土壤碳循环新视角：从割裂到耦合，迈向可调控气候缓冲系统

原文发表于《科技导报》2025 年第22 期 《 土壤碳循环的新视角：有机碳−无机碳−气候系统的耦合框架 》

准确理解并有效管理陆地生态系统的碳循环过程，已成为地球系统科学和可持续发展实践的核心挑战。土壤，作为陆地生态系统的基石，蕴藏着远超大气与植被碳库总和的巨大碳储量，其动态微小波动即可深刻影响大气二氧化碳浓度，从而扰动全球气候。传统的土壤碳库研究的“二元分割”视角日益难以解释复杂的观测事实，也限制了我们预测土壤碳汇对未来气候变化响应能力。

本文梳理了SOC与SIC的形成与封存机理，揭示了SOC与SIC通过生物地球化学桥梁深度耦合，阐明了两者在外源因子驱动下呈现的动态路径。最终，提出了面向不同气候带与土地利用类型的区域调控与碳管理策略，旨在将土壤从被动碳汇转变为可主动调控的气候缓冲系统，为深化地球系统理论、优化碳中和路径提供科学基石。

1 传统范式的局限：被割裂的碳世界

一方面，SOC的形成与封存是一个涉及碳输入、微生物转化、物理化学保护及环境调控的复杂过程。早期理论（即“化学惰性假说”）认为，SOC主要源于植物残体中难降解的大分子有机物（如木质素、纤维素），其稳定性由组分的化学复杂性决定。然而，至20世纪末21世纪初，学界认识到SOC的持久性更多取决于其与矿物颗粒的结合状态，而非有机分子的本征结构。

Lehmann等提出的有机−矿物复合体（MAOM）概念成为这一新视角的基石，它指出SOC的长期封存依赖于有机质与矿物表面形成的稳定吸附或络合结构；与之相比，颗粒有机质（POM）则受环境扰动影响较大，周转更快。这一认知转变使SOC研究的核心从物质性质转向了环境界面与能量约束。

此外，土壤团聚体提供了另一条关键的物理保护途径。Tisdall等提出的“团聚体层级理论”认为，微团聚体内的有机碳可在数十至上百年尺度上保持稳定（图1）。

图1 土壤有机碳形成和稳定过程

与SOC相比，SIC的研究起步较晚，但其在全球碳循环中占据着同等重要的地位。SIC主要以碳酸盐形式存在，可根据其来源分为2类：源自成土母质的原生碳酸盐，以及通过现代成土过程重新沉淀形成的次生碳酸盐。SIC的组成与来源直接决定了其在碳循环中的角色与动态。原生碳酸盐主要来自母岩的风化残留物（如石灰岩、大理岩），稳定性高、周转周期可达上万年，构成了土壤中相对惰性的背景碳库。相比之下，次生碳酸盐（又称成土碳酸盐）的动态性则强得多，是连接SOC与SIC循环的核心环节。其形成主要依赖3条路径（图2）：

• 其一，是岩矿风化，为沉淀反应提供离子基础；

• 其二，是生物碳驱动路径，即SOC矿化和根系呼吸产生的CO2溶解于土壤水形成碳酸，进而与Ca2+/Mg2+结合形成碳酸盐沉淀；

• 其三，是外源输入，如农业中施用石灰或地下水补给带来的碳酸盐离子。

图2 SIC的动态循环与封存路径

长期以来，SOC与SIC被视为2个相互独立的碳循环单元，然而，“二元分离”框架已无法解释土壤碳循环的真实复杂性。SOC对SIC的驱动作用首先体现在碳源供给与微环境重构2个方面（图3）。“溶解−再沉淀”循环是SOC与SIC之间物质与能量交换的主链，其速率与方向对局地碳汇功能具有决定性影响。此外，溶解性有机碳（DOC）可与Ca2+、Mg2+等离子形成有机配合物，改变碳酸盐成核与生长速率，进而调控SIC的形态与稳定性。

这些过程表明，SOC通过CO2动态与有机配体化学双通路深度介入了SIC的生成与迁移，体现了强烈的生物地球化学耦合特征。反之，SIC也通过理化调控与结构保护作用反馈影响SOC的稳定性与周转（图3）。这种稳定的化学环境不仅影响有机质的电荷状态与酶促反应速率，还通过选择性地塑造微生物群落结构调节碳循环途径。

图3 SOC−SIC系统耦合概念模型

微生物群落是连接SOC与SIC的关键桥梁。更复杂的生物矿化过程则涉及有机模板控制的成核与晶体生长，其结果是形成具有有机外壳的碳酸盐复合体。这些微生物诱导与调控机制不仅强化了SIC的生成速率，也为SOC的持久封存提供了矿物学路径。此外，微生物残体碳（MNC）在富含碳酸盐环境中更易被矿物吸附或包埋，表现出更高的保存率，这意味着微生物群落既是SOC−SIC转化的催化者，也是固碳结构的构建者。

