土壤碳循環新視角：從割裂到耦合，邁向可調控氣候緩沖系統

原文發表于《科技導報》2025 年第22 期 《 土壤碳循環的新視角：有機碳?無機碳?氣候系統的耦合框架 》

準確理解并有效管理陸地生態系統的碳循環過程，已成為地球系統科學和可持續發展實踐的核心挑戰。土壤，作為陸地生態系統的基石，蘊藏著遠超大氣與植被碳庫總和的巨大碳儲量，其動態微小波動即可深刻影響大氣二氧化碳濃度，從而擾動全球氣候。傳統的土壤碳庫研究的“二元分割”視角日益難以解釋復雜的觀測事實，也限制了我們預測土壤碳匯對未來氣候變化響應能力。

本文梳理了SOC與SIC的形成與封存機理，揭示了SOC與SIC通過生物地球化學橋梁深度耦合，闡明了兩者在外源因子驅動下呈現的動態路徑。最終，提出了面向不同氣候帶與土地利用類型的區域調控與碳管理策略，旨在將土壤從被動碳匯轉變為可主動調控的氣候緩沖系統，為深化地球系統理論、優化碳中和路徑提供科學基石。

1 傳統范式的局限：被割裂的碳世界

一方面，SOC的形成與封存是一個涉及碳輸入、微生物轉化、物理化學保護及環境調控的復雜過程。早期理論（即“化學惰性假說”）認為，SOC主要源于植物殘體中難降解的大分子有機物（如木質素、纖維素），其穩定性由組分的化學復雜性決定。然而，至20世紀末21世紀初，學界認識到SOC的持久性更多取決于其與礦物顆粒的結合狀態，而非有機分子的本征結構。

Lehmann等提出的有機?礦物復合體（MAOM）概念成為這一新視角的基石，它指出SOC的長期封存依賴于有機質與礦物表面形成的穩定吸附或絡合結構；與之相比，顆粒有機質（POM）則受環境擾動影響較大，周轉更快。這一認知轉變使SOC研究的核心從物質性質轉向了環境界面與能量約束。

此外，土壤團聚體提供了另一條關鍵的物理保護途徑。Tisdall等提出的“團聚體層級理論”認為，微團聚體內的有機碳可在數十至上百年尺度上保持穩定（圖1）。

圖1 土壤有機碳形成和穩定過程

與SOC相比，SIC的研究起步較晚，但其在全球碳循環中占據著同等重要的地位。SIC主要以碳酸鹽形式存在，可根據其來源分為2類：源自成土母質的原生碳酸鹽，以及通過現代成土過程重新沉淀形成的次生碳酸鹽。SIC的組成與來源直接決定了其在碳循環中的角色與動態。原生碳酸鹽主要來自母巖的風化殘留物（如石灰巖、大理巖），穩定性高、周轉周期可達上萬年，構成了土壤中相對惰性的背景碳庫。相比之下，次生碳酸鹽（又稱成土碳酸鹽）的動態性則強得多，是連接SOC與SIC循環的核心環節。其形成主要依賴3條路徑（圖2）：

• 其一，是巖礦風化，為沉淀反應提供離子基礎；

• 其二，是生物碳驅動路徑，即SOC礦化和根系呼吸產生的CO2溶解于土壤水形成碳酸，進而與Ca2+/Mg2+結合形成碳酸鹽沉淀；

• 其三，是外源輸入，如農業中施用石灰或地下水補給帶來的碳酸鹽離子。

圖2 SIC的動態循環與封存路徑

長期以來，SOC與SIC被視為2個相互獨立的碳循環單元，然而，“二元分離”框架已無法解釋土壤碳循環的真實復雜性。SOC對SIC的驅動作用首先體現在碳源供給與微環境重構2個方面（圖3）。“溶解?再沉淀”循環是SOC與SIC之間物質與能量交換的主鏈，其速率與方向對局地碳匯功能具有決定性影響。此外，溶解性有機碳（DOC）可與Ca2+、Mg2+等離子形成有機配合物，改變碳酸鹽成核與生長速率，進而調控SIC的形態與穩定性。

這些過程表明，SOC通過CO2動態與有機配體化學雙通路深度介入了SIC的生成與遷移，體現了強烈的生物地球化學耦合特征。反之，SIC也通過理化調控與結構保護作用反饋影響SOC的穩定性與周轉（圖3）。這種穩定的化學環境不僅影響有機質的電荷狀態與酶促反應速率，還通過選擇性地塑造微生物群落結構調節碳循環途徑。

圖3 SOC?SIC系統耦合概念模型

微生物群落是連接SOC與SIC的關鍵橋梁。更復雜的生物礦化過程則涉及有機模板控制的成核與晶體生長，其結果是形成具有有機外殼的碳酸鹽復合體。這些微生物誘導與調控機制不僅強化了SIC的生成速率，也為SOC的持久封存提供了礦物學路徑。此外，微生物殘體碳（MNC）在富含碳酸鹽環境中更易被礦物吸附或包埋，表現出更高的保存率，這意味著微生物群落既是SOC?SIC轉化的催化者，也是固碳結構的構建者。

