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土壤碳：净零承诺的重要盟友还是潜在威胁？

克莱尔·阿舍

Mongabay网站

2025年9月3日

气候变化可能破坏土壤碳循环，进而释放数十亿吨碳至大气中，削弱全球脱碳努力的成效。图片由美国农业部自然资源保护局/凯瑟琳·乌利茨基通过Flickr（CC BY 2.0）提供。

? 地球表层2米（约6英尺）深度的土壤中储存了约2.5万亿吨碳，这一数值超过了当前植被生物量与大气中碳储量的总和。然而，土壤作为重要的碳汇正面临全球变暖的威胁——气温升高可能触发正反馈机制，显著加快土壤中碳的释放速度，而这正值人类社会致力于减少碳排放、实现低碳转型的关键时期。

? 当前的气候模型已纳入气温升高及大气二氧化碳浓度上升对土壤碳动态的影响。然而，这些模型尚无法全面反映土壤碳汇的复杂性，部分原因是科学界对调控土壤碳积累与流失的机制仍未完全厘清。

? 亟需解决的重大知识空白包括：长期土壤碳储量如何避免受到微生物的消耗（以及由此导致的二氧化碳释放）？全球变暖将如何影响微生物群落、深层土壤碳库以及热带土壤的气候敏感性（热带土壤储存了全球土壤碳储量的约三分之一）？

? 对土壤碳动态的深入理解，有助于更好地管理和利用农业与森林土壤，以实现碳封存目标。通过科学合理的管理措施，退化土壤每年有望额外封存数十亿吨碳，从而成为应对气候变化的重要手段。

大自然的碳库正持续遭受破坏，这一过程正在我们眼前发生：森林被灾难性野火吞噬，大面积荒野被开垦为农田。然而，还有365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网隐藏在地表之下的碳库同样面临威胁。

全球土壤作为一个巨大的碳汇，在缓解人类过量碳排放方面迄今发挥了至关重要的作用。然而，气候变化、工业化农业及其他人类活动正对全球土壤的碳储存能力构成威胁，可能带来潜在的环境风险。

保护这种地下环境的生态系统服务对于实现全球净零承诺至关重要。

全球土壤碳汇：不确定的未来

地球表层 2 米深的土壤中储存着高达 25000 亿吨的碳，这一数量超过了当前植被和大气中碳储量的总和。然而，这种碳储存并非处于静态状态，而是持续地受到植物、真菌、细菌及土壤动物等生物因素的影响，处于动态变化之中。研究表明，每年约有 600 亿吨碳通过各种途径进出土壤，其流通规模是人类碳排放量的三倍以上。

美国伍德韦尔气候研究中心高级科学家乔纳森·桑德曼指出：“土壤中碳的输入与输出过程可能是决定大气二氧化碳浓度的最关键因素。”然而，随着全球气候变暖，这一碳平衡过程正面临被打破的风险，可能引发灾难性后果。

据估计，到2050年，全球土壤可能损失约500亿吨碳，相当于同期人类预计碳排放总量的15%。一旦土壤由碳汇转变为净碳源，可能引发正反馈效应，进一步加剧气候变化，而这正是全球推动社会脱碳的关键时期。

令人担忧的是，土壤中大量碳流失的潜在风险尚未充分纳入气候政策谈判的考量范畴。

这引发了人们的质疑：在气候持续变暖的背景下，若土壤成为额外的碳排放主要来源，那么在《巴黎协定》框架下所承诺的减排力度是否足以实现全球气候治理目标，例如将全球升温幅度控制在较工业化前水平高出 2 摄氏度以内。

好坏参半的发现：评估土壤碳汇健康状况

数十年来，科学家主要采用直接观测与计算机模拟相结合的方法，持续监测陆地生态系统所吸收的碳量——即所谓的“陆地碳汇”，以评估碳元素在全球各主要系统之间的流动情况。然而，相关研究对陆地碳汇当前状态的评估结果呈现出既有积极信号也存在潜在隐忧。

近期有两项研究指出，陆地碳汇在吸收二氧化碳方面的能力出现了令人关注的下降趋势，而其他分析则显示碳封存速率保持相对稳定。然而，截至目前，尚无研究能够直接评估全球范围内土壤碳汇的动态变化。

表层2米的土壤含有2.5万亿吨碳，比活植被和大气中的碳总和还要多。但由于植物、真菌、细菌和动物的作用，土壤不断增加和减少碳。图片由埃尔维斯·里普利通过Flickr提供（CC BY-NC 2.0）。

