全球范围内，鼓励和奖励土壤碳管理的努力正在迅速涌现。这些努力包括政府支持的“按实践付费”计划、碳市场以及企业供应链温室气体减排策略。
然而，尽管土壤碳研究人员和从业者认识到气候条件会限制可用的管理选项并决定其结果，
大多数旨在增加土壤碳储量的市场和项目却通常以非常大的尺度进行构思和实施
。
由于目前在广泛气候背景下缺乏足够的数据，这些项目往往基于来自狭窄气候范围的研究和结果，而这些结果并不能普遍适用，从而可能导致无效甚至失败。
因此，
科学界必须识别关键的情境因素，以便在不过度复杂化的情况下提高大规模土壤碳管理工作的成功率。
另一个需要考虑的因素是，
这些土壤碳工作不应仅仅关注土壤有机碳（SOC），因为这忽视了土壤无机碳（SIC）在土壤碳储存中的重要作用以及干旱地区中SOC与SIC之间的关键相互作用。
虽然长期以来SIC被认为是一个相对稳定的土壤碳库，但最近的证据表明，它对农业管理措施（尤其是耕作、施肥引发的酸化以及灌溉）具有脆弱性，同时也可能在长期碳储存中发挥重要作用，例如通过外部矿物输入和增强风化作用实现碳固定。
因此，如何设计和实施土壤碳管理工作以最大限度地影响SOC和SIC储量，并在不同生态系统类型和全球范围内促进粮食系统的可持续性，仍然存在相当大的不确定性。
为此，本文认为迫切需要更好地将气候因素，特别是基于干旱程度的指标，纳入土壤碳管理框架中，因为气候通过对SOC和SIC循环的控制，在生态系统的管理干预响应中起着决定性作用，驱动着碳的输入和输出通量（图1）。
气候对土壤碳循环机制和管理结果的影响已被认可，并反映在基于过程的模型结构中，但在跨学科整合科学知识并将其转化为大规模思维模型和管理计划时，这种重要性往往被忽略。
当前的框架偏向于温带和/或湿润系统以及SOC的积累，而干旱系统及其独特的功能和高SIC储量（尤其是在底土层中）的重要性常常被忽视。
▲图1 | 在干旱和湿润系统中，土壤碳循环及有效的管理策略有所不同。
对于SOC，其积累和分解途径的直接与间接控制因素取决于干旱程度，在湿润系统中较高的植物输入最终会导致更大的SOC储量。在干旱系统中，通过成岩和成土过程形成的SIC由于高碱性和低淋溶作用而累积，并成为总土壤碳的重要组成部分。SOC与SIC之间可能发生相互作用，从而影响整体碳储存。土壤碳管理策略可以针对土壤碳的输入或输出过程，应充分考虑这些差异。问号表示某种策略仍属于假设。
通过干旱程度的视角审视土壤碳管理，可以立即凸显出三个关键考虑因素：
1、
干旱和湿润系统对土壤有机碳（SOC）的积累和损失有不同的限制条件，这要求采取不同的管理策略
。
SOC和SIC的动态过程复杂，其储量是众多相互作用过程的结果，但干旱程度对这些动态的直接和间接控制具有重要影响。因此，干旱程度决定了有效的土壤碳管理可用的选项。
在干旱系统中，可用水分的缺乏是通过净初级生产力输入有机碳的主要限制因素，这极大地限制了额外固定SOC的潜力。水分还通过微生物分解作用限制土壤有机质的输出，在干旱系统（水分不足限制分解）和非常湿润的系统（氧气不足限制分解）中都会减缓分解过程。
干旱程度也是无机碳动态的重要控制因素，因为水是通过溶解和淋溶移除SIC的主要媒介。在湿润环境中，由于无机碳不断溶解于酸性土壤溶液并通过水分运移穿过土层，土壤通常含有较低或没有无机碳；而在干旱系统中，由于蒸发蒸腾量相对于降水量较高，无机碳可以留存并累积。
2、
在干旱地区，SIC是一个主要的土壤碳库，必须与SOC一起进行管理。
在全球范围内，约30–40%的土壤位于干旱地区，其中SIC可能占总土壤碳储量的90%。SIC含量沿土壤剖面逐渐增加，与SOC储量分布相反，并且可能是土壤CO₂排放量的20–60%的来源。
SIC影响土壤的物理和化学特性，包括团聚体形成和有机-矿物相互作用，从而与SOC动态产生交互作用。SIC与SOC之间的相互作用复杂且研究较少；这种相互作用可能是正向、中性或负向的，取决于其他因素（如水分、pH值和Ca²⁺/Mg²⁺的可用性），并且还受到土地利用和管理方式的调节。
因此，在干旱土壤中，SIC在碳-气候反馈中可能发挥重要作用，这一点必须加以考虑。
3、
全球范围内的干旱程度正在加剧，这将影响未来在气候变化背景下成功的管理策略的形式
。
尽管极端干旱事件频率的增加对干旱生态系统中现有SOC的影响可能低于较为湿润的生态系统，但在传统管理实践下，旱地本身容易发生SOC和SIC的流失，从而导致与气候变化的正反馈效应。
