科汇生环 | 温度主导了（亚）热带土壤碳循环

土壤中的碳储存对调节大气CO₂浓度具有重要作用。然而，土壤碳周转时间（τ_soil）对温度和水文作用的敏感性尚未被完全理解。本研究利用植物来源脂质的放射性碳定年技术，结合接收来自尼罗河流域陆源物质的东地中海沉积物岩芯的温度与降水重建数据，探究了过去18,000年间亚热带和热带地区的土壤碳周转时间。研究发现，末次冰消期以来τ_soil缩短了一个数量级，且温度是驱动这些变化的主要因素，而水文气候的影响相对较小。本文得出以下结论：从土壤向大气释放的CO₂通量增加构成了对全球变暖的正反馈。然而，动态全球植被模型模拟的冰期-间冰期变化低估了本文基于数据的土壤碳周转时间重建结果，表明该气候反馈可能被模型低估。

研究背景及科学问题

全球范围内，土壤储存的碳量是大气中的两倍以上。由于土壤碳循环对气候变化和人类活动敏感，未来变暖、降水模式改变及土地利用变化可能扰动土壤碳储存，并通过向大气释放CO₂对全球变暖产生正反馈。土壤碳周转时间（τ_soil）是碳循环中的关键参数，决定了不同碳库间碳交换的时间尺度。τ_soil不仅依赖于土壤温度和含水量，还与土壤化学性质及肥力相关。温度对τ_soil的影响在全球范围内广泛存在，而在中低纬度地区，水文气候可能通过改变干湿条件对τ_soil产生主导作用。然而，关于τ_soil的核心控制因素及其相互作用仍存在争议。这一问题在热带和亚热带地区尤为突出——未来变暖与降水变化的联合效应可能被放大或减弱，具体取决于气候变暖伴随的是更干旱还是更湿润的条件。目前理解周转时间及其环境控制的一个局限在于，我们的认知主要依赖于数年到数十年的短期观测。而地质记录则为研究百年至千年尺度的变化提供了独特且重要的途径。

末次冰消期（距今约18,000至11,000年）以全球变暖、水文气候变化和大气CO₂浓度上升为特征，是研究数千年尺度气候-土壤碳周转相互作用的理想类比对象。然而，目前制约热带和亚热带地区冰消期土壤碳库与τ_soil变化的代用数据极为稀缺，现有数据仅能提供定性估计。本研究旨在定量重建（亚）热带地区从冰期到全新世的τ_soil变化，并识别其主要环境控制因素。

科学内涵

研究思路：本文选取接收来自尼罗河流域陆源物质的东地中海沉积物岩芯为研究对象，可以反映尼罗河流域过去18,000年间τ_soil的变化（图1）。尼罗河携带的地中海沉积物记录了气候变化信息，整合了这一广阔流域的气候信号，因而可代表整个北非热带与亚热带地区的气候特征。末次冰消期期间，北非气候显著变暖。由于非洲湿润期前后温度变化与水文气候变化的时间不同步，这为区分温度和降水对τ_soil的影响提供了契机。

由于缺乏净初级生产力和古土壤碳库规模的代用指标，无法直接计算古土壤碳周转时间。为此，本文采用陆源生物标志物的化合物特异性放射性碳定年技术，分析保存于海洋沉积物岩芯GeoB7702-3中的长链正构烷酸与长链正构烷烃，探究τ_soil对气候变化的响应。这两种化合物是植物表皮叶蜡的组成成分，属于高等陆生植物的特异性生物标志物。在海洋沉积记录中，它们可作为陆地环境变化的指示剂。通过分析全球河口附近海岸沉积物、河床、河岸及悬浮物样品中正构烷酸的¹⁴C年龄，前人研究发现正构烷酸的¹⁴C年龄与τ_soi之间存在全球恒定的偏移量。基于此，可利用海洋沉积记录中正构烷酸的¹⁴C年龄计算流域整合的平均τ_soil，并监测流域内碳循环的时序变化。

借助TEX₈₆指标重建地中海海表温度，结合氢同位素δD_p值推算古降水变化。将实证数据与动态全球植被模型（DGVM）模拟结果进行对比，检验现有模型是否准确捕捉了亚热带土壤碳对气候变暖的响应。

核心发现：

（1）温度主导τ_soil变化的机制：通过分析发现，末次冰期（18 kyrs BP）的τ_soil高达218年，而全新世（近1万年）降至9-22年，降幅达一个数量级（图2c）。排除海平面上升、湿地动态和河流输运效率的潜在干扰，确保数据反映土壤碳周转的真实变化。其中，τ_soil与温度呈强负相关（R² = 0.82），而与降水的相关性较弱（R² = 0.59）（图3），表明微生物呼吸速率对温度更为敏感，说明温度是主要驱动因子。

（2）高温敏感性（Q10值）异常：在生态学中，Q10是一个衡量碳分解速度对温度变化敏感程度的重要指标。一般来说，Q10值在2~3之间。冰期低温条件下，温度敏感性（Q10=10.7）远高于现代观测值（Q10=2–3），这可能反映了寒冷环境中微生物对升温的“非线性响应”——低温基线时，每升温1°C对呼吸速率的提升幅度更大。

（3）正反馈机制：冰消期τ_soil缩短与土壤有机碳平均年龄从14,000年降至1,000年表明，随着气候变暖，土壤中储存的“古老碳”（冰期积累的难降解有机质）通过微生物呼吸进入大气，贡献了冰消期大气CO₂上升（+80–90 ppm）和Δ¹⁴C下降（反映14C贫化碳输入）（图2a,b）。升温→土壤呼吸增强→CO₂释放→进一步升温，构成了一个显著的气候正反馈环节，可能加速了冰盖消融和气候转型。

（4）模型低估现实变化：动态全球植被模型LPJ DGVM模拟中对冰期-间冰期τ_soil变化的预测（<50年）显著低于实证结果，尤其在热带和亚热带地区，主因是模型中使用的Q10值（通常2–3）低于数据重建值，导致土壤碳-气候反馈被低估。说明当前模型低估了温度对土壤碳排放的敏感性。

重要启示

研究思路启示：利用地质记录揭示千年尺度下温度对（亚）热带土壤碳循环的主导作用。本文的目的在于探讨温度对（亚）热带土壤碳循环的主导控制，目前对于该问题的认知主要依赖于数年到数十年的短期观测，因此如何利用地质记录进行百年至千年尺度的变化观测，是形成新成果和新发现的基础，其提供了现代短期观测难以覆盖的长期变化趋势，有助于改进未来碳气候反馈的预测精度。本研究选择的研究对象为土壤碳循环，为了实现地质尺度的土壤碳变化观测，文中并未选择陆地的沉积柱作为研究样本，而是将目光转向接收来自尼罗河流域陆源物质的东地中海沉积物岩芯。通过典型研究区的选取，以及关键代用指标的分析，准确地表征了不同地质历史时期关键参数的变化，成功实现了研究目的。此外，根据本文研究结果，现有气候-碳循环模型可能未能充分捕捉亚热带与热带土壤碳释放的强度，今后需对模型参数特别是Q10的设定进行重新审视。

——解读人：李小水

——责任编辑：童曼