原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第22 期 《 土壤碳循環(huán)的新視角：有機碳?無機碳?氣候系統(tǒng)的耦合框架 》

準確理解并有效管理陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，已成為地球系統(tǒng)科學和可持續(xù)發(fā)展實踐的核心挑戰(zhàn)。土壤，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(xiàn)的動態(tài)路徑。最終，提出了面向不同氣候帶與土地利用類型的區(qū)域調控與碳管理策略，旨在將土壤從被動碳匯轉變?yōu)榭芍鲃诱{控的氣候緩沖系統(tǒng)，為深化地球系統(tǒng)理論、優(yōu)化碳中和路徑提供科學基石。

1 傳統(tǒng)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(huán)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(wěn)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(tài)，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(wěn)定吸附或絡合結構；與之相比，顆粒有機質（POM）則受環(huán)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(huán)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(shù)十至上百年尺度上保持穩(wěn)定（圖1）。

圖1 土壤有機碳形成和穩(wěn)定過程

與SOC相比，SIC的研究起步較晚，但其在全球碳循環(huán)中占據(jù)著同等重要的地位。SIC主要以碳酸鹽形式存在，可根據(jù)其來源分為2類：源自成土母質的原生碳酸鹽，以及通過現(xiàn)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(huán)中的角色與動態(tài)。原生碳酸鹽主要來自母巖的風化殘留物（如石灰?guī)r、大理巖），穩(wěn)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(tài)性則強得多，是連接SOC與SIC循環(huán)的核心環(huán)節(jié)。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(chǎn)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(nóng)業(yè)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(tài)循環(huán)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(huán)單元，然而，“二元分離”框架已無法解釋土壤碳循環(huán)的真實復雜性。SOC對SIC的驅動作用首先體現(xiàn)在碳源供給與微環(huán)境重構2個方面（圖3）?！叭芙?再沉淀”循環(huán)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(tài)與穩(wěn)定性。

這些過程表明，SOC通過CO2動態(tài)與有機配體化學雙通路深度介入了SIC的生成與遷移，體現(xiàn)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(wěn)定性與周轉（圖3）。這種穩(wěn)定的化學環(huán)境不僅影響有機質的電荷狀態(tài)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(jié)碳循環(huán)途徑。

圖3 SOC?SIC系統(tǒng)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(huán)境中更易被礦物吸附或包埋，表現(xiàn)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(tǒng)的內在聯(lián)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(huán)路：氣候因子控制著碳的輸入與轉化速率，而土壤碳動態(tài)又反過來調節(jié)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(wǎng)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(jù)環(huán)境條件的不同，主要表現(xiàn)出3種典型的動態(tài)路徑：協(xié)同增強、權衡補償與臨界失穩(wěn)（圖4）。

圖4 土壤有機碳?無機碳?氣候三重耦合框架

在協(xié)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(chǎn)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(chǎn)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(xié)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(tǒng)形成負反饋。

然而，在干旱?半干旱區(qū)或存在顯著水文波動的生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)出此消彼長的關系。這一動態(tài)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(xù)酸化、鹽漬化或極端干旱）超出土壤系統(tǒng)的調節(jié)閾值時，系統(tǒng)便會進入臨界失穩(wěn)路徑。該機制對于理解和預警區(qū)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(tǒng)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(tǒng)中，人類活動既可能成為碳匯的放大器，也可能成為系統(tǒng)失穩(wěn)的誘發(fā)因子，其凈效應取決于具體的管理方式、區(qū)域氣候背景與土壤類型的綜合作用。

3 SOC?SIC耦合的區(qū)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(yōu)化—碳匯增強”的實踐路徑，強調通過整合生態(tài)過程、地球化學條件與人為干預，在不同生態(tài)區(qū)和土地利用類型中實現(xiàn)土壤有機與無機碳庫的協(xié)同提升。

在區(qū)域尺度上，SOC與SIC的耦合格局沿水分梯度呈現(xiàn)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(wěn)定的次生無機碳轉化，其形成受土壤CO2分壓、Ca2+遷移和蒸發(fā)強度共同調控。這種鮮明的氣候帶依賴性，是實現(xiàn)SOC與SIC協(xié)同增匯、提升土壤系統(tǒng)整體碳匯功能的基礎。

從元素循環(huán)的宏觀視角看，鈣無疑是連接SOC與SIC循環(huán)的“化學樞紐”，是實現(xiàn)長期碳固存的關鍵介質。調控策略可沿著“補鈣—穩(wěn)碳—封碳”的邏輯鏈條展開。這條融合了地球化學與生態(tài)過程的路徑，為區(qū)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(tài)兼容性好和所形成的礦物穩(wěn)定性高等優(yōu)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(yōu)化功能微生物群落的代謝路徑，開發(fā)精準的過程調控系統(tǒng)，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(xié)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(xiàn)的高度動態(tài)性，但這一特征在現(xiàn)行的國家與全球碳匯核算體系中仍未得到充分體現(xiàn)。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(qū)域化的SIC監(jiān)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(huán)與根際CO2微環(huán)境等關鍵機制嵌入現(xiàn)有陸面模型，增強其在干旱區(qū)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(xiàn)無機碳庫在地質時間尺度上的穩(wěn)定性與長期貢獻。

綜上，SOC?SIC耦合的區(qū)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(shù)據(jù)同化技術來量化協(xié)同固碳的實際潛力，從而將土壤從被動的碳匯轉變?yōu)榭芍鲃诱{控的氣候緩沖系統(tǒng)，為全球碳中和與土地可持續(xù)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(tài)系統(tǒng)網(wǎng)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(tài)系統(tǒng)網(wǎng)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(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，研究員，研究方向為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、水、氮和磷循環(huán)的模擬及預測。

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

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