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土壤碳-氣候反饋是陸地生物圈對氣候變化響應的一個主要不確定性因素。這種不確定性部分源于土壤有機碳(C)分解和穩定過程的溫度敏感性之間缺乏約束關系，而土壤有機碳(C)是土壤生物地球化學模型中的關鍵參數。盡管許多經驗和模型研究已經探索了溫度對生態系統到全球尺度的土壤碳儲量和周轉率的影響，但它們在很大程度上忽略了土壤有機質的異質性。這是一個關鍵的疏忽，因爲潛在的土壤有機質組分或“庫”(例如，顆粒或與礦物相關的有機質)在實驗室和現場操作中對變暖可能表現出不同的反應。因此，在全球範圍內了解和量化這些地下庫的溫度敏感性對于准確預測緊急反饋和土壤有機碳對氣候變化的脆弱性至關重要。

本研究在數據和模型中評估了土壤C儲量的氣候溫度敏感性，以及礦物相關和顆粒土壤C庫在驅動這一特性中的作用。首先利用礦物結合和顆粒土壤C的全球網格化數據産品來量化這兩個庫之間土壤有機C的分布及其各自在全球尺度上的氣候溫度敏感性。然後在12個全球模型的集合中評估了受保護(礦物結合)和未受保護(顆粒類)土壤C儲量的分布和溫度敏感性，即來自耦合模型比較項目第6階段(CMIP6)34的9個地球系統模型(esm)和3個離線陸地模型。我們認爲，解決下伏土壤C庫的分布和溫度敏感性對于發展對大量土壤C分解的緊急溫度依賴性的預測性理解和限制全球生物地球化學模型至關重要。

圖1 觀測得到的土壤碳儲量的全球分布作爲氣候溫度和粘土和粉土礦物的函數

本文分析了全球土壤碳庫的觀測估計，量化了它們的相對比例，並計算了它們的氣候溫度敏感性，因爲碳隨溫度升高而下降。研究發現，顆粒碳的氣候溫度敏感性平均比礦物結合碳高28%，在涼爽氣候條件下最高可達53%。此外，這些土壤碳庫之間的碳分布驅動了大量土壤碳儲量的緊急氣候溫度敏感性。然而，全球模型對土壤碳庫分布的預測差異很大。我們發現，在耦合模式比較項目第6階段的地球系統模型和離線陸地模型中，概念上與礦物保護碳相似的模型庫的全球比例在16%到85%之間，這對土壤碳年齡和生態系統響應性具有重要意義。總體而言，全球模型傾向于高估寒冷和溫暖氣候下受保護的碳儲量以及溫暖氣候下的兩個碳庫的氣候溫度敏感性，同時低估了在寒冷氣候中未受保護的C的氣候溫度敏感性。爲了提高碳循環-氣候反饋預測的准確性，需要對土壤下墊碳庫進行評估，以准確預測土壤碳的分布和脆弱性。

本研究結果表明，隨著全球受保護和未受保護土壤C儲量估算的最新進展，重新定義和基准這些潛在的土壤C庫可以作爲ESMs的重要約束。因此，作者敦促所有全球模型報告CMIP第7期及以後的土壤C在底層庫中的分布，以便未來的研究可以利用這一基准進行跨氣候梯度的模型評估。雖然對瞬態響應的進一步研究也需要約束動態模型，但本文提出的靜態關系可以作爲長期溫度對土壤碳庫形成和分解影響的重要基准。

圖2 全球各數據和模型中受保護池中土壤C的比例

圖3 土壤總碳的氣候溫度敏感性及有保護和無保護池的貢獻

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https://doi.org/10.1038/s41561-024-01384-7