土地利用对深层土壤CO2汇的未识别控制：多深度观测与DeepCO2过程模拟揭示生产-运输解耦

《Global Change Biology》：Previously Unrecognized Land-Use Control on Deep Soil CO2 Sink

　　

陆地表面模型通常假设土壤CO₂产生迅速从土壤剖面转移出去，实际上将呼吸等同于近地表信号。然而，尽管原位生产有限，持续深层土壤CO₂富集反映了表土呼吸CO₂的双向交换，表明以地表为中心的假设可能并非普遍有效。在此，研究人员将全年、多深度野外观测与基于过程的建模（DeepCO₂）相结合，量化土地利用（农田、森林和森林-农田边缘）和气候对土壤CO₂生产-运输动态的影响。研究人员揭示土壤CO₂显著垂直解耦，深层CO₂（>1 m）浓度高达地表浓度的两个数量级，比仅能由原位生产解释的浓度高9–17倍，揭示剖面尺度生产-运输失衡。森林土壤促进深层CO₂累积比农田和边缘系统高约2.3倍，由增强的大孔隙度（macroporosity）和更强平流耦合（advective coupling）驱动。季节性气候强迫调节这些状态，冬季寒潮抑制交换，而春夏季变暖放大了来自原本“受保护”深层土壤有机碳（SOC, soil organic carbon）的CO₂源强度，尤其在农田和边缘土壤中。这些发现表明，表土呼吸CO₂的很大一部分被重新分配到土壤-大气边界以下并保留在地下，形成对土地利用敏感的CO₂-C汇。因此，基于地表的CO₂评估反映的是运输受限、边界条件信号，而非剖面尺度生产的直接代理，单独无法解析土壤呼吸碳的完整分配。因此，纳入深度依赖的生产-运输耦合对于准确表征持续土地利用变化和气候变暖下的陆地碳分配和陆地-气候反馈至关重要。

论文解读

深层（>1 m）土壤碳过程日益被认为是全球碳收支中关键但代表性不足的组成部分，其调控土壤-大气CO₂交换以及气候变化下陆地碳的持久性。土壤碳库包括有机碳（SOC, soil organic carbon）和无机碳（SIC, soil inorganic carbon），但其气候相关性主要通过CO₂中介；CO₂作为中心可移动中间体，连接整个土壤剖面中的生物生产、物理再分配和地球化学稳定。微生物分解SOC和根系呼吸产生的CO₂在土壤孔隙中积累，可排放至大气、向下迁移或溶解于土壤水，进而调节酸碱平衡、矿物风化和碳酸盐形成。尽管深层土壤CO₂动态具有核心作用，但超过80%的观测和建模研究局限于上部30–50 cm，忽视了对识别源与排放汇分配动态至关重要的地下生产、运输和季节再分配。土地利用和气候通过调控根系深度、有机质输入、土壤结构和气水运输性质影响这些动态，然而基于地表的评估无法解析非稳态条件下的垂直CO₂梯度。为此，Kenneth Tetteh、Mostafa Abdollahpour、Leopold Sauheitl、Georg Guggenberger和Kazem Zamanian等将深度分辨野外观测与HYDRUS基机制建模（DeepCO₂）结合，量化大气强迫、土壤水分和温度如何调节不同土地利用（森林、农田及其过渡边缘）下的CO₂生产与运输。该研究发表于《Global Change Biology》。研究得出，深层CO₂浓度可达地表浓度的两个数量级，并比仅由原位生产解释的浓度高9–17倍；森林土壤深层CO₂累积约为农田和边缘系统的2.3倍，受增强的大孔隙度和更强平流耦合驱动。季节性气候强迫调节上述状态，冬季寒潮抑制交换，春夏季变暖放大了来自原本“受保护”深层SOC的CO₂源强度。研究表明，大量表土呼吸CO₂被再分配至土壤-大气边界以下并保留于地下，形成对土地利用敏感的CO₂-C汇；因此，基于地表的CO₂评估是运输受限、边界条件信号，不能单独解析剖面尺度生产与土壤呼吸碳的完整分配，需纳入深度依赖的生产-运输耦合以准确表征陆地碳分配和陆地-气候反馈。