2 SOC?SIC?氣候三重耦合框架：揭示土壤碳系統的內在聯系

新提出的“三重耦合框架”的核心突破在于，在此框架下，氣候因子不再被視為單向的驅動者，而是與土壤碳庫構成相互作用的復雜反饋環路：氣候因子控制著碳的輸入與轉化速率，而土壤碳動態又反過來調節著地?氣界面的CO2通量。這種雙向耦合構成了一個多級反饋網絡，最終決定著土壤是扮演長期碳匯還是瞬時碳源的角色。在這一耦合框架下，土壤碳庫對氣候變化的響應并非單一模式，而是依據環境條件的不同，主要表現出3種典型的動態路徑：協同增強、權衡補償與臨界失穩（圖4）。

圖4 土壤有機碳?無機碳?氣候三重耦合框架

在協同增強路徑中，適度升高的CO2濃度與溫和的水熱條件共同提升了植被生產力，從而增強了根系碳輸入與微生物活動，有利于SOC的積累；與此同時，根際呼吸產生的CO2在土壤溶液中形成碳酸根離子，促進了次生碳酸鹽的沉淀。這種有機碳與無機碳的協同固存不僅放大了土壤的碳匯效應，還通過固定CO2對氣候系統形成負反饋。

然而，在干旱?半干旱區或存在顯著水文波動的生態系統中，權衡補償路徑更為常見。此時，SOC的積累與SIC的形成往往呈現出此消彼長的關系。這一動態權衡揭示了土壤總碳庫的非加性特征，即SOC與SIC的變化不可簡單線性相加，必須考慮其相互替代與能量補償效應。

當外界脅迫（如持續酸化、鹽漬化或極端干旱）超出土壤系統的調節閾值時，系統便會進入臨界失穩路徑。該機制對于理解和預警區域碳匯突變及土地退化的碳效應具有重要的警示意義。

在自然系統固有的非線性基礎上，人類活動作為強大的外生擾動，進一步放大和復雜化了SOC?SIC?氣候之間的反饋強度。因此，在這個三重耦合系統中，人類活動既可能成為碳匯的放大器，也可能成為系統失穩的誘發因子，其凈效應取決于具體的管理方式、區域氣候背景與土壤類型的綜合作用。

3 SOC?SIC耦合的區域調控與碳管理策略：從機制認知到實踐路徑

基于SOC?SIC?氣候三重耦合框架，本研究構建了一個“機制驅動—管理優化—碳匯增強”的實踐路徑，強調通過整合生態過程、地球化學條件與人為干預，在不同生態區和土地利用類型中實現土壤有機與無機碳庫的協同提升。

在區域尺度上，SOC與SIC的耦合格局沿水分梯度呈現顯著分異，這要求管理策略必須因地制宜。此處的策略應著眼于促進SOC分解所釋放的CO2向穩定的次生無機碳轉化，其形成受土壤CO2分壓、Ca2+遷移和蒸發強度共同調控。這種鮮明的氣候帶依賴性，是實現SOC與SIC協同增匯、提升土壤系統整體碳匯功能的基礎。

從元素循環的宏觀視角看，鈣無疑是連接SOC與SIC循環的“化學樞紐”，是實現長期碳固存的關鍵介質。調控策略可沿著“補鈣—穩碳—封碳”的邏輯鏈條展開。這條融合了地球化學與生態過程的路徑，為區域碳匯能力的重建提供了核心的機制支撐。

微生物過程強化，特別是MICP技術，是推動土壤碳匯從基礎研究走向應用的前沿方向。MICP技術具有低能耗、生態兼容性好和所形成的礦物穩定性高等優勢，有潛力構建高效的“植物?微生物?礦物”三元固碳體系。未來的工作重點在于優化功能微生物群落的代謝路徑，開發精準的過程調控系統，并全面評估該技術在不同土壤類型中的實際碳匯潛力與氣候協同效應。

盡管我們強調了SIC在不同氣候帶和土地利用類型下呈現的高度動態性，但這一特征在現行的國家與全球碳匯核算體系中仍未得到充分體現。未來的碳匯計量需在3個層面進行調整：

• 其一，在清單層面，應將次生碳酸鹽的形成與溶解納入溫室氣體清單并建立區域化的SIC監測指標，以反映土壤?大氣?水體之間的真實碳通量；

• 其二，在模型層面，應將碳酸鹽化過程、Ca循環與根際CO2微環境等關鍵機制嵌入現有陸面模型，增強其在干旱區與石灰性土壤中的適用性；

• 其三，在政策層面，有必要構建能夠同時激勵SOC與SIC提升的核算體系，使固碳潛力不再局限于有機碳維度，而能體現無機碳庫在地質時間尺度上的穩定性與長期貢獻。

綜上，SOC?SIC耦合的區域調控與碳管理代表著土壤科學與氣候政策交匯的前沿。展望未來，亟需構建一個“機制?模型?管理?政策”的一體化框架，并借助跨尺度觀測與數據同化技術來量化協同固碳的實際潛力，從而將土壤從被動的碳匯轉變為可主動調控的氣候緩沖系統，為全球碳中和與土地可持續管理奠定堅實的科學根基。

本文作者：汪怡珂、于點、黃元元

作者簡介：汪怡珂，中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，博士后，研究方向為土壤有機碳及相關模型構建；黃元元（通信作者），中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室，研究員，研究方向為陸地生態系統碳、水、氮和磷循環的模擬及預測。

文章來 源 ： 汪怡珂, 于點, 黃元元. 土壤碳循環的新視角：有機碳?無機碳?氣候系統的耦合框架[J]. 科技導報, 2025, 43(22): 23?38 .

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