然而，由以色列魏茨曼科学研究所助理教授尹农·巴龙领导的一项最新研究表明，陆地碳汇所吸收的大部分碳主要储存在非生物物质中。该重要分析结果显示，在1992年至2019年期间，陆地碳汇大约封存了350亿吨碳，但其中仅有10亿吨被储存在活体植被中。巴龙指出：“我们在陆地与大气之间观测到的碳通量情况，与植被中碳积累的实际数据之间存在明显不一致。”

本研究得出结论，缺失的部分为无生命的有机物。这些有机物主要包括土壤、枯叶、枯木、湖底沉积物，以及人造碳库，如已采伐的木材制品和垃圾填埋场。目前，许多此类碳库尚未被纳入全球碳循环模型中。

令人遗憾的是，目前研究人员尚未全面阐明影响土壤碳循环的关键机制。在缺乏此类深入理解的情况下，开发能够准确反映这些复杂过程的模型将面临显著挑战。而我们尚未认知的因素，可能在未来引发不可预见的负面后果。

菌根真菌与植物形成有益的伙伴关系，并将碳储存在它们巨大的地下细丝网络中，称为菌丝。科学家估计，这些共生真菌每年储存超过130亿吨碳。图片由洛雷托·奥亚尔特-加尔韦斯提供。

土壤碳的消长变化

从最基本的层面来看，我们确实了解有机物在分解后会将碳输入土壤。植物通过光合作用吸收二氧化碳，而当枯叶、枯木及根系发生腐烂时，其中的一部分碳便会进入土壤系统。真菌在这一过程中也发挥着重要作用，它们通过复杂的分支菌丝网络储存碳，这种菌丝结构被称为菌丝体。

一类重要的真菌——菌根真菌——与植物建立了互利共生关系，它们为植物提供水分和养分，作为交换，植物则向其提供碳。南非开普敦大学的研究员海蒂·杰恩·霍金斯指出：“共生真菌可以通过其地下菌丝网络中的生物量直接增加土壤碳储量……但它们更为关键的作用可能体现在与植物之间的相互作用。”

霍金斯及其研究团队估计，共生真菌每年可固定超过130亿吨的碳，相当于人类每年因燃烧化石燃料所排放二氧化碳总量的约三分之一。

然而，在碳被固存的同时，由于微生物的代谢活动，大量碳也从土壤中流失。微生物利用土壤中的碳促进自身生长，并在此过程中释放二氧化碳。

目前尚不明确全球变暖将如何影响碳固存真菌与碳释放微生物之间的动态平衡。

工业化的农业是全球主要的碳排放源之一。翻耕会破坏土壤结构，切断真菌菌丝，为依赖碳源的土壤微生物提供易于分解的“碳源供给”，从而降低土壤中的碳固存量。图片由维尼皮克斯通过 Flickr 提供（CC BY 2.0）。

监测气候变化对土壤碳的复杂影响

实验室实验表明，温度升高能够增强微生物分解土壤碳过程中相关酶的活性。基于温度与微生物活性之间的这种正向关系，科学家预测，在全球气候持续变暖的背景下，土壤微生物将向大气中释放365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网的碳。

另一方面，大气中二氧化碳浓度的升高可促进植物的光合作用，从而增加植物对碳的吸收，这一现象被称为“二氧化碳施肥效应”。由于气候变暖同时提升了光合作用速率，自工业革命以来，陆地碳汇能力实际上呈现出增长趋势，吸收了越来越多由人类活动排放的碳。

温度升高与二氧化碳施肥效应对土壤碳储量的相反作用已被纳入当前的气候模型之中，例如联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）所采用的模型。然而，这些模型目前尚无法全面反映土壤碳汇的复杂性，部分原因在于科学家尚未完全厘清影响土壤碳积累与流失的各类机制。

陆地生态系统吸收的大部分碳储存在非生物材料中，例如土壤、落叶、枯木和湖泊沉积物，以及人为碳储存中，例如采伐的木制品和垃圾填埋场。但其中许多碳储存并未包含在全球碳循环模型中。图片由劳尔·AB通过Flickr提供（CC BY-ND 2.0）。

例如，我们了解到并非所有土壤中的碳都会被微生物所分解，但究竟是何种机制在维持碳的长期储存，目前尚不明确，这也是当前研究的热点领域。桑德曼指出：“在过去二十年中，我们对土壤中碳稳定机制的理解发生了显著变化。”

