994）。因此，土壤pCO₂代表了连接植被活动和土壤呼吸与碳酸盐溶解及下游地下水DIC响应的重要中间变量。

气候主要通过温度和水分可用性调节土壤pCO₂。温度升高可刺激根系和微生物活动，而土壤水分则同时控制生物CO₂的产生和气态扩散。过度干燥可能限制CO₂的产生，而饱和状态则可能限制气体扩散和传输（Hirano等，2003；Johnson等，2018；Kou等，2008）。这些热力学约束意味着土壤pCO₂动态既受生物CO₂产生过程控制，也受土壤-岩体系统储存、扩散和传输CO₂的物理能力制约。在岩溶系统中，这些效应尤为重要，因为土壤pCO₂的变化会影响碳酸盐风化和泉水中DIC的导出量（Gaillardet等，2018；Zeng等，2017；Zhao等，2015）。然而，由于土地利用改变了植被覆盖、土壤结构、水文连通性和地下碳输入，生物调节和物理限制之间的相对重要性可能在不同类型的土地利用间存在显著差异。土地利用还影响土壤温度和水分格局，以及土壤pCO₂向下传输至风化带向的效率（Lorenz和Lal，2014；Seaton，2025；Zhao等，2024）。因此，非植被系统（如裸岩和裸土）可能更受水分可用性、气体扩散和水文传输的强烈制约，而植被系统（如农田、草地和灌丛）可能更受根系呼吸、微生物活动和有机碳供应的影响。这种对比表明，土地利用可能将岩溶碳动态的主导控制从物理限制的传输向生物介导的调节转变。然而，土地利用是否改变了土壤pCO₂的主导控制因素，以及是否改变了从土壤pCO₂到地下水DIC的传输效率，仍未得到充分阐明。

因此，气候变化与土地利用管理之间的相互作用为土壤pCO₂构建了一个复杂的调控框架，并可能影响岩溶碳预算。在未来增温条件下，增强的生物活动可能增加土壤CO₂的产生并促进碳酸盐溶解，但如果增温加剧了水分胁迫、限制了气体传输或对植被和微生物过程施加了热力学限制，则这种响应可能变得非线性。因此，区分在不同土地利用下岩溶碳传输主要受物理限制还是生物调节，对于预测其气候敏感性具有重要意义。本研究结合了中国西南普定沙湾岩溶模拟站两年的高频监测数据、收敛交叉映射、随机森林分析以及五种对比性土地利用类型的未来气候情景模拟。我们的研究目标是：（1）识别土地利用如何改变土壤pCO₂的环境控制因素；（2）评估土壤pCO₂与泉水DIC之间的关联在不同土地利用间的差异；（3）评估这些地表-地下碳传输模式对未来增温的响应。通过将土地利用差异与从物理限制向生物调节的转变联系起来，本研究为改善气候变化下碳酸盐关键带碳动态的预测提供了证据。

章节摘要

研究区

本研究在中国西南贵州省普定沙湾岩溶模拟站（26°14′-26°15′ N，105°42′-105°43′ E）开展（Zhao等，2024）（图1）。该站是一个岩溶关键带野外平台，旨在研究不同土地利用条件下土壤剖面和泉水出口的水-碳相互作用（图1）。该地区属亚热带季风气候，年平均气温为15.1°C，降水具有显著的季节性。

气象和土壤参数的季节变化

在研究期间，气象条件表现出显著的季节性，夏季气温、降水和太阳辐射较高，冬季则较低，而风速的季节性变化较弱（图2及附图S2、S3）。土壤温度和含水量在覆盖不同模拟系统的土壤之间存在差异。植被系统的平均土壤温度高于裸土，其中灌丛为18.58°C，农田为18.44°C，草地为18.30°C，

土地利用将土壤pCO₂驱动机制从物理脉冲转变为生物响应

土壤pCO₂反映了生物CO₂产生与其在土壤孔隙系统中传输和保留之间的平衡（Hirano等，2003；Romero Mujalli等，2018）。植被通过根系呼吸提供潜在的生物CO₂来源，并间接通过凋落物、根系分泌物和其他支持微生物分解的有机基质提供（Kou等，2007；Lorenz和Lal，2014）。同时，土地覆盖和管理方式改变了土壤温度、土壤含水量以及

结论

利用大型岩溶水-碳通量模拟平台两年的高频观测数据，我们研究了五种对比性模拟土地利用系统中土壤pCO₂动态及其与重建泉水DIC的耦合关系。结果表明，各监测系统之间表现出明显差异。裸岩系统代表了以水文脉冲和直接水-岩相互作用为主导的极端物理端元，而裸土则代表了非植被但

CRediT作者贡献声明

石良兴：撰写—初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。刘再华：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、验证、监督、资源、项目管理、调查、数据整理、概念化。曾思博：撰写—审阅与编辑、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（41921004、41977298、U2244216、42130501、42307070、42141008和42177248）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB40020000）、中央高校基本科研业务费（SWU-KR22021）、重庆市海外人才计划（2204012978152018）以及贵州省基础研究计划（自然科学）QN[2026]054的支持。

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