2 SOC−SIC−气候三重耦合框架：揭示土壤碳系统的内在联系

新提出的“三重耦合框架”的核心突破在于，在此框架下，气候因子不再被视为单向的驱动者，而是与土壤碳库构成相互作用的复杂反馈环路：气候因子控制着碳的输入与转化速率，而土壤碳动态又反过来调节着地−气界面的CO2通量。这种双向耦合构成了一个多级反馈网络，最终决定着土壤是扮演长期碳汇还是瞬时碳源的角色。在这一耦合框架下，土壤碳库对气候变化的响应并非单一模式，而是依据环境条件的不同，主要表现出3种典型的动态路径：协同增强、权衡补偿与临界失稳（图4）。

图4 土壤有机碳−无机碳−气候三重耦合框架

在协同增强路径中，适度升高的CO2浓度与温和的水热条件共同提升了植被生产力，从而增强了根系碳输入与微生物活动，有利于SOC的积累；与此同时，根际呼吸产生的CO2在土壤溶液中形成碳酸根离子，促进了次生碳酸盐的沉淀。这种有机碳与无机碳的协同固存不仅放大了土壤的碳汇效应，还通过固定CO2对气候系统形成负反馈。

然而，在干旱−半干旱区或存在显著水文波动的生态系统中，权衡补偿路径更为常见。此时，SOC的积累与SIC的形成往往呈现出此消彼长的关系。这一动态权衡揭示了土壤总碳库的非加性特征，即SOC与SIC的变化不可简单线性相加，必须考虑其相互替代与能量补偿效应。

当外界胁迫（如持续酸化、盐渍化或极端干旱）超出土壤系统的调节阈值时，系统便会进入临界失稳路径。该机制对于理解和预警区域碳汇突变及土地退化的碳效应具有重要的警示意义。

在自然系统固有的非线性基础上，人类活动作为强大的外生扰动，进一步放大和复杂化了SOC−SIC−气候之间的反馈强度。因此，在这个三重耦合系统中，人类活动既可能成为碳汇的放大器，也可能成为系统失稳的诱发因子，其净效应取决于具体的管理方式、区域气候背景与土壤类型的综合作用。

3 SOC−SIC耦合的区域调控与碳管理策略：从机制认知到实践路径

基于SOC−SIC−气候三重耦合框架，本研究构建了一个“机制驱动—管理优化—碳汇增强”的实践路径，强调通过整合生态过程、地球化学条件与人为干预，在不同生态区和土地利用类型中实现土壤有机与无机碳库的协同提升。

在区域尺度上，SOC与SIC的耦合格局沿水分梯度呈现显著分异，这要求管理策略必须因地制宜。此处的策略应着眼于促进SOC分解所释放的CO2向稳定的次生无机碳转化，其形成受土壤CO2分压、Ca2+迁移和蒸发强度共同调控。这种鲜明的气候带依赖性，是实现SOC与SIC协同增汇、提升土壤系统整体碳汇功能的基础。

从元素循环的宏观视角看，钙无疑是连接SOC与SIC循环的“化学枢纽”，是实现长期碳固存的关键介质。调控策略可沿着“补钙—稳碳—封碳”的逻辑链条展开。这条融合了地球化学与生态过程的路径，为区域碳汇能力的重建提供了核心的机制支撑。

微生物过程强化，特别是MICP技术，是推动土壤碳汇从基础研究走向应用的前沿方向。MICP技术具有低能耗、生态兼容性好和所形成的矿物稳定性高等优势，有潜力构建高效的“植物−微生物−矿物”三元固碳体系。未来的工作重点在于优化功能微生物群落的代谢路径，开发精准的过程调控系统，并全面评估该技术在不同土壤类型中的实际碳汇潜力与气候协同效应。

尽管我们强调了SIC在不同气候带和土地利用类型下呈现的高度动态性，但这一特征在现行的国家与全球碳汇核算体系中仍未得到充分体现。未来的碳汇计量需在3个层面进行调整：

• 其一，在清单层面，应将次生碳酸盐的形成与溶解纳入温室气体清单并建立区域化的SIC监测指标，以反映土壤−大气−水体之间的真实碳通量；

• 其二，在模型层面，应将碳酸盐化过程、Ca循环与根际CO2微环境等关键机制嵌入现有陆面模型，增强其在干旱区与石灰性土壤中的适用性；

• 其三，在政策层面，有必要构建能够同时激励SOC与SIC提升的核算体系，使固碳潜力不再局限于有机碳维度，而能体现无机碳库在地质时间尺度上的稳定性与长期贡献。

综上，SOC−SIC耦合的区域调控与碳管理代表着土壤科学与气候政策交汇的前沿。展望未来，亟需构建一个“机制−模型−管理−政策”的一体化框架，并借助跨尺度观测与数据同化技术来量化协同固碳的实际潜力，从而将土壤从被动的碳汇转变为可主动调控的气候缓冲系统，为全球碳中和与土地可持续管理奠定坚实的科学根基。

本文作者：汪怡珂、于点、黄元元

作者简介：汪怡珂，中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，博士后，研究方向为土壤有机碳及相关模型构建；黄元元（通信作者），中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，研究员，研究方向为陆地生态系统碳、水、氮和磷循环的模拟及预测。

文章来 源 ： 汪怡珂, 于点, 黄元元. 土壤碳循环的新视角：有机碳−无机碳−气候系统的耦合框架[J]. 科技导报, 2025, 43(22): 23−38 .

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