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景观尺度下的土壤有机质动态

摘要

土壤碳是陆地碳循环的重要组成部分，通过改善土壤管理可以增加土壤碳储量，从而缓解气候变化。然而，许多地区的数据缺失以及对不同土壤景观中生物地球化学过程异质性认识的不足，阻碍了大规模土壤有机质（SOM）动态表征的发展。在本视角中，我们阐述了如何通过理解景观尺度上的土壤形成过程和复杂性，来预测土壤有机质循环和土壤碳固存。由风化和土壤再分配引起的土壤基质长期变化因气候带和生态系统的不同而异，尤其是在区域尺度的景观结构中表现得尤为明显。因此，过于简化的假设——即认为驱动SOM动态的因素可以直接从局部尺度推演到全球尺度，反之亦然——会导致全球土壤碳储量预测中存在较大的不确定性。数据驱动模型需要增强对代表性不足地区的覆盖，特别是在土壤物理化学性质独特且环境变化最快的地区，这对于理解景观尺度上的碳周转和稳定性至关重要，从而更好地预测全球土壤碳动态。

关键点

许多地区缺乏高分辨率土壤数据，对不同土壤景观的生物地球化学过程了解不足，导致土壤有机质(SOM)损失和碳固存潜力的估计存在不确定性。

植物C输入、微生物周转和有机质稳定受到土壤异质性的影响，土壤异质性是由土壤形成和退化过程产生的，这些过程在不同的空间尺度上运行和相互作用，从大规模控制，如地质和气候，到局部控制，如地形和生物。

人类活动(如农业)对土壤发育的影响已持续了数千年。由于越来越多地使用机械化农业和合成肥料来生产粮食，这些影响的速度、程度和广度在整个20世纪和21世纪都有所增加。

表示和预测SOM动态的方法忽略了景观复杂性，而是将信息从地块水平测量到区域和全球背景，导致有偏见的解释和不确定性。

在景观尺度上考虑土壤基质的长期变化是改善快速环境变化地区(如极地和热带地区)和土壤性质不同于现有地球系统模型假设的地区土壤C循环预测的关键。将全球数据集与来自野外和实验室实验的数据相结合，可以支持这种发展。

引言

二十世纪和二十一世纪以来，全球环境变化已经并将继续改变不同土壤气候区（土壤类型和气候条件相对均一的区域）的土壤功能。农业集约化和扩张、森林砍伐以及工业化等人为活动正在以全新世以来前所未有的速度、规模和广度影响全球土壤，对土壤碳动态等生物地球化学循环产生了深远影响。碳在陆地与大气之间不断交换，这一循环主要由以下过程驱动：植物通过光合作用固定大气中的碳、微生物分解死亡的有机物质，以及碳通过地貌级联过程横向迁移至河流、湖泊和海洋等沉积区域。土壤碳库（表层1米以内）的碳储量约为1,500PgC（1PgC=101?克碳），而大气中的碳储量约为750PgC。生物质来源的碳被同化为土壤有机质（SOM），但同时全球每年通过微生物的SOM呼吸释放约33.4–43.6PgC，抵消了部分碳固定。目前，陆地净碳汇约为每年3.1±0.6PgC。

人为活动驱动的土壤变化可能在不同土壤景观中引发不可预见的、有时甚至是反直觉的生物圈响应。与此同时，人们越来越关注制定策略以增强不同生物群落和土地利用系统中的土壤碳固存。然而，关于不同土壤气候区土壤碳储量的过度泛化假设，往往导致预期与实际碳增益之间出现矛盾。这些不一致性主要源于对某些土壤物理化学性质研究不足地区的碳稳定和周转动态缺乏充分理解。这些数据和研究的空白使得这些地区在当前地球系统模型（ESMs）中代表性不足，从而在全球尺度土壤碳动态预测中引入了较大的不确定性。此外，许多土壤区域在景观特征上表现出高度的空间异质性，这些特征通常与底土特性相关，而底土特性无法通过遥感平台对表土属性的测量推断出来，因此在许多评估中被忽略。然而，这些底土特征有时会以相互矛盾的方式影响植物碳输入、微生物群落组成、碳代谢以及矿物诱导的碳稳定性。

为了理解土壤对气候和土地利用变化的复杂响应，有必要考虑塑造土壤景观的生物地球化学过程的耦合性质。这种跨学科方法已在关键带研究中使用，以理解岩石、土壤、水、空气和生物体之间的复杂相互作用如何调节自然栖息地，并决定土壤及其功能等维持生命的资源的可用性。土壤形成理论描述了影响土壤性质的长期和短期过程及驱动因素在景观水平上的变化和发展。我们提出，通过这一理论的视角来表征土壤变异性，可以在数据缺失但过程理解存在的时空尺度上，为土壤碳稳定和周转模式的预测提供依据。这一知识可以指导研究人员对当前和新兴的碳循环动态进行精细化的、特定地点的评估，尤其是在土壤受到全球变化影响而迅速转变的情况下。然而，要实现从过度泛化和潜在偏见的解释向对未来全球土壤碳库的精确预测的转变，理解景观尺度上的土壤动态将是至关重要的。

在本视角中，我们探讨了如何利用景观尺度上对土壤形成的洞察来预测土壤基质变化对碳循环的影响。首先，我们讨论了土壤形成和退化的变异性，以及人类活动对这些过程的影响。接着，我们概述了在景观尺度上表征土壤有机质（S