广泛分布的古老基岩滑坡沉积物通过促进深部风化增强有机碳的储存与可获取性

《SCIENCE ADVANCES》：Widespread ancient bedrock landslide deposits facilitate deep weathering for storage and access of organic carbon

　　

土壤已被提出可作为降低大气二氧化碳（CO₂）的工具。然而，稀缺的野外数据以及未考虑地貌控制（土壤性质受地形地貌过程调节）的土壤数据库，限制了在流域尺度上对土壤有机碳（SOC）动态的准确量化。在山地地形中，残遗滑坡沉积物较为常见，其特征为厚层（>5 m）风化剖面，并且在通常仅测量的土壤表层30 cm以下存在大量SOC。研究人员在俄勒冈州西部这些地貌广泛分布的地区，利用滑坡年代序列（chronosequence）建立了SOC—年龄关系。研究进一步将该关系应用于一个包含近10,000个既往定年的滑坡清单，并表明：对于年龄>41.8千年的滑坡，深部SOC储量约占总储量的70%。研究结果还表明，与一种未考虑地貌控制的全球模型相比，深层滑坡相关SOC储量高出2倍以上。上述结果提示，地貌学（geomorphology）信息能够提升SOC储量量化能力，并可为流域管理提供依据。

该文发表于《SCIENCE ADVANCES》，聚焦山地流域中深层滑坡沉积物、深部风化与土壤有机碳（SOC）储存之间的关系，核心问题是在现有SOC评估体系通常仅关注表层30 cm土壤的背景下，深部关键带（CZ，涵盖风化基岩、土壤与植被的近地表带）中被忽略的碳库究竟有多大，以及地貌过程能否系统性改进区域尺度SOC估算。土壤是陆地最大的有机碳（OC）储库，其储碳规模超过大气与植被总和，因此哪怕土壤碳储量发生小幅变化，也可能显著影响大气CO₂和全球碳循环。然而，在丘陵和山地区域，土壤厚度、质地、矿物组成与风化程度具有很强的空间异质性，单纯依赖全球土壤数据库或表层采样难以准确反映真实碳储量。尤其是在深层风化显著的地貌中，30 cm以下乃至100 cm以下的SOC可能构成巨大而稳定的碳库，因此有必要开展基于地貌单元的精细化研究。

研究背景中，作者强调两个长期存在的难点：其一，针对30 cm以下深层SOC动态的实测研究十分有限；其二，山地地貌过程造成的土壤空间异质性尚未被主流SOC模型充分纳入。深层风化不仅可形成更厚、更细粒的土壤，为SOC提供更大的储存空间，还可能生成反应性很强的成土矿物，如低结晶矿物（PCM，poorly crystalline minerals），从而通过矿物—有机质结合增强SOC稳定性。此外，深部风化还可能接触基岩中的岩源有机碳（petrogenic OC），并通过孔隙形成、根系输入和溶解性有机质下移等过程，把现代有机碳输送到深层。因此，若忽视深层关键带，SOC总量及其稳定性评估都可能被系统性低估。基于此，研究人员选择在俄勒冈海岸山脉（OCR）这一深层滑坡广泛发育、地质与植被背景相对清晰的地区开展研究，以定量评估深层滑坡对SOC储量的控制作用。

研究人员围绕西俄勒冈州深层滑坡沉积物构建了一个滑坡土壤年代序列，采集6个年龄介于0.004至480 kyr的深层滑坡沉积物中的土壤与风化基岩样品，建立滑坡年龄与SOC储量之间的经验关系，并将该关系外推到一个包含9938个已定年深层滑坡的区域数据库中，用于估算整个OCR范围内滑坡地貌对应的SOC储量和储量总库。结果显示，总SOC储量随滑坡年龄呈对数增长；当滑坡年龄超过41.8 kyr时，深部SOC成为主体，约占总SOC的70%；若采用全剖面模型估算，OCR深层滑坡沉积物中的SOC总储量约为1.66 × 10¹⁰ kg C，约为仅基于表层30 cm数据估值的2倍。该研究的重要意义在于证明：地貌学约束，尤其是滑坡沉积物年龄与风化演化，可显著提高山地流域SOC评估精度，为区域碳核算及流域管理提供新的方法学基础。