过去人们普遍认为，随着时间的推移，土壤中的碳会转化为微生物难以降解的复杂有机化合物。然而，近期研究表明，碳的稳定性主要归因于物理屏障，例如其与黏土颗粒的结合，从而避免被渴望分解碳的微生物所利用。

桑德曼表示，目前科学家正致力于将这些基于过程的新认识整合到模型中，以更准确地预测未来土壤是作为净碳汇还是净碳源。

研究人员乔纳森·桑德曼在美国马萨诸塞州的莫霍克小径州立林区采集了土壤样本。迄今为止，大多数365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网：土壤碳含量的研究主要集中在温带和极地地区，因此有必要加强对热带土壤的研究，以完善对全球土壤碳分布的全面认识。图片由科琳·帕蒂达提供。

365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网：长期变暖反应的问题

另一个重要的认知空白在于，我们尚不清楚土壤生态系统在长期气候变化条件下将如何演变。土壤中栖息着种类繁多的微生物（估计可达数百万种），它们在利用碳源进行生长的效率方面存在差异，这种差异直接影响其碳代谢过程中向大气释放的碳量。

实地研究表明，气候变暖可能会改变土壤微生物群落的组成，从而以不可预测的方式影响土壤碳库的动态平衡。例如，若微生物群落逐渐被更耐热且碳利用效率更高的物种所主导，土壤碳的流失速度可能在长期中趋于稳定。

要厘清这一机制，需要开展长期的野外实验。然而，由于持续数十年的人为气候变暖实验在资金支持方面面临较大困难，目前相关研究仍较为稀缺。

位于马萨诸塞州的哈佛森林是全球持续时间最长的人工土壤增温实验场地。经过26年的实验观测，土壤表层60厘米内温度升高5摄氏度的森林样地，其碳储量已减少了17%。图片由奥德丽·巴克-普洛特金提供。

一个例外是美国马萨诸塞州中部哈佛森林开展的一项土壤增温实验，该实验自1991年起由马萨诸塞州海洋生物实验室的杰里·梅利洛及其研究团队主持。经过26年的持续观测，研究人员发现，在土壤温度升高5摄氏度的森林样地中，表层60厘米土壤中储存的碳减少了17%。然而，碳的流失并非呈现稳定趋势。相反，研究人员观察到一种周期性的碳释放模式，并发现该现象与土壤微生物群落的显著重组密切相关。

这一发现凸显了土壤微生物群落的高度复杂性以及开展长期土壤碳动态研究的重要性。

“维持现有实验并尽可能延长其运行时间具有重要意义，因为随着时间的推移，这些实验将不断产生365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网有价值的数据和信息。”英国利兹大学的土壤科学家、史密森尼热带研究所研究助理安德鲁·诺丁汉指出。

深层土壤：土壤微生物学家的陌生环境

迄今为止，大多数365体育手机版_bob电竞体育博彩-投注官网：土壤碳的研究主要聚焦于表层一米以内的土壤，因此我们对更深层土壤的了解相对有限。这一研究空白尤为重要，因为深层土壤具有独特的物理和化学特性，可能在应对气候变暖时表现出不同的响应机制。

深层土壤通常具有较低的氧气含量、较高的黏土含量以及更强的持水能力，其化学组成与表层土壤存在显著差异。

正如诺丁汉所指出的：“对于微生物学家而言，理解深层土壤中的碳动态几乎相当于进入一个全新的、陌生的研究领域。”此外，深层土壤往往储存着年代更为久远的碳，一旦这些碳因环境变化而释放，其恢复过程将更加困难。

为深入探究深层土壤碳库的动态变化，国际土壤碳网络已组建了一个由土壤生态学家构成的科研联盟，致力于开展系统的长期观测与研究。

SWELTR 是一项长期的热带土壤增温实验，旨在通过埋设于地下的加热电缆将土壤温度提升 4 摄氏度。结果显示，在升温两年后，土壤中二氧化碳的释放量增加了 55%。这一增幅显著高于温带森林中类似实验所观测到的数据，从而对长期以来“热带土壤对气候变化敏感性较低”的假设提出了挑战。图片由吉塔·艾耶尔提供。

热带土壤：对变暖比以前想象的更敏感

我们在土壤认知方面仍存在地域上的空白。北极地区的永久冻土层中蕴含着大量的碳储量，而欧洲、北美和亚洲的温带土壤也得到了较为广泛的研究，相比之下，热带土壤则在很大程度上被忽视。

这一现象在一定程度上源于后勤方面的挑战——全球南方地区基础设施和资金不足，使得实地研究更具难度。此外，长期以来科学界还存在一种误解，认为热带土壤受气候变化的影响相对较小。

