土壤碳储量：气候梯度下粗大碎屑和底土的未被充分重视的贡献

《CATENA》：Soil carbon stocks: Overlooked contributions from coarse fragments and subsoil across a climatic gradient

　　哈米德·雷扎·拉菲伊-萨尔比詹|阿扎姆·贾法里|艾哈迈德·海达里|艾哈迈德·阿巴斯纳贾德|穆罕默德·哈迪·法尔普尔|卡泽姆·扎马尼安•27–42%的土壤无机碳以碳酸盐涂层的形式存在于大于2毫米的粗粒部分中。•超过75%的土壤无机碳以及约48%的土壤有机碳储存在25厘米深度以下。•土壤无机碳在土壤碳中占主导地位（82–90%），且随降水量增加而增加。•硅酸盐矿物（原生）和石膏是推动土壤无机碳沉积的关键因素。

引言
土壤在调节全球气候变化中起着至关重要的作用，因为仅在100厘米深的土壤层中，所含的碳量就至少是大气中的三倍（Abbas等人，2020年；Raza等人，2021年；He等人，2025年）。因此，这一巨大碳库的微小变化都可能显著改变大气中的二氧化碳浓度（Zamanian等人，2016年；Wang等人，2016年；Raza等人，2024年）。所以，确定土壤碳储量对于理解土壤在全球碳循环中的作用至关重要。植被覆盖、土壤类型和气候等因素会影响不同地区的土壤碳储量大小。土壤碳储量由两个主要成分构成：土壤有机碳和土壤无机碳（Lal，2004年；Sharififar等人，2023年；Raza等人，2024年）。土壤有机碳是由植物或土壤微生物产生的有机化合物的复杂混合物（Qin等人，2024年）。据估计，1米深度处的全球土壤有机碳储量为1500–1600 Pg C，2米深度处则为2376–2456 Pg C（Raza等人，2024年）。土壤有机碳储量及其对土壤二氧化碳通量的贡献反映了有机物输入与因分解、侵蚀和淋溶造成的损失之间的长期平衡状况（Vitharana等人，2019年）。有机物的分解速率受水分和温度等环境条件、土壤生物的组成与活动以及有机残留物的化学特性等因素的影响（Zhao等人，2016年）。由于土壤有机碳对土地利用变化的响应相对较快，因此受到了广泛关注并进行了大量研究（Gao等人，2018年；Ramesh等人，2019年）。

土壤无机碳主要以碳酸盐矿物的形式存在，最常见的为方解石和白云石（Ming，2005年）。全球范围内，表层1米土壤中的土壤无机碳储量约为695–800 Pg C（Pg = 1015克），而2米深度处的储量则约为2300 Pg C（Tao等人，2022年；Huang等人，2024年）。在干旱和半干旱地区，土壤无机碳是主要的碳存在形式（Liu等人，2014年；Raheb等人，2017年；Sharififar等人，2023年；Raza等人，2024年），这些地区表层2米土壤中的土壤无机碳含量可能是土壤有机碳的10到17倍，甚至可占土壤总碳储量的90%（Eswaran等人，2000年；D?′az-Hernández等人，2003年；Emmerich，2003年；Raza等人，2024年）。尽管土壤无机碳的储量相当可观，尤其是在较深层次时与土壤有机碳的储量相当，但其在调节大气二氧化碳方面的作用却一直被忽视（Raza等人，2024年）。这主要是因为与土壤有机碳相比，土壤无机碳对生物碳循环的贡献较小（Zamanian，2024年）。土壤无机碳由岩源碳酸盐和土源碳酸盐两种主要成分构成。岩源碳酸盐源自土壤母质，如石灰岩块，而土源碳酸盐则通过岩源碳酸盐的溶解和再沉淀，或是硅酸盐矿物和石膏风化释放出的钙离子沉淀形成（Wang等人，2015年；Laudicina等人，2021年）。

自然条件下碳酸盐沉淀和溶解的控制过程可用以下方程式表示：
CO2 + H2O ? HCO3? + H+
Ca2+ + 2HCO3? ? CaCO3 + H2O + CO2↑

土壤含水量、pH值、二氧化碳分压以及HCO3?和Ca2+浓度直接影响土壤无机碳的动态变化（Breecker等人，2009年）。此外，气候（降水量和温度）（Landi等人，2003年；Raheb等人，2017年）、地形（Li等人，2015年）、土壤母质（D?′az-Hernández等人，2003年）以及土壤性质（Civeira，2016年；Ngaba等人，2023年），包括土壤盐分和石膏含量等可能影响上述变量的因素，也会影响土壤无机碳的储量。

