土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫(kù)之一，其微小的改變都可能影響到地球系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體的濃度的變化，進(jìn)而影響到地球表面的溫度。土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率的估算一直是土壤科學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，特別是如何選擇一個(gè)簡(jiǎn)潔、有效的參數(shù)來(lái)指示全球尺度上土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率，一直還沒(méi)有得到解決。
碳同位素（13C）能夠指示土壤中碳的來(lái)源及周轉(zhuǎn)途徑。研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤深度的增加土壤碳同位素值逐漸升高，而土壤碳含量則逐漸降低。造成這種現(xiàn)象有如下原因：一是由于化石燃料燃燒使得大氣中貧化的碳逐漸增多，造成13C貧化的有機(jī)物積累到土壤表面；二是根系的碳同位素比植物高出1-2個(gè)單位，使得底層土壤同位素高于表層土壤；三是微生物在分解土壤有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中對(duì)碳的分餾作用，造成12C通過(guò)呼吸離開(kāi)系統(tǒng)，而13C則大量累計(jì)到土壤中，形成隨著深度增加土壤碳同位素信號(hào)逐漸升高的趨勢(shì)。大量的研究認(rèn)為微生物分解土壤有機(jī)碳是造成土壤13C隨深度升高的主要原因，并且這種趨勢(shì)能夠有效的指示土壤碳的周轉(zhuǎn)速率。
基于以上的研究，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所生物地球化學(xué)組助理研究員王超及其合作者，分析了中國(guó)北方草地27個(gè)土壤剖面碳同位素和碳含量的變化特征，同時(shí)整理了全球149個(gè)1米深度的土壤剖面數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：（1）所有剖面上碳同位素值逐漸升高而含量逐漸降低，兩種呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性，并且證明了這種負(fù)相關(guān)性能夠很好的指示土壤碳的周轉(zhuǎn)速率；（2）在全球尺度上土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速與植物凋落物的周轉(zhuǎn)速率存在顯著正相關(guān)性；（3）氣候因子結(jié)合土壤理化性質(zhì)能夠很好的解釋土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的變化速率。本研究的結(jié)果為區(qū)域和全球尺度上土壤碳的周轉(zhuǎn)提供了研究思路，同時(shí)也為生物地球化學(xué)模型提供了新的參數(shù)數(shù)據(jù)。
以上研究成果以Stable isotopic constraints on global soil organic carbon turnover 為題發(fā)表于Biogeosciences上。王超為第一作者，白娥研究員為通訊作者。研究得到了青年973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
圖1. 全球范圍內(nèi)1米深度土壤剖面的分布圖
圖2. 全球土壤碳周轉(zhuǎn)速率beta與凋落物和根系分解速率k的回歸分析
圖3. 土壤有機(jī)碳分解速率與氣候因子及土壤因子的回歸分析
