降水梯度调控黄土高原深层土壤有机碳与无机碳的分配及其相互关系

《CATENA》：Precipitation gradient modulates partitioning and interrelationship of deep soil organic and inorganic carbon in the loess plateau

　　

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  深层土壤有机碳（SOC）随深度下降，而土壤无机碳（SIC）先上升后波动。
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  SIC 在年降水量 500–600 毫米的区域达到峰值，而不是在最湿润的区域。
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  深层 SOC–SIC 的相关性从正值（干旱区）转变为负值（湿润区）。
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  全氮（TN）和深度最能预测 SOC；土壤含水量（SWC）、TN 和深度最能预测 SIC。

引言

土壤代表了陆地生态系统中最大的碳库。表层 0–30 厘米土壤有机碳（SOC）的储量估计约为 1500 Pg，这比大气碳库中的碳多两倍多，是植被中储存碳量的三倍（Trumbore, 1997）。因此，土壤碳库在缓解全球变暖方面起着至关重要的作用（Bossio et al., 2020; Lal, 2004）。然而，值得注意的是，SOC 储量的评估高度依赖于采样深度（Harrison et al., 2011）。在全球尺度上，0–200 厘米和 0–300 厘米层中的 SOC 储量分别比传统的 0–100 厘米层高 33% 和 23%（Jobbágy and Jackson, 2000），表明深层土壤具有巨大的碳储存潜力。然而，目前关于土壤碳汇的研究主要集中于 SOC，而很大程度上忽视了土壤无机碳（SIC）库。

SIC 也是土壤碳库的重要组成部分，全球 0–100 厘米层的储量为 950 Pg（Batjes, 1996），约占土壤总碳库的 40%（Lal, 2004）。传统上，SIC 被认为是深层土壤中相对稳定的碳组分。然而，最近的证据表明，气候变暖以及农业活动（如施肥引起的土壤酸化）显著促进了碳酸盐溶解，并可能释放 5.83–23 Pg 的 CO₂（Cotrufo and Lavallee, 2025）。这表明 SIC 也可能充当潜在的碳源，因此值得在全球碳循环研究中重新关注（Huang et al., 2024）。

SOC 和 SIC 的垂直分布受多种因素调节。土壤水主要与降水相关，影响植被生产力、有机质分解、风化和淋溶过程，从而影响 SOC 和 SIC 的分布（Davidson and Janssens, 2006; Jia et al., 2017a）。一般来说，SOC 倾向于在更湿润的条件下积累，而 SIC 常因溶解增强和向下运输而减少（Wang et al., 2010）。随着土壤深度增加，SIC 可能因淋溶和沉积过程而增加，而 SOC 通常下降（Wang et al., 2013b）。土地利用，如植树造林，改变了土壤物理和化学性质（Qiu et al., 2012），从而驱动 SOC 和 SIC 的碳转化和再分配（Zhao et al., 2016）。土壤水分条件进一步调节风化和淋溶过程（Dixon et al., 2016），特别影响剖面内 SIC 的迁移和再分配（Deng et al., 2016; Wang et al., 2016）。然而，大多数以前的研究都集中在浅层土壤（0–100 厘米），对深层土壤中 SOC 和 SIC 主要预测因子的系统研究仍然有限。

另一个未解决的问题是 SOC 和 SIC 之间的相互关系。以前的研究报告了这两个碳库之间的负相关，特别是在干旱环境条件下。例如，在干旱程度加剧的情况下，SOC 减少而 SIC 积累（Mi et al., 2008; Ren et al., 2024; Tan et al., 2014）。越来越多的证据证实了土壤“SOC-CO?-SIC"转化途径的存在（Liu et al., 2017; Yu et al., 2020）。在这一途径中，研究人员不仅记录了 SOC 向 SIC 的转移（Huang et al., 2024; Liu et al., 2017; Yu et al., 2020），还记录了 SIC 对 SOC 的保护调节以及这两个碳组分之间的双向转化（Ma et al., 2024）。然而，这些途径大多是基于浅层土壤观测或概念模型讨论的，来自深层土壤的直接证据仍然有限。因此，深层土壤中 SOC 和 SIC 的相互关系及其沿气候梯度的变化仍未得到充分理解。

