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分粒级有机质碳14年龄揭示深部土壤有机碳持续再循环过程

达佳伟 李根 等 生态与地理速报 2024-05-29 08:00 广东

土壤有机碳是全球碳循环的重要组成部分，也是古气候研究的重要材料。然而，土壤碳库、尤其是深部土壤碳库所涉及的诸多动力学过程（分解，转化，运移）很大程度上仍然未知。为了定量考察垂向土壤有机碳运移过程，德州大学奥斯汀分校博士后达佳伟、加州大学圣塔芭芭拉分校李根教授、德州大学奥斯汀分校Dan Breecker教授和南京大学季峻峰教授合作对黄土高原董志塬上一个2米深的土壤剖面中不同粒径有机质的碳14年龄进行了系统的比较研究。研究结果显示，深部土壤（>50 cm）有机碳的碳14年龄均显著小于对应黄土层位沉积年龄（图1a），表明浅层土壤新鲜有机碳的垂向输送对深部有机碳库具有显著贡献。随着土壤深度增加，粘粒级（<2μm，fSOM）有机碳占比逐C渐增加（见原文图3d，点击右下方阅读原文可跳转），结合有机碳C/N比和碳同位素值（δ¹³C），暗示了深部土壤碳库主要由微生物成因的有机质构成，同时其保存与粘土矿物密切相关。值得注意的是，深部土壤碳库粘粒级碳14年龄均显著小于粗粒级（>2μm，cSOM）（图1a），暗示了前者与新鲜碳库的交换更为密切。图1 不同粒径有机碳碳14年龄及质量平衡模型结果 （a）粗粒级（>2um，fSOM）、粘粒级（<2um，fSOM）和全岩（方框）有机碳碳14测年结果（Fm, fract ion of modern carbon）与基于光释光测年的地层年龄（三角）对比。（b）质量平衡模型中，不同土壤层位有机碳对目标层位有机碳的贡献（Mi）与二者距离的关系（di）受到e衰减距离的调控。(c) 基于有机碳Fm数据应用质量平衡模型模拟的不同深部值。随着土壤深度增加， 越大，远距离有机碳输送的占比越高。
研究团队结合有机质碳14质量平衡模型，数据表明随着土壤深度逐渐增加，深部土壤碳库持续受到地表新鲜土壤有机碳的远距离供给（图1b-c）。将该模型应用至有机质δ¹³C质量平衡模型中，研究团队发现对于经历明显地表植被类型（C₃和C₄植物）变化的土壤剖面（例如冰期-间冰期黄土剖面），这种垂向上有机质的混合对土壤有机质δ¹³C值有较明显影响（原文图4，点击右下方阅读原文可跳转），导致实际测量的土壤有机质δ¹³C值是一段时期的平均信号。本项研究结果为深部土壤有机碳库与地表生物圈碳库的持续交换提供了直接证据，暗示了其在现代全球碳循环中扮演不可忽视的角色。该项工作得到了国家自然科学基金（42030503，42102228）资助，以“Particle-Size-Specific Radiocarbon Constraints Imply an Active Subsoil Organic Carbon Pool”为题发表在Journal of Geophysical Research: Biogeosciences上，德州大学奥斯汀分校博士后达佳伟为论文第一作者和通讯作者，合作者包括加州大学圣塔芭芭拉分校李根教授、德州大学奥斯汀分校Dan Breecker教授和南京大学季峻峰教授。