预计的全球土壤有机碳储量变化及其对干旱的脆弱性

《Environmental Impact Assessment Review》：Projected changes in global soil organic carbon stocks and their vulnerability to drought

　　

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  在七个CMIP6模型中联合评估了SOC储量和R_h通量。
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  关联幅度与选定的累积尺度各不相同。
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  全球范围内，SOC与SSMI的关联最强；R_h与SPEI和SSMI的关联相似。
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  区域与土地覆盖分析揭示了非普遍性的干旱—碳模式。

引言

土壤构成了陆地生态系统中最大的有机碳库，在调节全球碳循环中发挥着核心作用（Post等人，1982；Schimel，1995）。土壤有机碳（SOC）代表由有机质输入与多种损失过程累积平衡形成的碳储量（Paul，2016）。异养呼吸（R_h）是与土壤有机质的微生物分解及CO?返回大气相关的通量（Heimann和Reichstein，2008）。SOC代表可供微生物分解者利用的有机质库，而R_h则量化了相关CO?返回大气的量（Davidson和Janssens，2006）。因此，SOC与R_h分别从储量与通量的角度提供了关于土壤碳动力学的互补视角。

全球变暖与加剧的干旱可能改变SOC储量的持续性以及呼吸碳释放的幅度，其影响因区域、生态系统和气候情景而异（Fan等人，2024；Gebrechorkos等人，2025）。近期分析表明，自21世纪初以来，土壤复合干旱—热浪事件的频率、持续时间、峰值强度及受影响面积均有所增加，尤其是在夏季及厄尔尼诺条件下（Fan等人，2024）。由于SOC周转时间较长，其变化通常较为缓慢；而R_h对温度、水分和底物可用性的变化反应更为迅速（Meyer等人，2025；Wood等人，2025）。干旱可能降低植物生产力与有机质输入，但严重的水分限制也可能抑制微生物分解（Hernandez等人，2023；Sch?rer等人，2025）。相反，当水分限制放宽时，变暖、底物重新分配或水分重新供应可能增强R_h（Guo等人，2025；Xu等人，2025）。因此，SOC储量与R_h通量在不同气候条件、区域及时间尺度上可能表现出不同甚至相反的反应。

近期研究已加深了对SOC与R_h动力学的气候、植被及土壤控制因素的理解（Varney等人，2020），但在全球尺度上仍存在重大不确定性。许多研究强调单一气候驱动因素，然而干旱是一种涉及大气水平衡失衡、土壤水分限制、热异常以及这些因素之间相互作用的复杂现象（Zhao等人，2026）。温度是R_h的重要调节因子（Meyer等人，2025），而水分可用性则影响植物碳输入、微生物活动以及SOC的持续性（Wood等人，2025）。标准化干旱指数捕捉了气象水平衡、土壤水分及热应力方面互补但部分重叠的特征（Dai，2011；Vicente-Serrano等人，2010；Zhao等人，2026）。因此，这些指数与SOC及R_h的相对关联需要正式的稳健性评估。

现有评估通常仅关注SOC储量或单个碳通量，而现场观测与操纵实验难以推广至不同区域及未来气候情景（Chen等人，2022；Grünzweig等人，2022；Wang等人，2023）。因此，预测的SOC储量变化在不同地球系统模型间的差异仍不确定，且加权集合结果是否得到单个模型支持也尚不明确。此外，尚不清楚哪些干旱维度在预测的碳变量中显示出最一致的区域关联。这些关联的时间尺度也尚未得到充分表征。特别是，干旱指数与SOC或R_h表现出最强统计关联的累积期应与干旱发生与碳响应之间的时间滞后区分开来（Gu等人，2022；Zhang等人，2025）。土地覆盖背景可以调节干旱响应，而分类时期不匹配则需要谨慎解释（Chen等人，2022；Wang等人，2023）。

与以往主要关注单个碳变量、单一干旱描述符或现场干旱响应的研究相比，本研究提供了预测土壤有机碳储量及其与干旱相关脆弱性的综合全球评估。本研究将基于观测的基准与七个CMIP6地球系统模型的历史及未来模拟相结合。研究评估了SOC与R_h的模型及集合差异，比较了它们在三种干旱描述符及不同累积尺度下的条件关联，并在探索性结构方程模型框架内考察了区域及土地覆盖变化。因此，本分析表征了预测的SOC储量、R_h通量以及它们与干旱指数的条件关联（图1）。

章节片段

CMIP6数据集

本研究从耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中保留了七个地球系统模型（ESM），这些模型共同提供了月度历史数据与四种SSP模拟、所需的核心变量以及本研究所采用的名义100公里分辨率标准：CMCC-ESM2、CESM2-WACCM、NorESM2-MM、TaiESM1、EC-Earth3-Veg、CMCC-CM2-SR5及BCC-CSM2-MR（表S1）。我们优先使用各模型—变量—实验组合的r1i1p1f1版本。当r1i1p1f1不可用时，我们

全球SOC储量与R_h通量的预测变化

全球SOC储量与R_h通量在四种未来情景下表现出不同的时间轨迹（图4a及图S5）。在SSP1–2.6与SSP2–4.5情景下，MMWM SOC储量略有增加后趋于相对稳定，而R_h持续增加。在SSP3-7.0与SSP5-8.5情景下，MMWM SOC初期增加，但随后增加不多或下降，导致2070–2099年与1985–2014年平均SOC储量之间仅有微小差异，而R_h持续

与干旱相关的SOC模式及可能机制

选定的偏Spearman关联表明，预测的SOC储量与干旱的多个相互作用维度相关，其中SSMI显示出最大的全球选定关联幅度，而SPEI与STI的相对幅度在不同情景间存在差异。这一模式与水分可用性在植物生产力、微生物活动、底物可达性以及矿物关联的土壤有机质稳定化中的作用一致（Paul，2016；Shabtai等人，2022；

结论

预测的全球SOC储量与R_h通量变化在不同情景、模型及区域间存在差异。在强强迫条件下，加权集合表明本世纪末SOC变化接近于零，其符号取决于用于推导历史技能权重的SOC基准。单个模型的SOC变化跨越负值与正值，而预测的R_h增加在不同模型及基准变体中更为一致。全球范围内，SSMI显示出最大的选定偏Spearman关联

作者贡献

W.W.、L.H.、L.-B.M.及X.-F.W.构思了本研究。Y.-C.W.完成了分析、计算及图表制作。Y.-C.W.与W.W.撰写了论文初稿。L.H.、L.-B.M.、Y.-Z.S.、Z.-C.G.、S.-Q.W.、L.-B.L.、L.Z.及E.S.讨论了结果并修改了论文。所有作者均参与编辑论文。

作者信息

Wei Wei与Yongcheng Wang应视为共同第一作者。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响本论文所报告的工作。

致谢

感谢甘肃省生态文明建设重点研发计划（项目编号 24YFFA063）、国家自然科学基金（项目编号 42261023）以及国家自然科学基金区域联合重点项目（项目编号 U25A20770）的资助。

Wei Wei|Yongcheng Wang|Libang Ma|Lei He|Xufeng Wang|Yongze Song|Zecheng Guo|Siqi Jia|Siqin Wang|Lingbo Liu|Liang Zhou|Elif Sertel