图1. 干燥和湿润条件下陆地碳转化、化学风化和溶质输移之间联系示意图
土壤是最大的陆地碳库，在全球碳循环中起着至关重要的作用。已有大多数关于陆地碳循环的研究主要集中于陆地-大气间CO2气体的垂向交换。近年来，陆地-水生系统间溶解有机碳和无机碳（DOC、DIC）的横向输出量被证实与垂向碳通量具有相似的量级，不应忽略。然而，垂向和横向碳通量通常在不同学科内被作为相对独立的研究对象。作为大气CO2和溶解性碳的主要来源，土壤碳降解（OC）和化学风化（如碳酸岩、硅酸岩）快慢直接影响着垂向和横向碳通量，进而调控陆地碳循环进程（图1）。由于受气候、地下结构等内外多种因素共同作用，当前对于土壤碳转化、化学风化和碳输出之间的完整联系及其如何随环境梯度变化仍知之甚少，给评估和预测陆地碳循环进程带来了极大不确定性。
针对上述背景，天津大学地科院与国外数家单位合作，基于美国堪萨斯州东部温带森林和中部大陆草原交界处的长期生态研究站Fitch（图2），结合其气候-地形-土壤-岩石-水文-土壤CO2-水化学等野外观测数据，开发了耦合土壤碳降解、岩石风化及其产物随地下水流输移等水文-生物地球化学反应过程的山坡尺度模型，进而系统探究了气象水文等外在条件和地下结构等内在因素对陆地碳转化、化学风化及其产物输出的影响机制及其程度。研究发现（图3）：(1) 干旱造成地下水水位下降及水流时间增长，使得有机碳（OC、DOC）更多降解为无机碳（CO2和DIC），促进了陆地-大气间气态CO2的垂向输出；与之相反，暴雨减缓了有机碳与无机碳间的转化，促进了陆地-水生系统间溶解碳（DOC、DIC）横向输出。（2）从干旱至暴雨这一水文条件变化中，碳酸岩反应由沉淀（碳源）变为溶解（碳汇）；硅酸岩溶解则逐渐减慢。（3）相比于水文条件，地下结构对陆地碳转化、化学风化及产物输出速率的影响相对较小，只在潮湿环境下相对显著。
图2. 生态研究站Fitch和野外采样点分布（new summit、new backslope、footslope和toeslope等山坡位点的地下物理和化学特性数据被用于山坡尺度模型的构建和校准）
图3. 不同水文条件下陆地碳转化、化学风化等反应速率及输出通量变化
相关成果发表在国际水资源领域权威期刊《Water Resources Research》，第一作者为天津大学地科院文航副教授，通讯作者为美国宾夕法尼亚州立大学Li Li教授。其余合作者包括美国俄勒冈州立大学Pamela Sullivan教授、堪萨斯大学Sharon Billings教授、加州大学河滨分校Daniel Hirmas教授等。该研究得到国家自然科学基金（42107234）的资助。
具体论文信息及链接：Wen, H., Sullivan, P. L., Billings, S. A., Ajami, H., Cueva, A., Flores, A., et al. (2022). From soils to streams: Connecting terrestrial carbon transformation, chemical weathering, and solute export across hydrological regimes. Water Resources Research, e2022WR032314. https://doi. org/10.1029/2022WR032314.
延伸阅读：Wen, H., Sullivan, P. L., Macpherson, G. L., Billings, S. A., and Li, L. (2021): Deepening roots can enhance carbonate weathering by amplifying CO2-rich recharge, Biogeosciences, 18, 55–75. https://doi.org/10.5194/bg-18-55-2021.