作者为开展本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，基于俄勒冈州西部既有的9938个深层滑坡清单及其年龄估计数据，结合机载激光雷达（LIDAR）数字高程模型（DEM）进行地貌识别与滑坡范围分析；其次，在6个代表性滑坡沉积物上开展土壤剖面与风化基岩深度采样，构建0.004至480 kyr的滑坡年代序列，其中样本队列来源于OCR内深层滑坡沉积物；再次，通过体积质量、粗颗粒校正及元素分析仪燃烧测定有机碳含量，积分计算不同深度区间SOC储量；最后，建立SOC—滑坡年龄对数关系，并结合Monte Carlo模拟评估年龄与模型不确定性，将结果外推到区域尺度滑坡数据库并与SoilGrids 2.0进行比较。

在“Landslide chronosequence”部分，研究表明，随着滑坡沉积物年龄增加，其地下关键带逐渐增厚且风化程度增强。最年轻样点SPR形成于2017年冬季，沉积表面起伏明显、空间异质性极强，既有裸露基岩，也有被掩埋的土壤和植被，显示出滑坡发生后物质强烈混杂的特征。与之相比，中等年龄样点LTS地表更平滑，土层更厚、风化更明显。最老样点CP约480 kyr，表现为极其平滑且均一的地表形态，以及深达7 m以上的强烈风化剖面。土壤颜色也由年轻滑坡中的浅棕、黄褐色粗颗粒土，演变为老滑坡中的深红、橙色细粒风化土。该部分基于野外剖面对比得出结论：滑坡沉积物在千年至十万年尺度上持续经历地表平滑化和风化前锋下传，最终形成厚而深的风化带，为深层SOC累积提供空间基础。

在“SOC stock relationship with landslide deposit age”部分，研究人员将SOC密度沿深度积分，建立了SOC总储量与滑坡年龄的函数关系。结果显示，总SOC储量随滑坡年龄呈显著对数增加，拟合优度r² = 0.82。年轻滑坡SPR由于滑体混杂和土层翻转，局部剖面中出现表层OC含量低、深部反而升高的倒置现象，反映出高SOC表层土壤被掩埋、低OC未风化物质被抬升暴露的过程。随着滑坡老化，植被逐渐恢复，地表土壤搬运与混合使空间异质性减弱，土壤趋于更厚、更细粒，粗颗粒比例降低，SOC密度上升。该部分说明，滑坡年龄不仅是时间指标，也综合反映了土壤风化、质地演化与储碳空间增长，因此可作为区域SOC估算的有效预测因子。

在“Contribution of deep CZ depths and implications for local and regional SOC predictions”部分，研究重点分析了不同深度区间SOC对总储量的贡献。作者将SOC划分为0至30 cm、>30至100 cm和>100 cm三个区间。结果显示，除个别样点外，随着滑坡年龄增加，30 cm以下SOC占比总体上升。最年轻滑坡中，>30 cm深度SOC占总储量30.7%；而最老滑坡中，这一比例升至77.78%。对于年龄超过41.8 kyr的滑坡，100 cm以下深部SOC已占总量30%以上。尽管深层土壤中的OC百分含量较低，并可能包含一定岩源有机碳成分，但由于风化前锋下移导致风化层增厚，深层总SOC储量仍显著增加。该部分清楚表明，仅依赖表层土样会严重低估真实SOC储量，尤其是在深层滑坡地貌广泛分布的山地区域。