然而，旱地也具有较高的土壤碳恢复潜力。在这些环境中实施土壤碳管理不仅可以实现气候缓解目标，还可以促进适应能力的提升，为当地人口带来韧性和社会经济效益。
将干旱因素纳入土壤碳管理的努力
土壤碳管理干预措施需要考虑土壤碳储存的主要驱动因素。由于这些驱动因素随干旱程度而变化，干预措施也需要随之调整（图1）。
在湿润环境中效果良好的干预措施可能在干旱环境中效果较差，因为水分会通过其对碳动态的影响调节管理干预的效果。例如，长期来看，在湿润气候下采用减少耕作或免耕措施会使表层土壤碳储量增加两倍，而在干燥气候下则效果减半（分别为0.22和0.1 MgC ha⁻¹ yr⁻¹）。此外，管理干预措施在干旱气候中可能因SOC与SIC之间的权衡而受阻。例如，通过根系分泌物增加有机酸输入以及提高氨的可用性可能会促进SOC的积累，但可能通过诱导酸化导致SIC减少。
干旱生态系统对植物生产力的限制更为敏感，这可能部分归因于干旱环境中微生物分解率较低，使得碳输入能够更高效地积累。
气候驱动的低植物生产力导致土壤碳输入较少，这意味着在干旱环境中增强土壤碳的干预措施需要采取积极的管理策略，在可能的情况下增加碳输入，同时保护现有碳储量，并尽量减少社会和环境方面的权衡。
例如，使用外源有机改良剂（如堆肥、粪肥、污泥、生物炭等）在干旱环境中比在湿润环境中更能有效恢复土壤碳。其他在干旱地区可能有效的土壤碳管理实践包括避免过度放牧、选育或选择耐旱作物，以及在条件允许时保留深根树木，这些树木可以将地下水提升至整个植物群落并提供遮荫。
同时，应通过免耕或减少耕作以及改善土壤覆盖来防止土壤侵蚀。这些干预措施不仅增加了SOC，还引发了一系列有益效应，例如改善土壤结构、增强水分渗透和保持能力，从而最终刺激植物生产力并实现SOC储量的长期增长。
此外，这些管理措施也会对SIC产生影响。在干旱且富含钙质的土壤中，根系活动增加和CO₂浓度升高可能会反馈到现有碳酸盐的风化过程中，或通过硅酸盐的风化促进其沉积，从而促进SIC的储存。
总体而言，干旱环境中的管理措施需要在保护现有SIC储量的同时尽可能增强其积累，与SOC的管理相辅相成。目前关于如何实现这一点的知识仍然有限，未来的研究应集中于识别干旱地区SOC和SIC综合管理的有效实践。
相比之下，在较湿润的环境中，土壤碳通常仅以有机形式存在，可用水分对净初级生产力的输入限制较小，而微生物分解导致的损失则起着更重要的作用。
在这种情况下，土壤矿物对有机碳的保护能力成为比干旱系统中更为关键的土壤碳储存限制因素。因此，湿润环境中的土壤碳管理需要一种整体性的管理方法，其中碳输入的增加需要与植物和土壤微生物组的协同活动相结合，从而实现高效的碳和氮转化，既支持植物生产力，又通过矿物结合和物理保护稳定碳。
由于在这些环境中植物生产力不受干旱限制，管理可以直接集中在可持续地最大化植物输入上，包括通过多样化种植、集约化管理、覆盖作物和多年生化等方式，这些措施也有助于维持健康的土壤微生物组。尽管数据有限，但在农田中整合牲畜养殖以及优化放牧地的放牧模式等策略，有可能更好地耦合碳和氮的动态过程，从而对生产力和气候产生积极影响。
基于干旱程度的土壤碳管理是一种更有效地利用土壤潜力以缓解气候变化的方式。
现实的解决方案必须解决权衡问题，包括水资源需求和社会接受度，但许多干预措施可能带来双赢的结果。实现这些目标需要将干旱程度纳入先进的生物物理和社会经济框架中，涵盖SOC和SIC。
开发稳健的决策支持工具以代表这些耦合框架是一项紧迫的优先事项。尽管当前将生物物理模型与社会经济模型相结合的努力正在进行中，但它们尚未将干旱程度作为一个指导性概念，也未充分考虑深层土壤中有机和无机碳动态的相互作用。弥合这些差距对于大规模推进土壤碳管理至关重要。
标题：Incorporating aridity in soil carbon stewardship frameworks
期刊：Nature Climate Change
类型：
Comment
作者：M. Francesca Cotrufo
*【Colorado State University】, &
Jocelyn M. Lavallee
【Colorado State University】
时间：
2025-02-25
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41558-025-02270-9
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