诺丁汉指出：“过去有一种传统观点认为，所有热带土壤在地质上都较为古老，且经历了严重的风化作用，因此通常较为贫瘠，有机质含量较低。然而人们常常忽略了热带土壤的高度多样性，即便是风化程度较高的土壤，也具备较强的碳储存能力。”

当前研究表明，全球约三分之一的土壤碳储量分布于热带地区。热带森林与大气之间的二氧化碳交换量超过任何其他陆地生态系统，其中多达50%的碳来源于土壤。因此，即使热带土壤碳排放出现小幅上升，也可能对全球气候系统产生深远影响，这也进一步凸显了各国加紧实现净零排放承诺的必要性。

研究人员尚未完全阐明影响土壤碳动态变化的具体机制，该领域仍然是当前科学研究的热点之一。土壤科学家可借助光谱仪对土壤的含水量和有机质含量等各种特性进行分析。图片由萨拉·鲁伊斯提供。

2016年，诺丁汉大学在巴拿马的一片低地热带森林中建立了一个长期的土壤增温实验项目，旨在研究气候变化对热带土壤碳循环的影响。该实验名为SWELTR，通过埋设地下电缆，将土壤表层1.2米深度的温度升高4摄氏度，以模拟本世纪末热带地区预期的升温情景。

两年后，研究人员发现增温区域内的土壤微生物酶活性显著增强，土壤二氧化碳排放量上升了55%。这一结果与此前在加利福尼亚州温带森林中进行的类似研究形成鲜明对比，后者仅观察到二氧化碳排放量增加35%。

基于实验室研究和热力学理论，科学界普遍认为，在温度较低、纬度较高的地区，升温将引发更大程度的土壤碳释放。然而，SWELTR实验的结果对这一长期存在的假设提出了挑战。诺丁汉大学的研究人员指出：“我们的研究发现，热带土壤在全球碳循环中扮演着比以往认知中更为重要的角色，其对温度变化的敏感性也显著高于此前估计。”

这一初步研究结果可能对政策制定者构成新的挑战：目前用于气候预测的全球土壤碳模型主要依赖于温带土壤的数据。SWELTR的研究表明，由于气候变化引发的短期土壤碳损失可能被严重低估，尽管这一结论仍需进一步验证和研究。

土地管理措施对土壤碳储量的影响是气候变化影响程度的十倍。研究表明，对农业土壤碳排放的深入研究有助于推动制定更科学、高效的土地管理策略，科学家估计，通过优化管理每年可能额外固定多达10亿吨的碳。图片由尼科尔·查普曼提供。

土地管理：增加土壤碳储量的机会

诺丁汉表示，深入了解热带土壤碳流失的机制具有重要意义，这不仅有助于预测气候变化的影响，还能够为热带地区的土壤碳管理提供科学依据，以实现碳封存目标。改进农业和林业实践，不仅在热带地区，也在温带地区为提升土壤碳储量提供了可行路径。

在全球范围内，过去一万两千年中，为发展农业而进行的土地利用变化已导致表层土壤释放出约1100亿吨碳。当前的土地管理方式对土壤碳储量的影响，是气候变化本身影响的十倍之多。

桑德曼指出：“土地管理者可采取一系列措施来恢复部分流失的碳，例如减少土壤扰动、种植多年生作物，或采用覆盖作物以确保土壤表面全年保持植被覆盖。”通过科学合理的管理手段，退化土壤每年有望额外封存高达10亿吨的碳。

诸如在收获后将作物残茬保留在田间等气候智慧型农业实践，有助于通过向土壤中添加有机质来提升土壤的碳储存能力。此外，作物残茬还能有效防止土壤侵蚀。图片由美国农业部自然资源保护局 / 杰森·约翰逊通过 Flickr 提供（CC BY 2.0）。

气候智能型农业方法平均每年每公顷可储存约0.3公吨的碳，但部分农场的实际效果显著优于平均水平。桑德曼表示：“目前我们尚不清楚为何某些土壤具备更强的碳储存能力。”深入研究矿物组成、土壤结构以及土地管理方式之间的相互作用，有助于我们优化农业实践，从而最大程度提升土壤碳封存能力。

科学界普遍认为，修复退化土壤并保护现存的自然生态系统避免其进一步退化，是确保土壤在应对气候变化中持续发挥积极作用的关键。这些措施有助于避免社会在脱碳进程中因土壤碳大量流失而抵消已取得的成果。