随后，作者将建立的SOC—年龄关系应用于整个滑坡数据库，对OCR区域进行外推估算，并与SoilGrids 2.0进行比较。研究发现，在仅考虑表层0至30 cm时，基于滑坡年代序列的SOC估算与SoilGrids相近，分别约为8.01 × 10⁹ kg C和6.62 × 10⁹ kg C。但当纳入0至100 cm深度后，SOC总量增至1.38 × 10¹⁰ kg C；当进一步采用全剖面估算时，总量达到1.66 × 10¹⁰ kg C，约为表层估算的2倍。在一个约150 km²的小流域案例中，将滑坡年龄模型用于滑坡像元、并将SoilGrids用于非滑坡像元后，流域SOC总量较原有SoilGrids估计提高超过25%。该结果说明，显式引入滑坡地貌及其年龄信息，能够显著提升流域和区域尺度SOC库存估算。

讨论部分首先指出，SOC的垂向迁移与储存受土层厚度、生物地球化学特征、根系深度和水文过程共同控制，而这些关键带特征又受岩性、气候、矿物反应性和地形构造应力等因素调节。研究表明，在以搬运受限（transport-limited）为特征的山地环境中，风化岩层厚度可远大于表层土壤厚度，因此将地貌演化过程纳入模型对于完善山地区域SOC清单至关重要。本文通过滑坡清单、地形分析和定点深剖面采样相结合，证明了地貌过程在SOC空间分布中的决定性作用。

进一步地，作者讨论了深部风化的双重意义：一方面，它通过增加孔隙度和储存空间促进现代有机碳向深层累积；另一方面，它也可能使岩源有机碳暴露于氧化条件而趋于失稳。文中指出，在>100 cm深度处，许多样点的OC含量低于0.6%，其中部分数值接近区域既往报道的基岩有机碳范围，说明深层碳库的组成可能同时包含现代SOC和岩源OC。尽管该研究未对两者做系统区分，但充分表明深层风化带是不可忽视的重要碳储存空间，也是碳稳定性评估中的关键界面。

作者还讨论了0至30 cm和0至100 cm区间内SOC在41.8至86 kyr之间出现的“凹陷”现象。该现象与其他年代序列研究结果一致，可能对应于低结晶矿物向更高结晶度矿物“熟化”的成土矿物学转变过程。这一转变会削弱矿物对有机碳的稳定作用，从而导致中等年龄阶段SOC暂时下降。OCR中同基质的河流阶地年代序列也观察到类似趋势，并伴随Fe矿物提取形态变化。虽然本文采用的对数拟合未能完整捕捉这一局部下降，但由于处于该年龄段的滑坡比例不足5%，对区域总量估算影响有限。

在更广泛的应用层面，作者指出，全球模型如SoilGrids主要适用于全球、洲际或大区域研究，可较好体现气候和植被对SOC的影响，但难以分辨滑坡扰动等局地地貌复杂性，因此在山地丘陵环境中存在系统偏差。相比之下，深层滑坡沉积物具有清晰可识别的地形特征，且常可通过LIDAR与遥感影像快速提取，这为构建区域尺度、地貌约束型SOC模型提供了现实条件。特别是在深层滑坡普遍发育、且滑坡年龄分布广的地带，将滑坡数据库与地表粗糙度—年龄关系结合，有望显著改善SOC库存评估。

研究结论部分可概括翻译如下：研究结果表明，古老深层滑坡沉积物因促进深部风化和厚层风化剖面发育，而形成显著的深层SOC储库；在滑坡年龄较大的地貌单元中，深部SOC构成总储量的主要部分。与未纳入地貌控制的现有全球模型相比，显式考虑滑坡沉积物及其年龄可显著提高山地流域和区域尺度SOC库存估算精度。由此可见，地貌学信息是量化SOC储量、理解关键带碳循环并支持流域管理的重要约束条件。

总体而言，该研究以OCR深层滑坡沉积物为对象，建立了滑坡年龄—SOC关系并成功外推至区域尺度，证明深部风化与古老滑坡沉积物在山地SOC储存中具有核心作用。论文的主要贡献不在于提出推测性机制，而在于用年代序列、深剖面观测和区域滑坡数据库相结合的方式，清晰展示了深层碳库长期被低估这一事实，并为今后在山地复杂地貌中开展更精确的SOC核算提供了可复制的方法框架。