土壤有机碳是最大的陆地生态系统碳库组分，其周转过程在全球碳循环-气候变化相互反馈中起决定性作用，也是评估土壤固碳潜力和土壤利用可持续性的关键。土壤有机碳周转时间（turnover time）表征了碳元素从进入土壤到离开土壤所经历的时间，土壤有机碳年龄（soil carbon age）则表征了碳元素在土壤中滞留的时间，二者是理解土壤有机碳形成、转化及其稳定性的核心指标。但是土壤有机碳周转过程难以直接观测，准确定量不同土层碳输入也极具挑战，与之相对应的全剖面土壤有机碳储量数据也较为缺乏，迄今关于全球尺度全剖面土壤碳输入、周转时间和年龄的研究还没有形成系统性的客观认识。土壤有机碳输入量、周转时间、年龄作为客观评价和调控土壤碳汇功能的基础，其准确量化并阐明其相互作用关系是科学认知全球变化背景下的土壤有机碳周转和收支的理论基础。

浙江大学环境与资源学院罗忠奎研究员团队联合国内外研究学者，针对全球变化背景下全剖面土壤碳循环过程开展系统研究，发挥大数据优势，构建数据-模型融合方法体系，在全球尺度上量化了土壤剖面不同土层有机碳输入、周转时间和年龄的空间格局及其相互关系，阐明了新鲜有机碳向大龄土壤碳组分的转化效率，为全球尺度全剖面土壤有机碳源汇评估和管理提供了关键数据和理论支撑。近5年来，相关研究成果陆续发表在Nature Communications（2019）、Global Change Biology（2020，2022，2024）、Earth’s Future（2024）、Global Ecology and Biogeography（2023）和Science China Earth Sciences（2023）等国内外期刊（图1）。

图1 全球全剖面土壤有机碳周转与固持系列研究进展

进展一：构建了土壤碳输入量化方法，在全球1千米分辨率上估算了分层土壤碳输入

植物将很大一部分净初级生产力通过根系分配到地下，称之为地下净初级生产力（BNPP），是土壤有机碳的主要来源之一。然而，地下不同土层深度根系碳输入的垂直分布格局和驱动因素仍未明确，准确估算不同土层深度根系碳输入并解析其驱动因子是理解全球碳循环的核心环节，对于评估全球变化背景下的碳收支具有重要意义。团队提出以根系周转和土壤有机碳垂向移动作为修正因子，利用根系生物量土壤剖面垂直分布反演BNPP的方法体系。利用该方法，以团队559个根系生物量土壤剖面分布数据为基础，结合ORNL DAAC NPP和MODIS NPP数据库，在全球1千米分辨率上估算了0~2米不同土层的土壤碳输入，阐明了不同土层碳输入的驱动因子（图2）。研究结果发现：年平均温度和年降水量是调节全球地下碳输入及其土壤剖面垂直分布最重要的两个因素；土壤理化性质，比如土壤总氮，也有重要影响。该研究为进一步分析和模拟全球全剖面土壤碳循环提供了重要的方法和数据支撑（图2）。

图2 地下净初级生产力（BNPP）在土层间的分布（a）与控制因子（b）

进展二：估算了全剖面土壤有机碳周转时间和年龄，发现小龄土壤有机碳分解主导土壤碳排放

土壤碳输入的定量使估算土壤有机碳周转时间、年龄及其分布成为可能。基于碳输入和¹⁴C数据，团队构建大数据-过程模型-机器学习融合方法，在全球尺度1千米分辨率上量化了土壤碳平均周转时间和年龄，阐明了其空间格局。结果表明，在整个0~2米土壤剖面，平均碳周转时间为194年，平均碳年龄为1476年。进一步采用多库模型模拟方法，对全球全剖面土壤碳周转时间和年龄的分布进行了计算，发现在深层土壤中碳库主要由大龄（>30年）碳组成，而在不同土层中大部分碳输入的周转时间相对都很短，其中只有小于20%的碳会在土壤中停留超过30年，从而对长期土壤固碳有贡献（图3）。归因分析进一步发现：气候（包括年际和季节波动）解释了土壤碳年龄分布22%–42%的变异，其与土壤特性的交互作用解释了另外14%–29%的变异。这一研究通过数据-模型融合的方法，实现了全球土壤碳周转时间和年龄的量化，阐明了周转时间和年龄的差异及其对长期土壤固碳的生态学意义。