目前对土壤无机碳储量的评估存在两种主要的系统性偏差，可能导致其被严重低估。首先，常规的土壤分析侧重于小于2毫米的细粒土壤部分，刻意忽略了大于2毫米的粗粒碎片。在干旱地区常见的砾质土壤中，有很大一部分土源碳酸盐以碳酸盐涂层的形式积聚在粗粒碎片的表面（Gile等人，1966年；Treadwell-Steitz和McFadden，2000年）。由于分析上的困难，这些涂层通常不会被纳入碳储量统计中，从而导致其在定量贡献方面的知识存在很大空白（例如Batool等人，2025年）。其次，虽然已知土壤无机碳会随深度增加而积累（Díaz-Hernández等人，2003年；Wang等人，2010年），但土壤碳研究大多集中在表层土壤上（You等人，2020年；Raheb等人，2017年）。然而有研究表明，土壤剖面中超过50%的土壤无机碳可能储存在30厘米以下（Wang等人，2010年）。例如，Raheb等人（2017年）发现，在半干旱地区，若忽略下层土壤中的土壤无机碳，会导致总储量被低估多达40%。这种对下层土壤的忽视使得人们无法全面了解干旱地区土壤的总碳固存能力。

为弥补这些知识缺口，本研究的核心问题是：在干旱地区，忽略大于2毫米的粗粒部分以及深度超过25厘米的土壤层，会在多大程度上导致土壤总无机碳储量的低估？我们提出如下假设：（1）忽略粗粒碎片会导致土壤无机碳总储量被严重低估；（2）下层土壤层所包含的土壤无机碳占土壤剖面中总土壤无机碳储量的50%以上。因此，本研究的具体目标为：（1）测定在不同气候梯度下，以碳酸盐涂层形式储存在粗粒碎片上的土壤无机碳所占的比例；（2）确定土壤有机碳和土壤无机碳储量的深度分布情况，以及它们与年平均降水量之间的关系。通过将粗粒部分和深层土壤纳入评估范围，本研究能够更全面、更准确地量化干旱和半干旱生态系统中的碳储存情况。

研究区域
本研究选择了伊朗东南部克尔曼省的雷恩、吉罗夫特和萨尔多耶赫三座城市附近的三个采样点（图1a）。尽管这三个地点彼此邻近，但其气候条件却存在差异。这些研究地点位于乌尔米亚-多赫塔尔岩浆弧的东南部，该岩浆弧是一条呈西北-东南走向的岩浆带，形成于新特提斯海的斜向俯冲作用之下（Rasouli等人，2016年）。共挖掘了15个土壤剖面样本，其中6个位于……

土壤的物理化学性质
与MAP值较高的萨尔多耶赫和吉罗夫特相比，雷恩超干旱地区的土壤有机碳、土壤无机碳和土壤总碳含量相对较低（表2）。土壤各层中的平均土壤无机碳含量随MAP值的增加而上升，雷恩为1.68%，吉罗夫特为2.25%，萨尔多耶赫为2.57%。平均土壤有机碳含量则随降水量的增加（即干旱指数）而逐渐上升，雷恩为0.23%，吉罗夫特为0.25%，萨尔多耶赫为0.63%。方解石是这类土壤中最主要的矿物成分，约占……

粗粒部分对土壤无机碳储量的贡献
在砾质钙质土壤中，有很大一部分土壤无机碳以碳酸盐涂层的形式存在（图1c和图3），这类涂层通常通过筛分与细粒土壤分离，因此常常被忽视。在所研究的土壤中，碳酸盐涂层约占总土壤无机碳储量的31%至45%（图2，图3b），这一数据清楚地表明，如果仅考虑细粒土壤部分，尤其是 在干旱和半干旱地区，土壤无机碳的储量会被严重低估（Stanbery等人……）

结论
在超干旱到半干旱地区的砾质土壤中，以碳酸盐涂层形式存在于粗粒土壤中的无机碳约占土壤无机碳总储量的27%至42%。因此，通常只检测小于2毫米的细粒土壤部分来估算土壤无机碳储量的方法会导致严重低估。随着MAP值的增加以及土壤深度的增加，土壤无机碳储量的低估程度也会加剧。这是因为在半干旱地区以及更深的土壤层中，会有更多碳酸盐涂层的形成。

作者贡献说明
哈米德·雷扎·拉菲伊-萨尔比詹：撰写——初稿、方法论、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。阿扎姆·贾法里：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、研究实施、数据整理。艾哈迈德·海达里：撰写——审阅与编辑、方法论、研究实施、概念构建。艾哈迈德·阿巴斯纳贾德：撰写——审阅与编辑、方法论、研究实施、数据整理、概念构建。穆罕默德·哈迪·法尔普尔：撰写——审阅与编辑、方法论……

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
我们衷心感谢克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学的农业与自然资源学院对本研究提供的资金支持。卡泽姆·扎马尼安还要感谢德国研究基金会（DFG，ZA 1068/4）的支持。