为开展研究，研究人员在德国下萨克森州Fuhrberger Feld集水区（52.52° N, 10.05° E）设置三个景观簇，共9个农田、森林和过渡边缘样地。垂直分层为0–10、10–30、30–50、50–100、100–150和150–200 cm。采用EcoTech气体采样器测深层CO₂，静态箱测地表CO₂通量，TRIME-PICO TDR/SMT-100测水分、温度和电导，张力计测土壤水势。每月采集土壤气体；五个季节campaign测定微生物生物量碳（MBC）、根系生物量、SOC、pH和质地。用HYPROP蒸发法和WP4C露点电位法获得水分保持曲线，falling-head法测饱和导水率。DeepCO₂框架嵌入HYDRUS-1D，耦合Richards水流、热传输和CO₂生产-运输，以日气象强迫驱动，0–200 cm划为六层，301节点，模拟2024年8月—2025年7月。

研究结果方面，3.1“气候驱动的水力与热力特征跨土地利用”：通过2024年8月至2025年7月多深度、季节分辨的水充孔隙度（WFP, water-filled porosity）和土壤温度观测，发现WFP随深度和冬季增加，约15%–78%；根际≤100 cm一般维持氧化/田持条件，WFP约40%–70%，而>100 cm更湿，WFP>80%。土壤温度呈凹形、深度和土地利用特异分层，0–10 cm日变化和季节振幅为5°C–13°C，深层150–200 cm逐渐减弱；农田和森林-农田边缘地表夏季31°C–35°C、峰值>38°C，冬季?4°C，森林热稳定性更高，表面均值25°C–29°C，深层8°C–18°C。模型模拟与测量一致，表明DeepCO₂框架可再现土地利用特异的温度动态和振幅差异。

3.2“日到季节土壤CO₂动态揭示跨土地利用的生产-运输失衡”：通过DeepCO₂模拟和野外观测，发现土壤CO₂生产随土地利用、深度和季节强烈变化，生产速率在上部30 cm峰值约4–6×10⁴ μmol mol^?1 d^?1，随深度指数下降，50 cm以下很少超过10³–10⁴ μmol mol^?1 d^?1。暖期农田和边缘土壤生产延伸至50–80 cm，森林至约100 cm；冬季冷抑制使生产降至<10³ μmol mol^?1 d^?1。CO₂浓度浅层10–50 cm日变化最大，春夏白天峰值约10,000–60,000 ppm，夜间和冬季最低接近大气平衡约350–750 ppm；深层100–200 cm日变化减弱，但浓度达约12–318倍大气，即0.1–1×10⁵ μmol mol^?1，比仅由原位生产预期高约9–17倍，森林放大2–2.26倍，表明显著生产-运输失衡。

讨论部分，4.1“气候强迫下土地覆盖相关的垂直土壤CO₂生产差异”：通过深度和季节观测/模拟，发现最高生产集中于上部约30 cm，贡献>90%总呼吸，随深度因有机碳、根系、温湿条件限制而下降。春夏季辐射强迫使土壤温度20°C–35°C、WFP 40%–70%，加速酶反应、底物氧化和碳周转，产生峰值CO₂通量约4×10⁴–6×10⁴ μmol mol^?1 d^?1；冬季冷抑制可使CO₂生产较夏季低约150倍，过饱和>80% WFP限制O₂扩散，干旱<30% WFP限制代谢。农田和边缘稀疏冠层增强地表增温22°C–40°C和蒸发，促进深层热/通气前沿50–100 cm，支持30–80 cm SOC来源CO₂生产；森林有机碳和根系较高，但冠层-凋落物隔热使热梯度15°C–18°C，微生物活动限于较暖浅层，深层SOC对CO₂生产贡献可忽略，而深根使生产前沿延伸至约100 cm。土地利用不仅影响生产量，也影响垂直分布和气候敏感性；农田深层MBC比森林高87%±26%，森林-农田边缘比森林高200%±47%，可能增加深层SOC对变暖的脆弱性。多数地球系统模型将土壤呼吸表示为垂直整合、表面加权温度响应，可能未充分捕捉这种生物活动垂直重构；由于站点非受控土地利用转换实验，结果解释为当前土地覆盖与环境控制之间的关联，而非土地利用变化单独导致差异，且1 m不应视为普遍代谢边界。