这一知识空白在干旱和半干旱地区尤为关键，因为它们对气候变化高度敏感。这些生态系统在全球碳循环中起着关键作用，不仅因为它们具有高碳周转率和全球碳汇年际变异的显著贡献（Ahlstrom et al., 2015; Poulter et al., 2014），还因为它们储存了全球 32% 的 SOC 和 80% 的 SIC（Lal, 2019; Plaza et al., 2018）。黄土高原是东亚典型的干旱 - 半干旱过渡带，其特征是降水有限、黄土沉积深厚以及 SIC 库集中（Chen et al., 2008; Wu et al., 2025）。它还在“退耕还林”工程下经历了大规模的生态恢复，导致降水、土壤水、植被、土地利用和历史人类活动之间复杂的相互作用（Chen et al., 2015）。因此，黄土高原为研究沿降水梯度的深层 SOC 和 SIC 格局提供了有价值的自然场景。

为了弥补这些空白，本研究在黄土高原区域降水梯度上采用深钻孔采样（0–1800 厘米）来调查深层 SOC 和 SIC。特别是，这个罕见的 1800 厘米剖面为理解深层土壤碳库的垂直异质性及其与气候和环境因素的关联提供了独特的视角。具体而言，我们的目标是：(1) 揭示沿降水梯度的深钻孔剖面中深层 SOC 和 SIC 的垂直分布格局，(2) 确定与它们分布相关的主要环境预测因子，以及 (3) 阐明 SOC 和 SIC 之间的关系以及它如何随降水变化。本研究旨在为准确评估深层土壤碳库和理解干旱和半干旱地区中与其降水相关的变化提供科学依据。

章节摘要

田间试验设计与研究地点

黄土高原覆盖面积为 6.4 × 10⁵ 平方公里，占中国陆地总面积的 6.5%，核心区域覆盖 3.6 × 10⁵ 平方公里（图 1）（Zhu et al., 2018）。其特征是黄土沉积深厚、独特的生态系统以及大量的碳酸盐储存。土壤类型呈带状分布，西北部较粗，东南部较细。本研究的土壤粒径数据证实了这一模式：粉砂在整个样带中占主导地位（约 72%），而

深钻孔土壤剖面中 SOC 和 SIC 的垂直分布特征

图 2 说明了沿降水梯度的 0–1800 厘米钻孔剖面中 SOC 和 SIC 含量的垂直分布。SOC 平均含量在表层土壤中最高，在 0–100 厘米层内急剧下降，随后在 100 厘米以下下降速度减慢（图 2a）。相比之下，SIC 含量在 0–100 厘米层内随深度增加，在 100–500 厘米层内逐渐增加，然后在 500–1000 厘米层内明显波动。在 1000 厘米以下，SIC 仅变化

深钻孔土壤剖面中 SOC 和 SIC 的垂直格局

SOC 含量表现出随深度逐渐下降，然后在深层稳定，而 SIC 在上部剖面增加，并在 500 厘米以下显著波动。这种垂直 SOC 模式已在 200 厘米（Zhang et al., 2018）、500 厘米（Yu et al., 2019; Zhou et al., 2023）和 2100 厘米（Wang et al., 2015）的剖面深度中得到记录。不同空间和深度尺度的以前研究同样报告称，SIC 通常表现出增加或不规则的垂直

结论

基于黄土高原区域降水梯度收集的深层土壤样本（0–1800 厘米），本研究探讨了深层 SOC 和 SIC 的分布格局，检验了它们与降水的关联，评估了它们之间的相互关系，并确定了它们分布的主要预测因子。关键结果如下：

SOC 在上部剖面急剧下降，然后在深层更加平缓地下降，而 SIC 在 0–100 厘米层增加，并在以下强烈波动

CRediT 作者贡献声明

Jingxiong Zhou：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理，概念化。Yunqiang Wang：撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。Pingping Zhang：撰写 – 审阅与编辑。Yongping Tong：方法论，数据管理。Xiaobo Liu：数据管理。Haoran He：方法论，数据管理。Hui Sun：可视化，软件，形式分析。Ruijie Li：数据管理。Zimin Li：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42525706、42407398 和 42177306）、中国科学院创新交叉团队 - 重点实验室项目（xbzg?zdsys?202412）以及黄土科学国家重点实验室（SKLLQGPY2401）的支持。

Jingxiong Zhou|Yunqiang Wang|Pingping Zhang|Yongping Tong|Xiaobo Liu|Haoran He|Hui Sun|Ruijie Li|Zimin Li