土壤无机碳的总储量与大气二氧化碳和全球植物生物量碳之和相当，它在调节气候和维护土壤健康方面作用关键。近日，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所蔡岸冬、李玉娥联合山西农业大学资源环境学院徐明岗院士团队在《美国国家科学院院刊》发表了题为《Subsurface soil inorganic carbon gains offset half of surface losses in China's upland croplands over the last four decades》的研究论文，他们基于20世纪80年代第二次全国土壤普查的历史记录，在2023年对全国204个原址点位进行了精确重访和土壤剖面重复采样，从而系统比较了过去四十余年间中国旱地农田1米土体内无机碳储量的变化格局。
在0至40厘米的表层土壤中，研究团队观测到无机碳密度平均下降了0.68公斤每平方米，这种损失与同期降水格局的改变以及氮肥施用引起的土壤酸化存在密切关联。降水量的增加和降水季节性的增强会提高土壤含水量，促进碳酸盐矿物的溶解并将溶解产物带离表层，而氮肥硝化过程释放的质子则直接加速了土壤脱钙作用，使得原本稳定的碳酸钙和碳酸镁被分解为可淋溶的钙镁离子和碳酸氢根。研究团队还发现极端干旱事件的出现反而有利于表层无机碳的保留，因为水分亏缺限制了碳酸盐的溶解动力学过程，不同种植体系之间的差异同样明显，单季玉米种植体系下的表层无机碳损失幅度显著大于春小麦或小麦-玉米轮作体系。
深层土壤的情况则完全不同，40至100厘米深度在同一时间段内表现出明确的无机碳积累，平均增加了0.49公斤每平方米，研究团队将这种积累归因于外源碳输入的增加和深层土壤pH值的回升。碳输入的作用体现在两个层面，一方面有机物质的添加改善了土壤团聚体和孔隙结构、降低了深层土壤容重，另一方面根系呼吸和微生物分解产生的二氧化碳提高了土壤溶液中的碳酸分压，促进了原生硅酸盐矿物的化学风化并释放出足量的钙离子和镁离子，这些离子与向下迁移的碳酸根相遇后重新沉淀形成了次生碳酸盐。表层土壤酸化过程中产生的可溶性碱基阳离子随水分下渗进入深层，使得深层土壤pH值出现了一定程度的上升。
在全国尺度上，研究团队利用优化后的预测模型对1米土体内各层次的无机碳储量变化进行了空间化估算，结果显示过去四十年间0至20厘米表层损失了约0.70 Pg（10亿吨碳），20至40厘米损失了约0.39 Pg，而40至60厘米积累了0.30 Pg，60至100厘米积累了0.18 Pg，深层总积累量约为0.48 Pg。研究团队通过情景模拟发现，如果能够将土壤pH值提高0.3个单位并同步增加20%的碳输入，表层0至20厘米的无机碳损失可以缩减17%，20至40厘米的损失则可缩减47%，这为农田管理措施的优化提供了明确的数据支撑。该研究打破了土壤无机碳属于惰性碳库的传统认知，表明农田生态系统中的无机碳可以在数十年尺度上发生快速且大幅度的垂直迁移，如果未来气候变化导致的酸沉降加剧或水文条件改变打破了当前深层土壤的化学平衡，储存在深层的这部分无机碳就可能重新溶解并释放到环境中，届时现有陆地碳汇估算的可靠性将面临新的挑战。
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