4.2“土地利用依赖的深层土壤CO₂富集定义边界驱动的土壤-大气呼吸CO₂交换”：通过测量与模拟，发现0–10 cm CO₂浓度接近模型和大气信号；10 cm以下尤其30 cm以内，测量和模拟CO₂浓度持续超过土壤-大气边界，表明存在生产盈余和呼吸CO₂向大气交换或向下再分配的双路径。30–100 cm为混合生产-再分配区，原位呼吸占10%–25%，但浅层平流输入超过局地生产2–17.5倍。森林通过裂隙、裂缝和根通道增强大孔隙度，促进纵向弥散和平流耦合，维持有效气体扩散系数（De, effective diffusivity）0.6–0.8×10^?6 m² s^?1，使50–100 cm累积比局地生产高10–17.5倍，100–200 cm达0.12–1.20×10⁵ μmol mol^?1，即12,000–120,000 ppm，约20–242倍大气。春夏生产较冬季平均高115倍，温度-孔隙度依赖扩散有利于深层CO₂负荷，较冬季高约12–22倍，同时表面信号增强约1.23–2.22倍。农田和边缘热梯度较高、大孔隙度较低，削弱气体运输，使浅层有效排气，深层CO₂负荷较森林低约50%–57%，但仍超原位生产4–13倍。>100 cm氧气有限、温度次优，原位呼吸受抑制，CO₂动态由运输受限累积主导，构成潜在深层CO₂储存池；高CO₂可促进溶解和碳酸形成，提供矿物风化和水溶无机碳保留的潜在路径。一致观测与模拟表明，深层CO₂富集主要来自运输受限累积而非单独原位呼吸，支持表土呼吸碳的地下交换；基于地表的土壤CO₂评估是运输受限、边界条件信号，而非总土壤呼吸碳直接代理。

研究结论部分翻译如下：这些结果为土壤CO₂源强度和归趋提供了机制基础，表明相当一部分表土呼吸CO₂绕过土壤-大气边界并向下再分配，形成可观的深层土壤CO₂-C储存池。因此，深层土壤不仅作为通道，而且作为活跃储存域；其中累积CO₂可达比大气水平高两个数量级的浓度，揭示土壤呼吸碳分配中的主导地下路径。该机制有助于解释深层低呼吸速率与不成比例高CO₂浓度及分压之间的长期差异。与新兴证据一致，这些发现进一步表明，基于地表的土壤CO₂评估代表运输受限、边界条件信号，受演化浓度梯度、压力动态和再分配调控，而非总土壤呼吸碳的直接代理。因此，仅依赖地表测量无法解析田间条件下土壤呼吸碳的完整分配。纳入深度依赖的CO₂源强度和双向交换动态，对于准确表征陆地碳-气候反馈至关重要，尤其在变暖和土地利用变化强化垂直耦合的情况下。森林恢复、农林复合和结构性土壤保护可能增强光合固定碳通过根源输入和呼吸向更深土壤转移，随后地下再分配和呼吸CO₂保留，可能强化长期陆地碳汇。未来需要将呼吸CO₂通量分配扩展至大气和地下水边界并沿水文梯度开展研究，以量化这些深层域中CO₂-C双向交换和持久性的大小与时机，并改进全球陆地碳分配估算。