图3 土壤碳周转时间（a）与年龄（b）分布

进展三：量化了全球根系碳输入对长期土壤固碳的贡献，发现新鲜碳输入的固碳效率较低

土壤有机碳的周转时间和年龄之间的关系含有碳输入固持效率的关键信息。基于上述周转时间、年龄的研究，团队进一步量化了根系碳输入对长期土壤固碳的贡献，发现只有约20%的根系碳输入进入了非根际土壤，并参与非根际土壤有机碳周转过程（图4）。基于以上发现，团队提出“根际传送带”假说，即：根际扮演连接根系输入与非根际土壤有机碳的“传送带”角色，但该“传送带”并不高效，80%的根系输入会通过在“传送带”上发生的微生物呼吸、淋溶和动物啃食等过程迅速离开土壤，从而弱化根系输入对长期土壤固碳的贡献（图4）。这一研究首次在全球1千米分辨率水平上定量了不同土层中根系碳输入对非根际土壤固碳的贡献，明确了其空间格局和土层之间的差异。根系碳输入作为土壤有机碳的主要来源，相关研究结果为准确理解全球变化背景下土壤碳输入变化造成的土壤源汇变化提供了重要的科学依据。

图4 根系碳输入对土壤固碳的贡献

相关论文↓

Luo, Z., Wang, G., & Wang, E. (2019). Global subsoil organic carbon turnover times dominantly controlled by soil properties rather than climate. Nature Communications, 10. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11597-9

Luo, Z., Luo, Y., Wang, G., Xia, J., Peng, C. (2020). Warming-induced global soil carbon loss attenuated by downward carbon movement. Global Change Biology, 26, 7242-7254. https://doi.org/10.1111/gcb.15370

Xiao, L., Wang, G., Wang, M., Zhang, S., Sierra, C. A., Guo, X., Chang, J., Shi, Z., & Luo, Z. (2022). Younger carbon dominates global soil carbon efflux. Global Change Biology, 28(18), 5587–5599. https://doi.org/10.1111/gcb.16311

Xiao, L., Wang, G., Chang, J., Chen, Y., Guo, X., Mao, X., Wang, M., Zhang, S., Shi, Z., Luo, Y., Cheng, L., Yu, K., Mo, F., & Luo, Z. (2023). Global depth distribution of belowground net primary productivity and its drivers. Global Ecology and Biogeography, 32(8), 1435–1451.https://doi.org/10.1111/geb.13705

Wang, G., Xiao, L., Lin, Z., Zhang, Q., Guo, X., Cowie, A., Zhang, S., Wang, M., Chen, S., Zhang, G., Shi, Z., Sun, W., & Luo, Z. (2023). Most root-derived carbon inputs do not contribute to long-term global soil carbon storage. Science China Earth Sciences, 66(5), 1072–1086. https://doi.org/10.1007/s11430-022-1031-5

Sierra, C. A., Ahrens, B., Bolinder, M. A., Braakhekke, M. C., von Fromm, S., Kätterer, T., Luo, Z., Parvin, N., & Wang, G. (2024). Carbon sequestration in the subsoil and the time required to stabilize carbon for climate change mitigation. Global Change Biology, https://doi.org/10.1111/gcb.17153

Wang, G., Wang, M., Xiao, L., Sierra, C. A., Chang, J., Shi, Z., & Luo, Z. (2024). Fast Transit of Carbon Inputs in Global Soil Profiles Regardless of Entering Depth. Earth’s Future, 12(2). https://doi.org/10.1029/2023ef003982