土壤无机碳是陆地土壤碳库的重要组成部分，主要分布于干旱、半干旱及中性至碱性土壤中。长期以来，土壤无机碳被认为相对稳定，其对气候变化、农业活动和大气沉降的响应受到的关注远少于土壤有机碳。然而，持续增强的人类活动可能通过改变土壤酸碱平衡，导致土壤无机碳在数十年尺度上发生显著变化，并影响陆地碳循环。近期，我院刘丛强院士团队围绕我国表层土壤无机碳的时空变化、驱动机制及其气候效应开展了系列研究，相关成果分别发表在国际期刊《Communications Earth & Environment》和《Earth's Future》。
在题为“Climate and anthropogenic activities control spatiotemporal dynamics of topsoil inorganic carbon in China”的研究中，团队整合全国2526个土壤剖面及气候、土壤、植被、大气沉降和农业活动等多源数据，重建了1980—2020年我国0—30厘米表层土壤无机碳的时空变化。结果表明，2020年我国表层土壤无机碳储量约为15.15 Pg C，整体呈现“西北高、东南低”的空间格局（图1）。过去40年间，含无机碳区域的土壤无机碳密度总体下降约6.35%，全国年均损失约0.03 Pg C，其中农田下降最为明显（图2）。研究进一步发现，气候和土壤基本性质主要决定土壤无机碳的空间分布，而其长期变化则更多受到人类活动驱动。降水、土壤pH和土壤呼吸是形成空间格局的重要因素；氮肥施用、大气氮沉降以及盐基离子沉降变化则通过影响土壤酸化过程，加速土壤碳酸盐溶解（图3）。该研究揭示了我国表层土壤无机碳“空间格局主要受自然条件控制、时间变化主要受人类活动驱动”的差异化调控机制。
图1 表层土壤无机碳密度和标准差的空间分布
图2 1980 - 2020年土壤无机碳密度时空变化
图3 不同环境因子对土壤无机碳密度空间变异和时间动态影响的结构方程模型及标准化效应
在此基础上，团队进一步开展了题为“Disproportionate Soil Inorganic Carbon Loss and Associated CO₂ Emission Driven by Soil Acidification”的研究，构建了高空间分辨率的质子收支与生物地球化学耦合分析框架，定量评估土壤酸化引起的无机碳损失及其直接CO₂排放（图4）。结果表明，土壤酸化是土壤无机碳损失的重要驱动因子，1980–2020年间，土壤酸化导致中国陆地生态系统表层土壤无机碳损失速率为2.57 ± 0.60 g C m⁻⟡ yr⁻¹，相当于13.04 ± 3.04 Tg C yr⁻¹，约占同期中国表层土壤无机碳总损失的30%–56%。其中，农田贡献了酸化驱动损失的70%以上（9.76 ± 1.03 Tg C yr⁻¹），氮肥施用、作物移除和大气沉降分别占农田损失的52%、30%和18%（图5）。然而，仅少量无机碳损失直接以CO₂形式排放，酸化驱动的无机碳损失中，仅11 ± 3%（1.42 ± 0.33 Tg C yr⁻¹）直接以CO₂形式排放至大气。这仅抵消了碳酸风化碳汇（自然缓慢碳循环）的约8%。由于含无机碳土壤通常为中性至碱性（pH 6.5–8.5），碳酸盐溶解主要生成溶解态碳酸氢根而非CO₂，大部分无机碳以HCO₃⁻形式随径流输出而非直接气态释放（图6）。至2050年，可持续情景S1（SSP1-2.6-BHE）可使酸化驱动的无机碳损失和CO₂排放分别较S3高排放情景减少36%和15%。草地生态系统的减排响应最为显著（ConSIC减少69%，E_CO2减少23%）。此外，基于本项研究结果发现碳酸盐岩粉末增强风化作为碳汇策略需谨慎实施。研究区至少28%的面积（土壤pH < 6.5）不适宜施用碳酸盐粉末，否则可能促进碳酸盐溶解并释放CO₂而非固碳。排除不适宜区域后，估算的年碳汇潜力从38.59 Tg C yr⁻¹降至15.40 Tg C yr⁻¹。
图4土壤无机碳损失的概念路径与过程
图5 土壤酸化驱动的土壤无机碳消耗速率的时间动态与空间格局
图6 土壤酸化驱动无机碳损耗中CO₂排放的时空动态
上述系列研究系统揭示了我国表层土壤无机碳的储量与时空演变特征，阐明了气候条件和人类活动对其空间格局与长期变化的不同作用，并进一步明确了土壤酸化驱动无机碳损失及直接CO₂排放之间的关系。研究结果为准确评估土壤无机碳变化的气候效应，以及通过提高氮肥利用效率、控制大气酸性沉降和缓解土壤酸化保护土壤碳库提供了科学依据。本院张琼予副研究员为两项研究的第一作者，刘丛强院士和中科院地理所朱剑兴副研究员为共同通讯作者，研究工作还得到了地理所于贵瑞院士、王秋凤研究员、东北林业大学何念鹏教授、挪威水研究所Rolf David Vogt研究员、西班牙生态研究与林业应用中心Marcos Fernández-Martínez研究员得共同指导。相关研究得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会基金等项目的支持。
论文信息：
Zhang, Q., Zhu, J., Wang, Q., Yu, G., & Liu, C.-Q. Climate and anthropogenic activities control spatiotemporal dynamics of topsoil inorganic carbon in China. Communications Earth & Environment, 6, 625 (2025). Climate and anthropogenic activities control spatiotemporal dynamics of topsoil inorganic carbon in China | Communications Earth & Environment
Zhang, Q., Zhu, J., Wang, Q., et al. Disproportionate Soil Inorganic Carbon Loss and Associated CO₂ Emission Driven by Soil Acidification. Earth’s Future, 14, e2026EF008227 (2026). Disproportionate Soil Inorganic Carbon Loss and Associated CO2 Emission Driven by Soil Acidification
