中国典型森林生态系统土壤有机碳周转时间的空间变异及其调控因素

Soil organic carbon (SOC) represents the largest terrestrial carbon pool, which stores at least three times as much as the atmospheric and vegetation C reservoirs. This is mainly because the carbon turnover time (τsoil) is much slower in the soil than the atmosphere and vegetation. However, the current ESMs have substantially underestimated τsoil by 16 times at the global scale. This study combines large-scale transect survey, the radiocarbon (Δ14C) measurement, chemical analyses, modeling and data assimilation to explore the spatial variation of τsoil and its drivers in typical forests of China. The τsoil will be measured in the soil of 5 long-term monitored vegetation plots, and the impacts of biotic (e.g., litterfall and microbial biomass) and environmental (e.g., temperature, precipitation and soil depth) factors will be analyzed. The observations will be used to constrain the parameters of a commonly used soil carbon model. Our preliminary results at the Tiantong site showed that τsoil is significantly correlated with litterfall, soil moisture and soil depth. This study aims to explore the roles of biotic and abiotic factors in affecting τsoil on both site and regional scales, and to develop a well-constrained soil carbon model for China’s forests.These results will improve our understanding of forest soil carbon pool under future climate change scenarios, reduce the uncertainty of estimating forest soil carbon storage, and provide a scientific basis for the sustainability of soil management in the context of global change.

土壤有机质是陆地上最大的碳库，其储碳量约为大气与植被碳库总和的三倍。这主要是由于碳原子在土壤中的周转时间比大气与植被中更长。然而，由于对土壤碳周转时间的变化机理缺乏准确模拟，目前的全球碳循环模型普遍低估了土壤有机碳的周转时间（甚至达到16倍）。本研究拟结合大尺度样带调查、放射性碳（14C）同位素定年法、实验室理化分析、模型模拟与数据同化等方法，探索我国典型森林生态系统土壤碳周转时间的空间变化及其调控因素。通过对比研究5个长期森林监测样地不同深度土壤的碳周转时间，分析凋落物和微生物等生物因子与温度、降水和土层深度等环境因子的影响，并利用数据同化技术优化主流土壤碳模型的关键参数。在天童山的预实验发现凋落物量、土壤湿度与土层深度都与土壤碳周转时间存在显著的相关性。本项目将重点研究生物与非生物因子在站点与区域尺度如何分别影响森林土壤碳周转时间，并发展一套可用于估算我国森林碳周转时间的土壤碳模型及其参数化方案。该研究成果能够改善我们对未来气候变化情景下森林土壤碳库演变动态的预测，降低对森林土壤碳储量及其变化估测的不确定性，为全球变化背景下的可持续性土壤管理政策提供科学依据。

土壤有机碳周转时间是评价土壤有机碳循环动态的重要指标。土壤有机碳的周转时间的难以估测是现阶段地球系统模型对土壤碳汇动态预测的主要不确定性来源之一。尽管在过去的几十年中，国内外大量研究从不同的时间尺度阐明了土壤有机质的稳定性机制，但是土壤有机碳周转时间的空间变化及其影响因素尚未明晰。本研究结合全球文献调研数据和我国亚热带阔叶林实地观测数据，评估了区域和全球尺度上土壤有机碳周转时间的空间格局及其变化机理，主要结果如下：在生态系统水平上，建立了土壤有机碳周转时间的全球数据库；基于该数据库，分析了全球土壤有机碳周转时间的一般分布规律及其变异性来源，评估了地球系统模型模拟的土壤平均周转时间，并强调增加土壤垂直运移过程将显著提高模型模拟的准确性。该研究结果有助于我们更好地认识目前主流土壤碳模型关键参数的局限性，并通过参数优化提高模型模拟和预测的准确性。通过对比分析全球调研数据和我国东部森林长期观测站的土壤样本，探讨了森林土壤碳固持能力随林龄增长的变化机制，并首次发现全球和区域尺度上林龄和土壤深层碳驻留时间之间存在协同增长的关系。以上研究结果为深入理解森林生态系统碳循环的生态过程及正确评估我国森林土壤的有机碳周转时间提供了数据和理论参考。